第十三章 数字电路课程设计

0010 0011
0010 0100 0010 0101 0010 0110
1111 1111
0000 0000 0000 0000 0000 0011
0010 0111
0010 1000 0010 1001 0010 1010
1111 1111
0000 0000 0000 0000 0000 0111
学习本章的目的，是通过课程设计实例来深刻领会 采用中、大规模数字集成电路器件进行数字电路系统
设计、制作与调试的
思路、技巧与方法。
13.2 多路可编程控制器设计与制作
在实际应用中，常常需要一种能同时控制多组开关按一定 的方式闭合与断开的装置，比如显示图样不断变化的各种霓虹 灯或彩灯的电源控制系统。 本节设计与制作的多路可编程控制器就具有这种功能。 通过这一课程设计，读者可以在如下方面得到锻炼。
◆ 检测存储器各地址线的电平，在低地址端应能观测到电平的跳 表13.1 一种显示方式各地址对应的数据 变。如地址线电平不发生变化，则应检测由4个74LS161构成的地 0000H 00H 00H 00H 01H 00H 00H 00H 03H 00H 00H 00H 07H 00H 00H 00H 0FH 0010H 00H 00H 00H 1FH 00H 00H 00H 3FH 00H 00H 00H 7FH 00H 00H 00H FFH 址计数器工作是否正常，通过检测各IC的引脚或波形，排除故障。
0020H 00H 00H 01H FFH 00H 00H 03H FFH 00H 00H 07H FFH 00H 00H 0FH FFH 0030H 00H 00H 1FH FFH 00H 00H 3FH FFH 00H 00H 7FH FFH 00H 00H FFH FFH 0040H 00H 01H FFH FFH 00H 03H FFH FFH 00H 07H FFH FFH 00H 0FH FFH FFH ◆ 检测寄存器74LS374各引脚电平，各电平值应与电路确定的值 0050H 00H 1FH FFH FFH 00H 3FH FFH FFH 00H 7FH FFH FFH 00H FFH FFH FFH 一致，出现异常则应找出故障所在，予以排除。 0FH FFH FFH FFH 0060H 01H FFH FFH FFH 03H FFH FFH FFH 07H FFH FFH FFH 0070H 1FH FFH FFH FFH FFH 3FH FFH FFH 7FH FFH FFH FFH FFH FFH FFH FFH
我们以背景霓虹灯的显示效果为例，介绍其显示原理。设有一排n段水平排 （1）可以控制每段霓虹灯的点亮或熄灭。 列的霓虹灯，它从左到右每间隔0.2秒逐个点亮。其控制过程如下： （2）每段霓虹灯的点亮与熄灭可以通过编程来实现。 若以“1”代表霓虹灯点亮，以“0”代表霓虹灯熄灭，则开始时刻，n段霓 （3）每间隔一段时间，霓虹灯的图样变化一次。 虹灯 “0”，随后，控制器将一帧n个数据送至n段霓虹灯的控制端，其中，最左 （4）图样变化的间隔时间可以调节。 边的一段霓虹灯对应的控制数据为“1”，其余的数据均为零，即1000…000。 2．霓虹灯受控显示的基本原理 当n个数据送完以后，控制器停止送数，保留这种状态0.2秒，此时，第1段霓虹 灯被点亮，其余霓虹灯熄灭。随后，控制器又在极短的时间内将数据 1100…000送至霓虹灯的控制端，并定时0.2秒，这段时间，前两段霓虹灯被点 亮。由于送数过程很快，我们观测到的效果是第一段霓虹灯被点亮0.2秒后，第 2段霓虹灯接着被点亮，即每隔0.2秒显示一帧图样。如此下去，最后控制器将 数据1111…111送至n段霓虹灯的控制端，则n段霓虹灯被全部点亮。 只要改变送至每段霓虹灯的数据，即可改变霓虹灯的显示方式，显然，我 们可以通过合理地组合数据（编程）来得到霓虹灯的不同显示方式。
13.1 概述
内
13.2 多路可编程控制器设计
13.2.1 电路设计项目 —— 霓虹灯控制器 13.2.3 实用电路
容
提 要
13.3 电路制作与测试
13.4 数字电路系统设计与制作的一般方法
13.1 概述
目前乃至今后一段时期，在许多场合，仍需要利用 现有的数字电路器件来设计具有某种功能的数字系统。
3．系统框图 根据设计要求，确定如图13.1所示系统框图。
框图中，右边的D0-Dn为n个发光二极管，它们与n段霓虹灯相对应，二极 管亮，则霓虹灯亮。下面介绍框图中各部分的功能与实现方法。
(1) 移位寄存器 移位寄存器用于寄存控制发光 二极管亮、灭的数据，对应n个发光 二极管，移位寄存器有n位输出。
13.3 电路制作与测试
1．所需仪器设备与器件 示波器，稳压电源，EPROM读写软、硬件，EPROM擦除器。 2．参考步骤 (1) 器件检测 (2) 电路安装 在印刷电路板上安装好全部器件。所需电路板可以在电子CAD课程作为课 程设计内容完成，也可委托电路板厂加工。如无现成的印刷电路板，也可在万 能板上安装。由于电路连线较多，不宜在面包板上安装。 (3) 检测电路 ◆ 检测由555(1)组成的时钟振荡器的输出波形，正常情况应能在它的第3脚观 测到频率为几十kHz的矩形波。如不能观测到输出波形，则应检测555(1)的工 作状态，找到故障所在。
移位寄存器的输入信号取自存储 器输出的8位并行数据，为使电路简 单，可以采用8位并入并出的移位寄 存器，也可以采用并入串出的移位寄 存器。 (2) 只读存储器 只读存储器内部通过编程已写入 控制霓虹灯显示方式的数据，控制器 13.1 系统方框图 每间隔一段时间（显示定时）将n位 数据送移位寄存器，所送的数据内容由存储器的地址信号确定。 存储器的容量由霓虹灯的段数、显示方式及显示方式的种类确定。n段霓 虹灯，m种显示方式，要求存储器的容量为 c=k×n×m（bit） 只读存储器可以采用常用的EPROM,如2764、27128、27256、27512等。
关于显示方式各地址对应的数据表的说明
显示方式设置为从左至右一个一个点亮。 每行第一个数据为首地址，例0020H它的地址是 0000 0000 0010 0000（BCD）。依次是 16个地址里的数据：
0020H地址
0010 0000 0010 0001 0010 0010
数据
0000 0000 0000 0000 0000 0001
0010 1011
0010 1100 0010 1101 0010 1110
1111 1111
0000 0000 0000 0000 0000 1111
0010 1111
1111 1111
(6) 输入数据
读者可以利用任何读写EOROM的软件及相关附件将编辑好 的内容固化在EPROM中。固化时，必须注意选择编程电压时， 应与实际存储器的编程电压一致。
(3) 地址计数器 地址计数器产生由低到高连续变化的只读存储器的地址，存储器内对应地 址的数据被送至寄存器。地址计数器输出的位数由存储器的大小决定。 64Kbyt容量的存储器对应的地址线为16根，因此要求16位计数器。其余 可依次类推。地址计数器给出存储器的全部地址以后自动复位，重新从0000H 开始计数。 (4) 控制门与定时器 控制门用于控制计数脉冲是否到达地址计数器。控制门的控制信号来自定 时器，定时器启动时，控制门被关闭，地址计数器停止计数，寄存器的数据被 锁存。此段时间发光二极管发光。达到定时值时，定时器反相，计数器重新开 始计数。 控制门可以用一般的与门或或门，定时器可以采用单稳态电路来实现，也 可以用计数器实现。 (5) 长度计数器 长度计数器与地址计数器对应同一个计数脉冲。长度计数器工作时，地址 计数器也在工作。计数器工作期间，存储器对应地址的数据被逐级移位至对应 的寄存器。长度计数器的计数长度为n / 8,该长度恰好保证一帧图样（n位）的 数据从存储器中读出送寄存器锁存。长度计数器达到长度值时自动清零，同时 启动定时器工作。定时器启动期间，长度计数器与地址计数器的计数脉冲均被 封闭。
4．实用电路 根据上面的分析，设计 出如左图所示的实用电路。
电路概述
实用电路可以控制32段 霓虹灯，用32个发光二极管 代替霓虹灯。
电路中的移位寄存器采 电路中的存储器采用具有 用74LS374,当与11脚相连的 8K地址的EPROM 2764,电路 移位脉冲产生上升沿突变时， 中2764的最后两根地址线A11 、 8位数据从上至下从一个寄 A12 接地。因此，实际只用到 存器移位至另一个寄存器， 了前面2K地址的存储单元。 构成8位并行移位电路。显 由于只控制32段霓虹灯，它 然，出现在11脚的移位脉冲， 仍可以保证有足够多的显示 一次只能有4个。 方式。如有必要，可以通过 接插的方式改变A11 、A12 的 电平，选择其他6K地址对应 的图样。
通过上述具体数字电路系统的设计与制作，我们对数字电路 设计有了一定的认识。数字电路系统的设计与组合逻辑电路和时 序逻辑电路的设计有较大的区别。后者是根据设计任务要求，用 真值表、状态表求出简化的逻辑表达式，画出逻辑图、逻辑电路， 用一般的集成门电路或集成触发器电路来实现。而数字电路系统 的设计具有复杂的逻辑功能，难以用真值表、逻辑表达式来完整 地描述其逻辑功能，用前面介绍的方法来设计，显然是复杂而困 难的。
第13章
数字电路课程设计
经过上述各章的学习，我们已经熟悉了常用数字电 路的一般原理与器件的使用方法。随着微电子技术的迅 速发展，数字电路设计的对象、方法与手段发生了很大 变化，设计对象从基本逻辑功能电路（计数器、寄存器 等）的设计到数字逻辑系统的设计再到大规模数据控制 与处理系统（CPU、DSP等）的设计。 设计方法也由采用真值表求逻辑表达式、画出逻辑 电路图的方式到通过确定总体方案，采取从局部到整体， 用各种中大规模集成电路来组成满足要求的逻辑电路系 统的方式。 本章主要介绍如何采用中、大规模集成电路设计数 字电路系统。
(7) 显示图样
将EPROM插入IC插座，接通电源，即可看到发光二极管依 一定的规律在点亮与熄灭。观看显示方式是否与自己设计的方式 一致，如不一致，找出原因。如属数据编辑错误，可改写前面的 数据。EPROM具有光擦除功能，要修改内部数据，必须用紫外 线擦除器擦除后重写全部内容。
13.4 数字电路系统设计与制作的一般方法
(3) 排列发光二极管 将32个发光二极管按你喜欢的方式排列成一定的图形或字符。 (4) 确定显示方式 根据排列的图形，确定发光二极管的显示方式。 (5) 确定存储器各地址对应的数据 显示方式确定之后，则可确定存储器各地址对应的数据。为 加深读者的认识，设发光二极管水平排列，显示方式为从左至右 一个一个点亮。这种情况下，各地址对应的数据如表13.1所示。 表中，每行第一个16进制数为存储器的一个起始地址，其余16个 数为该地址及与该地址相连的其他15个地址的数据，也用16进制 数表示。
（1）基本了解设计数字系统的一般方法。
（2）进一步熟悉常用数字器件的使用方法。 （3）基本掌握通过逻辑分析查找数字电路故障的方法。
（4）熟悉并学会使用用于读写EPROM的常用软件，掌握固化 与擦除EPROM的方法。
13.2.1 电路设计项目 —— 霓虹灯控制器 1．设计要求 设计并制作出一种用于控制霓虹灯的控制器，它具有如下功能：
电路中的地址计数器由3块74LS161组成，它产生11位地址数 据，计数输出直接与存储器的地址线相连。
振荡电路采用555(1)组成多谐振荡器来实现，其振荡频率可 以在1kHz～1MHz之间取值。
定时器采用555(2)组成的单稳态触发器来实现，改变可变电 阻RP的数值。可以改变定时器的时间，即每帧画面显示的时间。 显示时间一般定在0.1～1s之间。
◆ 将定时器电位器RP调至最小值，用示波器观测计数脉冲的波形，如电路正常， 可以得到来自百度文库图13.3所示的波形。如没有波形或波形为连续矩形波，则检测定时 器555(2)输出端第三脚的电平。正常时可以观测到输出电平以短于1s的时间周 期跳变，如果不出现跳变，则定时器没有工作，应检测定时器与长度计数器的 工作状态。通过检测各引脚电平或波形，根据电路的逻辑关系进行分析，排除 故障。 图13.3 计数脉冲的波形