2011年下学期数字电子技术课程设计要求.doc

数电课程设计选题及要求在附件中。先安排提前选题，然后自己提前准备。下实验室正式领器材焊接制作是13周。要求12周星期二之前提交选题及对应元件清单给我，每人1份。需要到实验室进行仿真实验的同学，请以班为单位集中联系安排下实验室仿真练习，不联系的话视作不需要，自己有计算机的可以自己先仿真做好即可。 数字电子技术课程设计要求1、选题安排每人自选1题（选题附后）。设计流程：查阅有关文献资料拟定电路原型依据性能指标，进行参数计算，确定电路元器件参数画出原理电路仿真分析验证设计方案、调整有关电路参数实际制作、测试电路性能参数写出设计报告。时间安排：选题后，自己安排时间进行课题资料查阅、原理方案设计和参数计算，然后进行软件仿真（可以利用自己的PC机或到实验室进行仿真实验），验收合格后，凭指导教师验收签字单到实验中心201领取器材进行硬件制作部分，完成调试后，经指导教师验收签字，最后，撰写课程设计总结报告并于课程设计结束2周内提交，未及时按要求提交设计报告者评为不及格。2、设计报告要求编写课程设计的总结报告是对学生写科学论文和科研总结报告的能力训练。通过写总结报告，不仅将设计、组装、调试的内容进行全面总结，而且可以将实践内容上升到理论高度。总结报告应包括以下内容：（1）课题名称；（2）内容摘要；（3）设计内容及要求；（4）系统方案设计，分析比较各种方案的优缺点，画出系统框图；（5）单元电路设计、参数计算和器件选择；（6）画出完整的电路图，并说明电路的工作原理；（7）组装调试部分：使用的主要仪器，调试电路的方法和技巧，测试的数据和波形并与计算结果比较分析，调试中出现的故障、原因及排除方法；（8）总结设计电路的特点，并提出改进意见；（9）收获和体会；（9）附录：列出参考文献；列出系统需要的元器件清单。 多功能数字钟电路设计1、功能要求： 基本功能: 以数字形式显示时、分、秒的时间，小时计数器的计时要求为“12翻1”，并要求能手动快校时、快校分或慢校时、慢校分。扩展功能: 定时控制，其时间自定；仿广播电台正点报时自动报正点时数。2、设计步骤与要求：拟定数字钟电路的组成框图，要求先实现电路的基本功能，后扩展功能，使用的器件少，成本低；设计各单元电路，并用Multisim软件仿真；在通用电路板上安装电路，只要求显示时分；测试数字钟系统的逻辑功能；写出设计报告。设计报告要求：写出详细地设计过程（含数字钟系统的整机逻辑电路图）、调试步骤、测试结果及心得体会。3、给定的主要器件：74LS00（4片），74LS160（4片）或74LS161（4片），74LS03（OC，1片），74LS04（2片），74LS20（2片），74LS48（4片），数码管BS202（4只），发光二极管（2只），555（2片）。4、仪器和设备:稳压电源（或数字逻辑学习机），双宗示波器，数字万用表、数字通用板、拨线钳和电烙铁等。5、设计报告要求（1）写出各单元电路的工作原理、设计过程及器件选择；（2）画出完整的电路原理图，并标明各元器件的参数值；（3）绘出电路中的时序波形，整理实验数据，并加以说明；（4）写出设计过程中出现的故障现象及其解决办法；（5）设计心得、体会及建议。6、参考文献:1、电子技术基础课程设计指南清华大学出版社、焦宝文主编；2、电子线路设计大全华中科技大学出版社、 陈碗儿主编3、数字电子技术基础清华大学出版社、阎石主编4、TTL集成电路大全电子工业出版社7、数字电子钟的设计提示时显示器分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器分计数器秒计数器校时电路振荡器分频器定时控制仿电台报时整点报时主体部分扩展 部分1）、数字电子计时器组成原理 图1数字电子计时器的结构框图2)、用74160实现12进制计数器CLKD0 D1 D2 D3CLKETEPQ0 Q1 Q2 Q3CLDRD74LS160D0 D1 D2 D3CLKETEPQ0 Q1 Q2 Q3CLDRD74LS160111图2 用整体置零法构成的12进制计数器3)、校时电路当刚接通电源或时钟走时出现误差时，都需要进行时间的校准。校时是数字钟应具有的基本功能，一般电子钟都有时、分、秒校时功能。为使电路简单，这里只进行分和小时的校准。校时可采用快校时和慢校时两种方式。校时脉冲采用秒脉冲，则为快校时；如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供则为慢校时。图3中C1、 C2用于消除抖动。至时个位计数器至分个位计数器分十位进位脉冲秒十位进位脉冲3.3KW3.3KWC2 S2C1 S1C1=C2=0.01mF+5V校时脉冲 图3 校时电路4、时基电路 图4 由555定时器构成的多谐振荡器5、定时控制电路数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”，或对某装置进行控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。例如，要求上午7点59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。7时59分对应数字钟的时计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）H1=0111，分十位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）M2=0101，分个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路可以使音响电路正好在7点59分响，且持续时间1分钟停响。所以闹时控制信号Y的表达式为：Y=（Q2Q1Q0）H1（Q2Q0）M2（Q3Q0）M1如果用与非门和集电极开路门电路实现，上式可改写为：Q0Q2Q0分十位Q3Q0分个位1KY+5V时十位Q1Q2 图5 定时控制电路6、仿电台正点报时电路仿电台正点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快要到正点时发出声响，通常按照4低音1高音的顺序发出声响，以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间为1秒。根据以上设定可得到电台正点报时时的分十位状态Q2M2Q0M2=11（0101），分个位的状态为Q3M1Q0M1=11（1001），秒十位状态为Q2S2Q0S2=11（0101），秒个位的状态为Q0S1=1（1、3、5、7、9）。而发低音还是高音只与秒个位有关，根据设定可列表如表1所示：由表中的状态可总结出如下结论：秒个位的第三位Q3S1可用来作为鸣低音或高音的控制信号，即Q3s1=0时，输入500Hz的低频信号至音响电路Q3S1=1时，输入1kHz的高频信号至音响电路。 表1 正点报时状态功能表CP（秒）Q3S1 Q2S1 Q1S1 Q0S1功能Cp(秒)Q3S1 Q2S1 Q1S1 Q0S1功能5051525354550 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 1鸣低音停鸣低音停鸣低音56575859000 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 10 0 0 0停鸣低音停鸣高音停简易数字频率计设计1、数字频率计测频的基本原理所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1S）内变化的次数，若在一定时间间隔T 内测得这个周期性信号的重复变化次数为N ，则其频率可表示为 f=N/T图6（a）是数字频率计的组成框图。被测信号vX经放大整形电路变成计数器所要求的脉冲信号A，其频率与被测信号的频率fX 相同。时基电路提供标准时间基准信号T，其高电平持续时间t1=1s，当1s信号来到时，闸门开通，被测脉冲信号通过闸门，计数器开始计数，直到1s信号结束时闸门关闭，停止计数。若在闸门时间内计数器计得的脉冲数为N，则被测信号频率fX=NHz。逻辑控制电路的作用有两个：一是产生锁存脉冲L，使显示器上的数字稳定；二是产生清“0”脉冲R，使计数器每次测量从零开始计数。各信号之间的时序关系如图6（b）所示。逻辑控制电路译码显示器锁存器 计数器闸门电路时基电路放大整形电路vxATRLN(a)结构框图TXt1t2NRLNTvx清零锁存计数（b）时序图图6 数字频率计结构框图和时序图 2、数字频率计的主要技术指标频率准确度：一般用相对误差来表示，即式中，为量化误差（即1个字误差），显然，当闸门时间T选定后，fx越高，量化误差就越小；为闸门时间相对误差，主要由时基电路标准频率的准确度决定，。频率测量范围：在输入电压符合规定要求值时，能够正常进行测量的频率区间称为频率测量范围。频率测量范围主要由放大整形电路的频率响应决定。数字显示位数：频率计的数字显示位数决定了频率计的分辨率。位数越多，分辨率越高。测量时间：频率计完成一次测量所需要的时间，包括准备、计数、锁存和复位时间。3、设计内容及要求技术要求测量频率范围：1000Hz10000Hz；被测信号：方波或正弦波峰峰值为3V5V（与TTL兼容）；显示方式：4位十进制数显示。设计步骤及要求拟定数字频率计的组成框图，设计各单元电路，并用Multisim仿真；在通用电路板上安装、调试电路，并测试技术指标；拟写设计报告。内容包括：整机框图及工作原理、各单元电路设计说明及实验测试数据与波形、总电路图和设计心得与体会。选做内容用计数法测量周期；扩展测频范围10KHz100KHz。4、给定的主要器件：74LS00（2片），74LS90（4片），74LS273（2片），74LS123（1片），74LS48（4片），数码管BS202（4只），555（1片）。5、仪器和设备:稳压电源（或数字逻辑学习机），双宗示波器，数字万用表、EM1643函数信号发生器、数字通用板、拨线钳和电烙铁等。6、设计报告要求（1）写出各单元电路的工作原理、设计过程及器件选择；（2）画出完整的电路原理图，并标明各元器件的参数值；（3）绘出电路中的时序波形，整理实验数据，并加以说明；（4）写出设计过程中出现的故障现象及其解决办法；（5）设计心得、体会及建议。7、参考文献:1、电子技术基础课程设计指南清华大学出版社、焦宝文主编；2、电子线路设计大全华中科技大学出版社、 陈碗儿主编3、数字电子技术基础清华大学出版社、阎石主编4、TTL集成电路大全电子工业出版社8、数字频率计设计提示放大整形电路当被测信号为正弦波信号且幅值小于标准TTL电平时，在测频前需加放大整形电路。放大电路可采用典型的晶体管放大电路，其放大倍数应视被测信号幅之而定。整形电路可由门电路或555电路构成的施密特触发器完成。时基电路时基电路的作用是产生一个标准时间信号(如高电平持续时间为1S）。当标准时间的精度要求高时，应采用石英晶体振荡器经分频获得。本设计对精度没作要求，故可采用555定时器构成的多谐振荡器（如图4所示）来实现。若振荡器的频率fc=1/(t1+t2)=0.8Hz,则振荡器的输出波形如图6（b）中T所示，其中t1=1s, t2=0.25s。由公式t1=0.7（R1+R2）C和t2=0.7R2C，可计算出电阻R1、R2及电容C 的值。若取电容C=10mF，则 R2= t2/0.7C=35.7KW 取标称值36KW R1= （t1/0.7C）-R2=107KW 取R1=47KW，RP=100KW逻辑控制电路根据图6（b)所示波形，在时基信号T结束时产生的负跳变用来产生锁存信号L，而锁存信号L 的负跳变又产生清“0”信号R。脉冲信号L 和R可由两个单稳态触发器产生，其电路如图7所示。R清零信号1A 1B 1RD15 16 1314 1 2 32A 2B 2RD7 16 1214 9 10 11+5V+5VRext10KWCext4.7mFRext10KWCext4.7mFRextVcc 1Q 1QCext 74LS123(1)Rext Vcc 2Q 2QCext 74LS123(2)门控信号锁存信号+5V被测信号闸门CLKS手动复位3.3KW+5V图7 逻辑控制电路图中74LS123是一个可重触发双单稳态触发器，每个触发器的功能如表2所示。 表2 74LS123功能表输 入输 出 RDA BQ Q0XX11X X1 XX 00 10 10 10 10 1 由74LS123的功能表可得，当1RD=1B=1、触发脉冲从1A端输入时，在触发脉冲的负跳变作用下，输出端1Q可获得一正脉冲。如果将1Q接到2A，则对应1Q 的负跳变可在2Q得到相应负跳变，故其波形关系正好满足图6（b）所示L和R的要求。手动复位开关S按下时，计数器清“0”。设锁存信号L和清“0”信号R的脉冲宽度tW相同，如果要求tW=0.02s（由计数器74LS90对清零信号和74LS273对时钟信号的要求决定），则由74LS123单稳脉宽表达式求得： tW=0.45Rext Cext=0.02S若取Rext=10KW 则 Cext= tW/0.45Rext=4.4mF 取标称值 4.7mF 锁存器锁存器的作用是将计数器在1S 结束时所计得的数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器的值，如图6(b)所示，1S 计数时间结束时，逻辑控制电路发出锁存信号L，将此时计数器的值送译码显示器。根据题目要求4位数字显示，即计数需用4位十进制计数器，共有16个计数输出端，故锁存器可用两片8D锁存器74LS273来完成上述锁存功能。当闸门时间到时，逻辑控制电路一方面关闭计数闸门停止计数，另一方面产生锁存信号L，将计数值锁存并送译码显示。可见在电路设计时，只需将74LS273的数据输入端接个计数器的相应输出端，将74LS273的输出端接译码器的相应输入端，同时将锁存信号L接74LS273的时钟输入端即可。交通灯定时控制系统的设计、制作 在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。1、 设计任务及要求设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。选做扩展功能：（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在099s内任意设定。2、设计原理（1）分析系统的逻辑功能，画出其框图交通灯定时控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：TL ：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则TL=0。TY ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST ：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。定时器甲车道信号灯秒脉冲发生器 TL TY ST译码器控制器乙车道信号灯 图1 交通灯控制系统原理框图（2）画出交通灯控制系统的ASM（算法状态机）图一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1： 表1控制器状态信号灯状态车道运行状态S0(00)S1(01)S3(11)S2(10)甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车道禁止通行，乙车道缓行控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮。由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：AR BYSTAG BR01TYTL010011STTLAR BGSTTYAY BRST图2交通灯控制系统的ASM图 （3）单元电路的设计定时器定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，先清零，然后在时钟上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表2所示： 表2输 入输 出现 态状态转换条件次 态状态转换信号 TL TY ST0 00 00 10 11 11 11 01 00 X1 XX 0X 10 X1 XX 0X 10 00 10 11 11 11 0 1 0 0 001010101控制器的逻辑图自行设计。译码器译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。译码器电路请自行设计。 表3Q1Q0AG AY ARBG BY BR000111101 0 00 1 00 0 10 0 10 0 10 0 11 0 00 1 03、设计内容与步骤（1）在Multisim 工具软件中设计电路并进行仿真，仿真结果正确则进入下一步骤；（2）安装、调试定时电路；（3）安装、调试控制器电路；（4）安装、调试译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能；（5）安装、调试秒脉冲产生电路；（6）完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。4、参考元器件集成电路：74LS74 1片， 74LS00 2片，74LS153 2片，74LS163 2片，NE555 1片电阻：52K 1只，200 6只电容：10F 1只 ， 0.1F 1只其他：发光二极管 6只数字式竞赛抢答器1、设计任务与要求（1）设计一个可容纳8组参赛的数字式抢答器，每组设一个按钮，供抢答使用。（2）抢答器具有第一信号鉴别和锁存功能，使除第一抢答者外的按钮不起作用。（3）设置一个主持人“复位”按钮。（4）主持人复位后，开始抢答，第一信号鉴别锁存电路得到信号后，由指示灯显示抢答组的编号，同时扬声器发出23秒的音响。选做扩展功能：（5）设置一个计分电路，每组开始预制100分，由主持人计分，答对一次加10分，答错一次减10分。2、设计原理显示电路译码电路锁存器优先编码电路抢答按钮主电路报警电路控制电路主持人控制开关显示电路译码电路计分电路预制 扩展功能电路 加分 减分 图1 抢答器总体框图定时抢答器的总体框图如图1所示，它由主体电路和扩展电路两部分构成，主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。扩展电路完成各选手的得分显示功能。定时抢答器的工作过程是：接通电源时，主持人将开关置于“清除”位置，抢答器处于禁止工作状