数字系统综合设计实验

1、实验十二 数字系统综合设计一. 实验目的 1.进一步提高独立分析问题和解决问题的能力。 2.掌握数字系统的分析和设计方法。 3.对数字集成电路的综合应用有进一步的认识和理解。二. 设计题目：制作一个简易的电子秒表 功能要求:（1） 具有两位数码显示。分别显示1/10秒和秒计数。（2） 有两个按键分别控制启动（开始计时）/停止和清零。功能表如下：KEY1KEY2 功 能 0 0清零并停止计时 1 0准备开始计时 1 1启动计时 1 0停止计时三、概述：要完成题目要求的电子秒表功能，系统应具有如下几部分电路：1、 定时电路；题目要求最小计时单位为1/10秒，即100ms。这部分电路必须能准确的产生

2、周期为100ms（频率为10Hz）的时钟信号。2、 计时电路：题目要求系统具有两位显示器，分别显示秒和1/10秒信号。所以本系统应具有两个十进制计数器，分别对定时信号进行计数，以产生1/10秒和秒计数。系统计数范围从0.09.9秒。3、 显示译码驱动电路：将计数器的计数结果（BCD码）通过译码器译成七段显示码并驱动LED数码管显示出来。4、 控制电路：根据题目要求，本电子秒表应具有两个按键。其中一个控制秒表的启/停，本按键应有自锁功能，按一次启动计时，再按一次停止计时。另一个按键控制清“0”，本按键不需自锁，按下时系统清“0”；放开时系统回复正常计时功能。系统电路结构框图如图1所示。计数器显示

3、译码器振荡器清“0”启动/停止图1 系统结构框图四、电路设计方案：1、 定时电路：系统的定时电路要求产生周期为100ms的时钟信号。根据我们学过的知识，此电路可由下述几种方案实现：方案1：用555定时器构成多谐振荡器。定时器是电子秒表的核心，其作用是产生一个标准频率的脉冲信号。振荡频率的精度和稳定度决定了秒表的质量。图2采用集成电路555定时器与RC组成的多谐振荡器。输出的脉冲频率为fS=1/(R1+2R2)C1ln2，周期T=0.69（R1+2R2）C1。若参数选择：R1= K 、R2= K欧姆，C1=4.7 uF时，可以得到100毫秒脉冲信号。图2 555多谐振荡器方案2：可以由两个与非门

4、与电阻电容组成基本多谐振荡器，如图3。电路中R1、R2的值应小于与非门的关门电阻ROFF，振荡器的周期取决于RC数值的大小，一般用改变电容C粗调频率，电阻R作细调元件。但这种方案精度不高，故很少采用。 图3 与非门多谐振荡器方案3：采用石英晶体振荡器，如图4。应用它可得到一个稳定性极好、精度较高的时间信号源，但是其振荡频率较高需要多次分频才能得到所需频率。一般电子钟使用振荡频率为32768HZ的石英晶体，经15次二分频后可得到频率为1HZ的脉冲信号。但本设计需要10Hz频率信号采用32768HZ的晶振不好分频，可以采用1MHZ的晶振再进行分频。图4 石英晶体振荡器2、 计时电路：本电路需要两位

5、十进制加法计数器，对定时电路的时钟信号进行计数。可用两片74LS160实现。74LS160是同步十进制加法计数器，其功能表如下：CPRDLDEPET工作方式X0XXX置零上升沿10XX预置数X1101保持X11X0保持上升沿1111计数应用两片74LS160组合级联可构成100进制计数器。其级联方式可分为串行进位方式和并行进位方式两种。串行进位方式接法如图5所示。 图5 串行进位方式连接图 在串行进位方式中，将高位的74LS160的CP与低位的进位端C相接，当低位计数器计满产生进位时就会给高位计数器一个脉冲，使高位计数器加1。 图6 并行进位方式连接图并行进位方式接法如图6所示。它是将高低位计

6、数器的CP接在一起并将低位计数器的进位C与高位计数器的EP接起来。当低位计数器尚未计满时，其进位端C输出低电平使高位计数器处于保持状态（不计数）；当低位计数器计满产生进位时，C输出高电平使高位计数器处于计数状态，定时脉冲一到高位计数器加1。同时低位计数器回零，C输出低电平，高位计数器又处于保持状态直到第二个进位脉冲的到来。3、 显示译码电路显示译码电路根据显示器件的不同可有不同的器件选择，如74LS47（适合于驱动共阳接法的LED数码管）和74LS48（适合于驱动共阴接法的LED数码管），其电路分别如图（）、图（）所示。本实验提供的器件为共阳LED数码管，所以选用74LS47。4控制电路。系统

7、要求具有清“”和启停按键。对于清零功能，根据计数器74LS160的功能表，我们知道，74LS160提供了清零引脚，只要将该引脚置低电平，计数器既实现清零功能。具体接法如图（）。对于启停控制，我们从74LS160的功能表可知，当ET端为低电平，计数器将处于保持状态（停止记数）。当ET端为高电平且其他控制引脚均满足计数条件时，计数器才开始计数。我们可采用图的电路来实现启停控制。当开关按下时，ET=“0”；放起时，ET=“1”。五、应用EWB电子仿真软件进行设计仿真。1 定时电路的仿真调试。在计算机上运行并调出定时器，并接成多谐振荡器。根据公式：，确定电容？。仿真运行达到预定目标，电路产生周期为10

8、0ms 的时钟信号。2.计时及控制电路。按并行进位方式接法，电路工作正常。按串行方式接法，结果出现了当低位计数到“”时，高位立即显示“”的情况。经分析，原来74LS160的进位属于超前进位。当低位计数到“”时，进位端即产生一从“”到“”的跳变。而74LS160的CP输入端是上升沿有效的，此时高位的计数器即从“0000”变为“0001”了，所以出现 了“19”的显示结果。要解决这一问题，只需将进位信号取反，使其后沿变成上升沿就行了。经调试，电路符合设计目标，如图。图11 改进后的串行进位示意图3显示译码电路按设计方案接线，电路逻辑正常。六、实际电路的实现y 使用实验室发给的电路接插版和元器件。根据仿真结果的电路图连接后，经过调试完成制作任务。电路图如下：七、使用的器件和设备（1） 电路接插板2块（2） 74LS160 2块 74LS47 2块 555定时器 1块 共阳数码管 2个电容、电阻、接线若干（3） 调试仪器:数电实验箱、示波器、信号发生器、频率计、万用表等。八、总结。(每人应有自己的体会，下面只是一个示例)在整个课程设计完后，总的感觉是：有收获。以前上课都是上一些最基本的东西，而现在却可以将以前学的东西作出有实际价值的东西。在这个过程中，我的确学得到很多在书本上学不到的东西，如：如何利用现有的元件组装得到设计要求，如何找到错误的原因，如何利用计算机来画图，怎样检测元件