第15章数字系统分析

1、第第15章章 数字系统分析数字系统分析 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.1 数字系统的组成数字系统的组成 15.2 多路数据采集系统多路数据采集系统 15.3 可编程时钟控制电路可编程时钟控制电路 15.4 可编程彩灯控制电路可编程彩灯控制电路 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.1 数字系统的组成数字系统的组成 数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、存 储电路、运算电路、输出电路等基本部分。 1.输入电路输入电路 输入电路的主要功能是进行a/d转换、电平变换、 串行-并行变换等，使外部信号源与数字系统内部电路 在负载能力、驱动能力、电平、数据形式等方面相适 配。同时

2、，还提供数据锁存、缓冲，以解决外部电路 和数字系统内部在数据传输速度上的差别。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 2.输出电路输出电路 除了作d/a变换外，输出电路的其它功能与输入电 路类似。而信号的传输方向是从内到外。 3.控制电路控制电路 控制电路是系统的核心，它根据输入信号及运算 电路的运算结果，先后发出各种指挥系统各部分电路 工作的命令，使整个系统有条不紊地工作。 4.运算电路运算电路 在控制电路指挥下，运算电路进行各种算术及逻 辑运算，将运算结果送控制电路或者直接输出。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 5.存储电路存储电路 输入数字系统的各种信息，以及运算电路在运算 中

3、的各种中间结果，都要由存储电路存储。在数字系 统工作过程中，存储电路的内容不停地变化。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.2 多路数据采集系统多路数据采集系统 在生产及科学实验中，如果要对某个对象进行监 测和管理，就需要不断地对对象的状态进行检测。把 被监测对象的有关物理量，例如电压、电流、温度等， 转换成计算机或其它数字设备能处理的数字量，这个 过程叫作数据采集。 如果被监测和管理的有多个对象，就是多路数据 采集。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.2.1 查询式数据采集系统查询式数据采集系统 这种系统的框图如图15.1所示。图中假定被采集的 对象有8路。 采集数据时

4、，被采集的模拟量有电模拟量，也有 非电模拟量。非电模拟量要经传感器变成电模拟量。 如果被采集对象本身就是数字量，就不用a/d转换。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 a / d 转换 模拟信号 数 据 锁 存 器 in out s oe 8 a / d 转换 模拟信号 数 据 锁 存 器 in out s oe 8 a / d 转换 模拟信号 数 据 锁 存 器 in out s oe 8 状 态 寄 存 器 地 址 译 码 器 s0 s1 s7 y7 y0 y1 计 算 机 888 读 s i 命令 si 读入 a0 a1 a2 数 据 总 线 图15.1 查询式数据采集系统框图 第第

5、15章章 数字系统分析数字系统分析 每路的a/d转换电路转换后的数字信号被数据锁存 器锁存。同时该锁存器向状态寄存器输出状态信号s来 表示数据是否准备好。如果s=1，表示数据准备好，若 s=0就表示数据尚未准备好。 每路数据锁存器的数据能否输出，还受来自地址译 码器选通信号oe的控制，当某个锁存器的oe输入端是 高电平时，该锁存器输出端打开，向系统的数据总线输 送数据；当oe是低电平时，该锁存器输出端处于高阻状 态，与数据总线断开。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 图15.1所举的例子，被采集的对象有8路，状态寄存器 有八位，从s0到s7，分别对应于第0路至第7路的数据 准备状态。 当

6、计算机需要读取某路数据时，它就向状态寄存器查 询该路的数据准备状态。要读取第i路数据时，就从状态 寄存器中读进si。若读进的si=1，它就经地址总线输出对 应于第i路的三位地址码a2a1a0，经地址译码器译码后， 只有第i路数据锁存器的oe端输入高电平，使第i路的数据 送上了数据总线，被计算机读取。其它各路锁存器的 oe=0，数据输出端处于高阻状态。 各路数据的位数，因系统的不同而不同。图15.1所举 的例子是八位。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.2.2中断式数据采集系统中断式数据采集系统 中断式数据采集系统的原理框图如图15.2所示，仍 以8路八位为例。在这种系统里，当某一路

7、的数据已在数 据锁存器中准备好，该路锁存器就从int输出端向系统 的中断优先权排队电路输出申请,要求向计算机输送数据, 这个过程叫中断申请。由于各路的轻重缓急不同，所以 设有中断优先权排队电路。中断优先权排队电路收到中 断申请信号后，经过比较，确定在提出申请的各路锁存 器中,哪一路的优先级别最高。在经它自己的int输出端 向计算机提出中断申请时，同时把优先级别 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 最高的那一路锁存器的地址也输送给计算机。计算机 在接到申请后，认为自己目前的工作可以被暂时中断 （这是“中断”一词的由来），就暂停目前的工作， 转而去接收数据，将优先权排队电路送来的优先级别 最高

8、的那一路锁存器地址，经地址总线送至地址译码 器，选通对应锁存器，将其锁存的数据送上数据总线, 被计算机读取。这里，控制锁存器能否输出数据的控 制端子,仍用符号oe表示。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 a / d 转换 模拟信号 数 据 锁 存 器 in out int oe 8 a / d 转换 模拟信号 数 据 锁 存 器 in out int oe 8 a / d 转换 模拟信号 数 据 锁 存 器 in out int oe 8 中 断 优 先 权 排 队 电 路 地 址 译 码 器 int int int y7 y0 y1 计 算 机 888 a0 a1 a2 数 据 总 线

9、 int a0 a1 a2 图15.2 中断式数据采集系统电路框图 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 此外，还有直接数据采集方式。这种方式适用于 在对某路数据进行采集时,该路数据总是准备好的情况。 计算机只要输出对应于该路的地址码，经地址译码器 选通该路的数据锁存器，即可将该路数据读入计算机。 控制电路当然比查询式和中断式简单。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.3 可编程时钟控制电路可编程时钟控制电路 数字钟除用作计时外，还可用来定时，例如定时 启闭电路，在工程及家用电器中用得越来越多。 15.3.1 原理方框图原理方框图 数字钟的原理框图如图15.3所示。由于石英晶体稳

10、定度高，故计时电路中的振荡器都是晶体振荡器。 秒信号发生器由若干级分频器组成，对石英晶体 振荡器输出的频率较高的信号，经过若干次分频，秒 计数器输入端便得到1hz的时钟脉冲。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 十时计数器 译码器 时计数器 译码器 十分计数器 译码器 分计数器 译码器 十秒计数器 译码器 秒计数器 译码器 秒信号发生器 晶体振荡器 校分信号 校秒信号 校时信号 秒计数器 分计数器 时计数器 清 零 信 号 计 停 信 号 图15.3 数字钟原理方框图 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 秒、分计数器中，秒个位和分个位是十进制计数、 译码、显示电路；秒十位和分十位是六进

11、制计数、译 码、显示电路。 对时钟周期取12小时的计时系统来说，小时计数 器的个位用十进制计数、译码、显示电路。由于小时 的十位只取“0”或“1”，故只用一级触发器即可记录 小时十位的状态。再用这个记录直接控制小时十位的 显示器件，使10点钟以后下一时钟周期1点钟以前，小 时十位显示“1”，其它情况下显示“0”。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 当计时到12点59分59秒后，下一个秒计时脉冲来 到时，时钟显示的不是13点钟，而是1点钟。此时，由 于分、秒计数器已全部是0，所以，只要将小时个位计 数器置1，小时十位计数器清零就成。这可以有各种实 现方案。例如,若小时个位用集成计数器t21

12、4组成的十 进制计数器，小时十位用一级t触发器记录“1”（10点 以后）和“0”（10点以前）。小时计数器的电路如图 15.4所示。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 qaqbqcqd t p c1 abcdldcr 1 分 十 位 计 数 器 进 位 1 1 s c1 t q & & t214 图15.4 一种用t214和触发器组成的小时计数器电路 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 每当小时个位计数器计到10（1010）就自动清零， 并将小时十位触发器置1。当计数到12点时，t触发器 的q=1和t214的qb经与非门使t214的 =0。当计数到1 点时，分十位计数器的进位脉冲使小

13、时个位计数器置成 1，同时小时十位计数器被触发成零，整个数字钟计的 是1点。小时计数器使用的电路不同，实现显示1点而不 显示13点的方法也不一样，不作赘述。 ld 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 秒脉冲是经若干次分频后才得到的1hz脉冲。在最 后一级分频器的前一级或前若干级分频器的输出端， 脉冲频率是秒脉冲频率的若干倍。因此，校秒时可将 秒个位计数器时钟脉冲输入端切换到这些分频器的输 出端，使秒计数器快速计数，直到计到正确值，再将 秒计数脉冲输入端切换回去。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 校分、校时的时候可将这两级个位计数器计数脉 冲输入端切换到秒脉冲发生器输出端，分计数器或

14、小 时计数器将以每秒一次的计数速度向前计数，到了正 确值，立即将其计数脉冲输入端切换回原来位置。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.3.2 定时定时 在普通数字钟内增加适当电路,就可以作成可定时 的数字钟。下面说明一种定时钟的电路设计方法。 1只设定终到时间的可定时数字钟只设定终到时间的可定时数字钟 在这种数字钟内，有一套结构上与数字钟的时、 分、秒计数电路一一对应的可预置数寄存器。例如可 预置数寄存器中与秒个位计数器对应的那一部分电路 也是四个对外输出端子，与秒个位计数器的四个输出 端一一对应。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 上述两部分对应电路中每两个对应端子接入同一

15、个异或门的输入端，共19个异或门（时计数5位，分、 秒各7位），各异或门的输出端又接入或门输入端（一 个或门没有这么多输入端，可多个或门组合）。只有 时钟的各级计数值与可预置数寄存器所设定的值完全 相同时，或门才输出低电平，其它情况下或门都维持 高电平。如果定时只定到分,就只用12个异或门了。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 对可预置数寄存器预置一个时间值后，上述或门输 出的负脉冲即可作为定时时间到的信号去启动过程的开 始或者关闭过程。 有一种学校等集体机关使用的自动电铃，内部有一 个ram存储器和若干个比较器。只要把应该打铃的时 间一一顺序输入存储器，存储器就记录了下来。数字钟 工作

16、时，比较器每时每刻都把数字钟的实际计时时间与 存储器存储的时间进行比较，一到两者相同，就发出启 动电铃的脉冲。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 2设定延时时间的数字钟设定延时时间的数字钟 若数字钟内除可预置数寄存器外，还有运算器，那 么它就除了可以像上述只设定终到时间的可定时数字钟 一样工作外，还可以工作在设定延时时间的方式下。两 种工作方式可以用拨动开关切换。 在设定延时时间的工作方式下，设定值是指从当前 时间开始再经过多长时间定时时间到。延时时间一经设 定，运算器就把这个时间值与时钟当前的实际时间值相 比较，计算出实际终到时间。再把这个时间重新输入可 预置数寄存器。以后的过程就与前

17、述的设定终到时间的 定时过程一样了。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 15.4 可编程彩灯控制电路可编程彩灯控制电路 五彩缤纷的彩灯，把环境装点得更加丰富多彩。 从公共场所到私人住宅，彩灯的使用愈来愈广泛。在 这一节，我们对彩灯控制电路作一简单介绍。 15.4.1基本原理基本原理 下面以实例来说明彩灯系统的基本工作过程。 设某彩灯系统显示的内容是依次出现的“欢迎光 临”、“祝你健康”、“万事如意”和“心想事成”4 组每组4个字的文字。设显示器件由4组88灯泡矩阵 组成(也可用发光二极管、荧光管等其它发光器件组成)。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 对“万事如意”字组的“万”字，

18、其显示矩阵如 图15.5所示。若灯泡发光用“1”表示，不发光用“0”表 示，那么，当“万事如意”字组显示时，对应于“万” 字每行的8个灯泡的字节数据依次为00000000， 11111111，00100000，等所有4个字组16个字的显示 控制字节数据都可以根据字形得到。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 图15.5 “万”字字形矩阵 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 为每个88灯泡矩阵配备一个容量为32字节的存储器， 并按组按字依次输入每个字的显示数据。对第一个存储器， 依次输入的是“欢、祝、万、心”4字的显示字节数据。 32个字节，用五位地址码（a0a4）寻址。每个地址选 中一

19、个字节。4个存储器同时有对应于同一字组4个字的相 同位置的字节被选中。 系统中有一个五位地址加法器。地址加法器在时钟脉冲 作用下计数时，经地址译码器译码，每个88矩阵的32个 字节被依次先后选中。虽然每个字的8个字节不是同时显示 的，但输入地址加法计数器的时钟脉冲频率较高，由于视 觉暂留作用，人的感觉是同一个字的8个字节同时显示。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 每一组4个字显示时，所显示的内容应延续一段时间 后，再显示下一组字。因此，系统中还有一个八进制计 数器，其计数脉冲与地址加法器的时钟脉冲同步。每计 到8个时钟脉冲，一组字开始完全显示时，就切断地址加 法器的时钟脉冲输入，并启动系统中定时电路开始计时。 由于地址加法器停止计数，灯泡矩阵显示的内容就不动。 若定时电路设定的定时时间是5秒。那么，5秒钟后，定 时电路发出定时时间到信号脉冲，接通地址加法器的计 数脉冲输入，地址加法器重新作八进制计数，显示下一 组字。 第第15章章 数字系统分析数字系统分析 1