数字电子技术综合实训指导书

1数字电子技术综合实训指导书2目录第一节课程设计的目的及要求----------------------------------3第二节数字电子电路的设计方法--------------------------------4第三节数字电路的安装、调试方法-------------------------------9第四节数字电路设计内容及原理简介-----------------------------14第五节设计说明书的要求---------------------------------------193第一节综合实训的目的及要求一、目的主要目的，是提高学生在数字集成电路应用方面的实践技能，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力，树立严谨的科学作风，。学生通过电路设计、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计思想与方法，训练组织电路开发工作的基本技能，学会编写设计文件，逐步了解开展科学实践的程序。二、基本要求通过课程设计各环节的实践，同学们应达到如下要求：1．掌握数字电路分析和设计的基本方法；2．掌握数字电路的安装、调试以及故障分析的专业技能；3．具备查阅资料，应用资料分析和解决问题的能力。三、课程设计的任务：1．完成一规定电路的安装与调试2．完成一任选电路的设计、安装和调试四、课程设计完成的内容：1．数字电路设计书2．符合设计功能的电路4第二节数字电子电路的设计方法数字电路系统一般由输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等部分组成。输入电路主要作用是将被信号加工变换成数字信号、其形式包括各输入接口电路。比如用正弦波振荡器产生信号，要经过放大器对微弱信号进行放大与整形后，才能得到数字信号，有些模拟信号要经过模数转换电路转换成数字信号后再进行处理。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质及接口条件，以满足设计要求。控制电路的功能是将信息进行加工处理，并为系统各部分提供所需的各种控制。如数电书中所举的彩灯显示控制器，其定时器为一控制电路，正是在它的作用下，计数脉冲才按一定的霎时间周期，一组一组地送给地址计数顺，形成时间控制。在数字频率计中，从JK触发器两个反相输出端输出的信号也是控制信号，它即了被测信号送至计数器的时间，同时又控制眲锁存器在计数完毕后对数据进行锁存。在具有整电报时功能的时钟电路中，报时控制电路实现了计数到51、53、55、57、59秒时的五声和整点时的一声报时功能。产生这种信号输出的电路即为控制电路。数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等都是电路，它们是整个系统的核心。设计控制电路是数系统设计的最重要的内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑关系与时序关系。输出电路是系统最后逻辑功能的重要部分。数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路，其功能可能是发送一组经系统处理后的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟信号等。比如数字频率计的显示译码与数码管电路，彩灯控制器的并行移位寄存器级驱动电路等，都属于系统的输出电路。设计输出电路时，必须注意电路与负载在电平、信号极性、拖动能力等方面要相配的问题。时钟电路是数字电路各级组织训的灵魂，它属于一种控制电路，整个系统都在它的控制下按一定的规律工作。时钟电路包括主时钟振荡电路及经分频后形成各种时钟脉冲的电路。设计时钟电路时，应根据系统的要求首先确定主时钟的频率，再由它与其他控制信号结合产生系统所需要的各种时钟脉冲。电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供所直流电平。在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须是在一定范围内。COMS电路对电源电压的要求相对比较宽松。设计电源时，必须注意电源的负载能力，电压和稳定度及纹波系数等。5因为任何复杂的数字电路系统都由不同层次、相对独立、具有特定功能的子系统(单元电路)组成，为此在设计时，先将系统分解成若干个单元电路。然后中，对单元电路的功能及性能，以及单元电路之间的逻辑关系、时序关系进行分析，选用合适的单元数字电路来实现各子系统。最后，将各子系统组合起来，便完成了整个完整系统的设计。按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体的设计方法便可实现数字电路的系统设计。下面我们提出设计数字电路的一般方法与步骤。一、总体方案设计在进行数字电路设计时，首先要对设计任务进行认真的分析，明确任务，了解设计电路的性能指标。根据给定的技术指标、条件，以及功能要求，设计出组成电路的若干单元功能模块，这个过程称总体方案设计。这里的单元功能模块是指能实现特定功能的最小单元电路(或称为子系统)。在总体方案设计过程中，还要确定各单元电路之间的逻辑关系和时序关系，分析单元电路之间信号的流向。用原理方框图表示出总体设计的结果。因为设计途径不是唯一的，满足要求的方案也不是唯一的，所以为得到一个满意的设计方案往往要针对要求，进行大量的市场调研、查阅资料、手册等工作，通过设计——验证——再设计多次反复过程，才能确定出最好的设计方案。图1数字时钟的结构方框图总体设计方案用系统方框图表示时，主要部分和难点可画详细一些，一般部分只需要反映设计思想、基本原理以及信号的流向就可以了。系统方框图应力求简洁、清晰。具有整电报时、校正功能的数字时钟的结构方框图如图1所示。二、单元电路的设计单元电路的设计是整个电路设计的实质部分。将每一部分按照总体框图的要求设计好，才能保证整体电路的质量。单元电路的设计步骤分为以下三步。第一步：根据总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指标。注意各单振荡器分频器计数器显示电路音响电路报时控制门校时控制电路6元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量避免使用电平转换电路。第二步：选择设计单元电路的结构形式。通常选择学过的熟悉的电路，或者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路的结构形式最佳。在选择电路时充分考虑经下几个问题：1．电路的功能满足要求。2．电路的结构简单、成本低3．电路的性能稳定、通用性强。第三步：计算单元电路的主要参数，从而确定元器件的类型。比如：振荡电路，无论正弦波振荡电路还时多谐振荡电路都是通过电容的充放电实现振荡的，为此要根据特定的信号频率，计算出电路中电阻、电容的大小。第四步：画出单元电路电路图。三、元器件的选择：1．数字电路设计时器件的选择原则数字电路设计时器件的选择是很重要的，因为器件的选择是否合理直接影响着电路的稳定性，以及成本和成品体积大小等问题。选择器件的原则是：在实现题目要求的前提下所选的器件最小，成本最低。最好采用同一种类型的集成电路，这样不用考虑不同类型器件之间的连接匹配问题。不同种类的器件其电特性也不一样，常用的器件是TTL和CMOS型。TTL电路的速度高，超高速TTL电路的平均传输时间约为10ns，中速TTL电路的传输时间也有50ns。CMOS电路的速度慢于TTL电路，但是CMOS电路的功耗低，输出电压幅度可调范围大，抗干扰能力强。如果要求一定的输出电流，TTL电路要强于CMOS电路。一般情况下，当要求高速时，多选用TTL器件；当要求低功耗时多选用CMOS器件。2．标准数字IC的分类及特点数字集成电路分为两大类，第一类是双极性型TTL，一条是沿着74—74LS—74ALS系列向低功耗高速发展，另一条是沿着74H—74S—74AS向高速度发展。第二类属于单极型CMOS，沿4000A—4000B/4500B—74HC系列向高速度发展，同时又保持了低功耗的优点。（1）、TTL型这类集成电路是以双极型晶体管为元件，输入级采用多发射极晶体管形式，开关放大电路也由晶体管构成。在速度和功耗方面，都处于现代数字集成电路的中等水平。一般以74民用或54军用为型号前缀。774LS系列：是现代TTL类型中的主要应用产品，也是逻辑IC重点产品之一，它的品种丰富，价格低廉，是主流产品。74S系列：特点是速度快，但功耗比74LS系列大得多，品种比74LS系列少。74ALS系列：特点是速度快，功耗比74LS系列低，品种比74LS系列少，价格较高。（2）CMOS类型这类集成电路是以场效应三极管为元件构成的。其特点如下：①静态功耗很低，一般中规模集成电路的静态功耗小于100μW；②电源电压范围宽，一般工作电压在3V~18V之间；③输入阻抗非常高，可达100MΩ以上；④扇出能力强，低频工作时，可驱动50以上相同器件输入端；⑤抗干扰容限大，电压噪声容限可达电源电压的45%；⑥大部分CMOS集成电路的速度比较低。3．使用TTL、CMOS集成电路的注意事项（1）使用TTL电路的注意事项①TTL集成电路的标准电源电压为5V，使用时电源电压不能超过于4.25~5.25V。不能将电源与地颠倒错接，否则将会因为电流过大导致器件过热而损坏。②电路的各输入端不能直接接到高于5.5V或低于4..5V的低内阻电源相连，，因为低内阻电源能提供较大的电流，从而导致器件过热而损坏。③除三态门和集电极开路的电路外，输出端不准许并联使用。④输出端不准许与电流源和地短接，但可以通过上拉电阻与电源相连，以提高输出电平。⑤在电源接通时，不要移动或插入集成电路，电流的冲击可能造成芯片的损坏。⑥多余的输入端最好不要悬空，容易受干扰。有时会造成误操作，因此多余的输入端要根据需要处理。例如与门、与非门的多余输入端可接到正电源，也可以交多余端和使用端并联使用。不用的或门、或非门的输入端可以直接接地或与使用端并联使用。触发器不使用的输入端也不能悬空，应根据逻辑功能接入电平，输入端连线应尽量短，这样可以缩短时序电路中时钟信号沿传输线传输的延迟时间。一般不准许触发器的输出端直接驱动指示灯、电感负载和长线传输，需要时加缓冲器。（2）使用CMOS集成电路时的注意事项CMOS电路由于输入电阻很高，因此极易接受静电电荷。为了防止静电击穿，生产时输入8端都加了标准保护电路。但这并不能保证绝对安全，因此使用时必须注意：①存放CMOS集成电路时要屏蔽。②CMOS电路的电源电压范围是3~18V，使用时电源电压的不能超过极限值。③捍接电路时，一般用20W内热式电烙铁，而且电烙铁应该有良好的接地线。禁止在电路通电时焊接。④为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏，输入电压必须在UDDUSS与之间.⑤在调试电路时，应先接通电源，后加入输入信号，即在CMOS电路本身没有接能电源的情况下，不准许有信号输入。⑥多余输入端绝对不能悬空，否则不但容易接受外界噪声干扰，而且破坏了正常的逻辑关系，也消耗了功率。因此多余的输入端要根据需要处理。例如，与门和与非门的多余输入端应接到高电平或正电源，如果电路的工作速度不高，不需要特别考虑功率时，也可以将多余的输入端和使用端并联使用。⑦CMOS电路的输出端与电源和地不能短路，否则会造成损坏。⑧CMOS电路的工作电流比较小，其输出端一般只能驱动一级晶体管，如果需要驱动比较重的负载时，最简单的方法是在输出端并联接入几个反相器，所用有反相器必须在同一芯片上。⑨插拨电路板电源插头时，应注意先切断电源，防止在插拨过程中烧毁CMOS电路的输入端保护二极管。四、画总电路图单元电路和参数设计计算好，元器件选择完毕后，则画出总体电路图。总体电路图是电路实验、调试及生产组装的重要依据，所以电路图画好之后要进行审图，检查设计过程遗漏的问题，及时发现错误，进行修改，保证电路的正确性绘电路图要注意以下几个问题：1．画电路图时应注意信号的流向，通常是从信号源或输入端画起，从左至右从上至下按信号的流向依次画出各单元电路。电路图的大小位置要适中，不要把电路画成窄长型。2．连线要画成水平线或竖直线。连线要尽量短、少拐弯，电源一般用标值的方法，地线可用地线符号代替。三、四端互相连接的交叉处用线应该用圆点画出，否则表示跨越。3．对于复杂的电路，应先画出草画，待调整好布局和连线后，再画出正式电路图。9第三节数字电路的安装、调试方法由于生产实际的复杂性和电子元器件参数的离散性，加上设计者经验不足，一个仅从理论上设计出来的电路往往是不成熟的，可能存在许多问题，而这些问题不通过实验是不容易查出来