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1、项目7 数字频率计的设计制作,模块7.1 数字电路系统设计制作方法 模块7.2 项目的实施,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,7.1.1 数字电路系统设计与制作的一般方法 设计一个数字电路系统时，首先必须明确系统的设计任务，根据任务进行总体方案选择。在确定总体方案后，根据方案对各部分电路的要求，合理地进行单元电路的设计、参数计算以及器件选择，最后将各部分连接在一起，做成完整的数字电路系统。数字逻辑电路系统多使用中、大规模集成电路，不仅可以减少元器件的数目，而且能提高电路的可靠性、降低成本;在确实需要时，才选用小规模集成电路和分立元器件。因此，在设计过程中应选择合适的集成电路，用最简单
2、的连接方式完成设计。,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、输出电路、时钟电路、脉冲产生电路和电源等，如图7一1所示。 输入电路主要作用是接收被测或被控系统的有关信息，将被控信号进行必要的变换处理，使之变成数字信号。在设计输入电路时，必须首先了解输入信号的性质、接口的条件，以设计合适的输入接口电路。 输入电路的形式包括各种输入接口电路。比如对微弱信号进行放大、整形的输入电路，通过输入电路得到数字电路可以处理的数字信号。有些模拟信号则通过模数转换电路转换成数字信号再进行处理。 控制电路的功能是将接收到的信息按一定的模式进行逻辑判断和数字运算，
3、并为系统各部分提供所需的各种控制，它是整个电路的中枢环节。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,数字电路系统中，各种逻辑运算、判别电路等，都是控制电路。设计控制电路是数字系统设计的最重要内容，必须充分注意不同信号之间的逻辑性与时序性。 数字电路系统中存在各种各样的输出接口电路，输出电路是完成系统最后逻辑功能的重要部分。其功能可能是发送一组经系统处理的数据，或显示一组数字，或将数字信号进行转换，变成模拟输出信号，输出电路的这些数据或信号用来驱动被测或被控系统。设计输出电 路，必须注意与负载在电平、信号极性、拖动能力等方面进行匹配。 时钟电路属于一种控制电路，是数字电路系统
4、中的灵魂，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。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,设计时钟电路，应根据系统的要求先确定主时钟的频率，并注意与其他控制信号结合产生系统所需的各种时钟脉冲。 电源为整个系统工作提供所需的能源，为各端口提供所需的直流电平。在数字电路系统中，TTL电路对电源电压要求比较严格，电压值必须在一定范围内。CMOS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、电压的稳定度及波纹系数等。 任何复杂的数字电路系统都可以逐步划分成不同层次、相对独立的子系统。总体方案设计的
5、基本方法在于:首先根据总的功能要求把复杂的逻辑电路系统分解成若干个独立的单元，通过对各单元的逻辑关系、时序等的分析，最后可以选用合适的数字电路器件来实现。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,将各单元系统组合起来，便完成了整个大系统的设计。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进行系统设计，就可以避免盲目的拼凑，完成设计任务。为减少各单元之间由于连接而产生错误的机会，划分单元的数目一般不宜太多，但是每 个单元又不能太大、太复杂，以免出现故障时难以查找。 要设计出一个比较理想的符合任务要求的数字电路系统，必须对数字电路器件，尤其是中、大规模集成
6、电路器件有比较多的了解，熟悉器件的种类、功能和特点，并且要经常训练、反复实践才能熟练。学会查阅数字电路器件手册，了解不同器件之间的区别。充分明了各器件输入端、控制端对信号的要求，以及输出端输出信号的特点，这些对设计者来说是十分重要的。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,数字电路系统设计的一般方法与步骤总结如下。 1)明确系统的设计任务要求 对系统的设计任务进行具体分析，充分了解设计要求，明确被设计系统的全部功能、要求及技术指标，熟悉被处理信号与被控制对象的各种参数与特点。 2)确定总体设计方案 这一步的工作要求把系统要完成的任务分解成若干个单元电路，并画出一个能表示各
7、单元功能的整机原理框图。原理框图必须正确反映不同矩形框单元间各种信号的逻辑关系与时序关系。框图应能简洁、清晰地表示设计方案的原理。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,3)单元电路的设计 单元电路是整机的一部分，只有把各单元电路设计好才能提高整体设计水平。 每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。然后选择合适的数字器件，用电子CAD软件绘出各逻辑单元的逻辑电路图，标注各单元电路输入输出信号的波形。电路的排列一般按信号流向由左至右排列;重要的线路放在图的上方，次要线路放在图的下方，主电路放在图的中央位置;当信号通路分开画时，在分
8、开的两端必须作出标记，并指出断开处的引出与引入点。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,单元电路设计好后，利用仿真软件对电路进行仿真测试，以确定电路是否准确无误。当电路中采用TTL, CMOS、运算放大器、分立元器件等多种元器件时，如果采用不同的电源供电，则要注意不同电路之间电平的正确转换，并绘制出电平转换电路。 4)分析电路 可能设计的单元电路不存在任何问题，但组合起来后系统却不能正常工作，因此，必须充分分析各单元电路，尤其是对控制信号要从逻辑关系、正反极性、时序几个方面进行深入考虑，确保不存在冲突。在深入分析的基础上通过对原设计电路的不断修改，获得最佳设计方案。,上
9、一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,5)完成整体设计 在各单元电路完成的基础上，用电子CAD软件将各单元电路连接起来，画出符合软件要求的整机逻辑电路图。 画整机电路图时，一般从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号的流向依次画出各单元电路，而反馈通路的信号流向则与此相反。 6)逻辑仿真 整体电路设计完成后，再次在仿真软件上对整个试验系统进行逻辑仿真，验证设计。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,7. 1. 2数字电路系统的安装与调试 数字试验系统整体电路设计完成后，还必须通过试验板的安装与调试，纠正设计中因考虑不周出现的错误或不足。检测出实
10、际系统正常运行的各项技术指标、参数、工作状态、输出驱动情况、动作情况与逻辑功能。因此，系统装调工作是验证理论设计，进一步修正设计方案的重要实践过程。 1.数字电路系统的安装 1)制作PCB 数字电路系统设计好后，可以在面包板或万能板上进行插装验证，但是使用面包板或万能板容易引起干扰，工作可靠性低。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,但如果整体电路是利用电子CAD软件按其要求绘制的，则可以利用该软件绘制PCB图，制作出印制电路板。采用PCB制作数字电路系统可以保证试验系统工作可靠，减少不必要的差错，能大大节省电路试验时间。 2)检测元器件 在将元器件安装到PCB上之前，
11、对所选用的元器件必须先进行测试，以保证元器件的良好性，这样可以减少因元器件原因造成的电路故障。 3)安装元器件 将各种元器件安装到PCB上是一件不太困难的工作。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,安装时，集成电路最好通过插座与电路板连接，以便于不小心损坏元器件后进行更换。插接集成电路时首先应认清方向，不要倒插，注意管脚不要弯曲。数字电路的布线一般比较紧密、焊点较小，在焊接过程中注意不要出现挂锡或虚焊。 2.数字电路系统的电路调试 数字电路系统按照设计的电路参数进行安装，往往难以达到预期的效果。这是因为在设计时，不可能周密地考虑各种复杂的客观因素(如元器件值的误差、元器
12、件参数的分散性、分布参数的影响等)，必须通过调试，发现纠正设计方案的不足和安装的不合理，达到性能指标的要求。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,电路的调试可分两步来进行，一是单元电路的调试，二是总调。只有通过调试使单元电路达到预定要求，总调才能顺利进行。 在调试前先要进行电路连线的检查，检查元器件引脚之间有无短路、集成电路和电解电容极性有无连错、电源对地是否短路等。若电路经上述检查无误后可转入调试阶段。 单元电路调试时比较理想的调试程序是按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的总调创造条件。调试时先进行静态调试再进行动态调试。,上
13、一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,静态调试是在没有外加信号的条件下测试各输入、输出电平及逻辑关系等，确定IC的电源、地、控制端的静态电平等直流工作状态是否正常。 动态调试是在静态调试的基础上进行的，可以利用前级的输出信号作为后级的输入信号，也可用自身的信号检查功能块的各种指标是否满足设计要求。对于数字系统来说，由于集成度比较高，一般调试工作量不大，只要元器件选择合适，直流工作状态正常，逻辑关系就不会有太大问题，一般是测试电平的转换和工作速度。 如果电路装配工艺比较好，也可以在动态测量发现问题后再进行静态测量。进行静、动态测量时应尽量保证测试条件与电路的实际工作状态相吻合
14、。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,在单元电路调试的过程中，由于是逐步打一大调试范围，故实际上已经完成了某些局部的调试工作。下面只要做好各单元电路之间接口电路的调试工作，再把全部电路接通，就可以实现整机总调。 整机总调只需观察动态结果，与设计指标逐一比较，找出问题，然后进一步修改电路参数，直到完全符合设计要求为止。 3.数字电路系统故障分析的特点 数字电路系统在调试中，故障的出现往往是不可避免的，切不可一遇故障解决不了就拆掉线路重新安装，应当认真查找故障原因。分析故障、处理故障可以提高分析问题和解决问题的能力。分析和处理故障的过程，就是从故障现象出发，通过反复测试，
15、做出分析判断，逐步找出问题的过程。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,在寻找故障时，可以按信号的流程对电路进行逐级测量，或由前往后，或由后向前;也可以根据电路的特点从关键部位入手进行;或根据通电连接后系统的工作状态直接从电路的某一部分着手进行。 数字电路的故障寻找和排除相对比较简单，除三态电路外，其余数字电路的输入和输出只有高电平和低电平两种状态，不允许出现不高不低的电平。如对于使用+5 V电源的TTL电路来说，高电平要大于2. 8 V，低电平要低于0. 5 V才能满足要求。 在电路中，当某个元器件静态电平正常而动态电平有问题时，往往会认为是这个元器件本身有问题而要去
16、更换它，但有时并不是这个元器件的问题。例如，一个计数器加入单脉冲信号时，测量输出电平完全正确，加入连续脉冲时输出波形出现问题(如输出波形呈现台阶式)。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,遇到这种情况，不要急于更换元器件，需要检查计数器本身的负载能力及为它提供输入信号的信号源的负载能力，将计数器的输出负载断开，检查它的工作是否正常，若工作正常，说明计数器负载能力有问题，可以更换它。如果断开负载电路仍有问题，要检查提供给计数器的输入信号波形是否符合要求，或把输入信号通过施密特电路整形后再加到计数器输入端，检查输出波形，这种方法检查完成若仍存在问题，则必须更换计数器。 查找故障首先要有合适的信号源和示波器，示波器的频带一般应大于10 MHz，而且应该用双踪示波器同时观察输入和输出的波形、相位关系。把输出的结果和预期的状态相比较，通过分析、试验(调整)循环往复进行，就可以发现与排除故障，达到预定的设计口标。,上一页,下一页,返回,模块7.1 数字电路系统设计制作方法,如果信号是非周期性的，应该借助逻辑分析仪和其他辅助设备观察各处的状态。 在对电路进行检测、试验或调整的
