数字电子技术课程设计报告多路数据巡回串行传输

1、数字电子技术课程设计报告一、 设计目的：熟悉集成电路的引脚安排.掌握各芯片的逻辑功能及使用方法.了解面包板结构及其接线方法.了解多路数据巡回串行传输电路的组成及工作原理.熟悉多路数据巡回串行传输电路的设计与仿真以及调试.二、设计总体思路、基本工作原理：如今，随着各项生活指标的上升，住房条件也明显改善了,房产商出售的住房不仅舒适性、方便性提高，住房的面积也在扩大，而且楼层也在增多，一幢商品楼的楼层也高出以前许多倍，因此传输线路在楼层呼叫系统中也起着不可替代的作用，所以提高传输线路的可靠信也成了一个十分重要的课题，类似这样的远距离传输线路的应用也就更加广泛，要求抗干扰能力以及传输能力更强。由于在长

2、距离数据传输中，往往采用串行数据工作方式。即数据在一根传输线上串行巡回传输。我本次设计是采用4位数码实时采集，在100米以上距离单向半工串行传输。首先用移位寄存器对4位数码进行采集，然后一对一巡回串行传输、锁存。我采用数字显示器指示数码串行传输过程，其中传输波特率为1bit/s。我的总体思路是首先通过脉冲发生器发送信号，以及用统一的cp脉冲控制各个单元电路。元器件采用中、小规模ttl、coms集成数字电路器件设计。设计要求实现的功能：1 可以实现100米以上长距离串行巡回传输数据。2 数据可以自行并行置入（多路数据实时采集），通过数码管依次显示。3 可以通过74ls123来控制传输数位。4 各

3、个模块通过cp脉冲统一运作 设计中使用4块74ls194芯片分别接到数据选择器74ls151，再通过数据分配器进入3块芯片构成的存储器，然后必须把数据送入数码管显示。将74ls151与74ls138连接起来实现了输入输出的结合，cp脉冲计数器实现控制单稳电路从而控制门电路的开关与闭合，达到对数据传输与否的控制。地址译码器74ls138控制数据分配器、数据选择器以及存储器，使他们同步。设计中有一些实际问题如使用单稳电路来控制传输，cp脉冲计数器、地址计数器、单稳态电路的初始清零设置，单稳态电路的延时设置，以及同步脉冲发送电路的电阻、电容设置。另外在长距离传输中要解决信号衰减的问题，信号畸变的问题

4、，以及要抵抗电磁干扰和传输线不匹配的问题。总体设计框图见附图三、 单元电路设计（各单元电路图）1、 脉冲发生电路脉冲发生器发送脉冲控制整个电路，是他们同步。其原理如下：电阻和电容构成一个积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。用555定时器构成多谐振荡器就是这个思路。于是，我设计先用555定时器构成 一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器下图。不过，我们这个施密特触发器稍微复杂一些，除了“二六一搭”以外，又增加了一个电阻。与555定时器内部的放电管构成了一个反相器。逻辑上，这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此，这个施密特触发器有两

5、个输出端，分别为555定时器的3号脚和7号脚。我们看到，电阻和电容构成了积分电路，施密特触发器的一个输出端（7号脚）接积分电路的输入端,积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样，一个多谐振荡器就成了。我认为设计中可用两个输出端的施密特触发器，因为施密特触发器的另外一个输出端（3号脚）专门作为多谐振荡器的输出，所以可以最大限度地保证多谐振荡器的带负载能力。把他通过与门（7408）电路产生脉冲信号串入多路数锯采集器。2、 多路数据采集器多路数据采集器实际上是由并入/串出的双向移位寄存器构成的（这里采用右移功能），可以进行多路数据实时采集，本设计设计成4路数据采集它通过接受cp脉冲发生器发出的数

6、据，把数据并行输入，但串行的传给数据选择器. 移位寄存器是指寄存器中所存的数码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。74 ls194是一个4位双向移位寄存器，最高时钟脉冲为36mhz，其逻辑符号及引脚排列如图所示：74 ls194逻辑符号及引脚排列其中：d0d3为并行输入端；q0q3为并行输出端（本设计中取q0为串行数据输出端）；sr-右移串引输入端；sl-左移串引输入端；s1、s0-操作模式控制端； -为直接无条件清零端；cp-为时钟脉冲输入端。74ls194模式控制及状态输出如下表所示：通过把移位器的s0端口（s1置成高电平）接入数据译码器的输出端，让数据选择器、数据译码器、和移位器地址相

7、同，并且控制移位器是右移还是保持。附图2 为多路数据采集器的组成框图3、数据选择器电路以及数据分配器电路构成数据传输电路当接收到移位器传送来的多路数据时，数据选择器可以根据38译码器的地址来选择一路数据接收，其原理记述如下：74ls151是一种典型的集成电路数据选择器，它有3个地址输入端cba，可选择d0d7 个数据源，具有两个互补输出端，同相输出端和反相输出端。其逻辑图和引脚图分别如下所示：功能表为：输入输出使能选择d0d1d2d3d4d5d6d7由逻辑图可知，该逻辑电路的基本结构为“与一或一非”形式。输入使能为低电平有效。输出的表达式为: 式中mi为cba的最小项。所以选择任意路数据的时候

8、是唯一地址的，也就保正了数据同步传输，而且串行传输。从数据选择器到数据分配器的传输过程中，为保证电流大小和电阻匹配以及数据长距离不损耗采用两级复合管进行传输。数据分配器是将一个数据源来的数据根据需要送到多个不同的通道上去，实现数据分配功能的逻辑电路成为数据分配器。他可以用唯一地址译码器实现。本设计用3-8译码器把一一个数据信号分配到8个不同的通道上去。但是两者结合起来使用的时候。应将地址端分别串接起来，才能保证两着同步。4、存储器电路它也由四片74ls194双向移位器构成，接受来自数据分配器传送来的数据，本设计人采用右移方式，其中s0接地电平，通过地址译码器接受数据分配器的地址决定右移还是保持

9、。5、单稳态电路555定时器的结构和工作原理555外部有8个引脚，各引脚的名称如图所示，电路内部c1、c2为比较器，g1、g2与非门组成基本的rs触发器，经反相放大器g3输出为q，集电极开路的三极管t由q非控制其导通或截止。 555定时器的电路有3个5千欧电阻构成分压器，当控制电压输入端vc悬空时，比较器c1的同相输入端的参考电压为u1+=2/3vcc,比较器c2的反相输入端的参考电压为u2-=1/3vcc，对与c1、c2比较器其输入和输出关系为：当u+u-时，输出uc为高电平（1态）。当u+ u-时，输出uc为低电平（0态）。对与g1、g2构成的基本rs触发器若直接复位端r非=1，则当uc1

10、=0，uc2=1时，q非=1，q=0。当uc1=1,uc2=0时，q非=0，q=1。当uc1=1,uc2=1时，q非和q维持原状态。根据上述原理，555定时器可归纳出如表所示的四种逻辑功能。555定时器功能表输 入比较器输出输 出直接复位r非复位控制th置位控制tr非uc1uc2q放电管t00导通12/3vcc11/3 vcc1010导通12/3vcc01/3vcc0101截止12/3vcc01/3vcc111不变不变（1）.直接复位功能：当直接复位输入端r非=0，不管其他输入状态如何，输出q=0，q非=1，放电管t导通，当直接复位端不使用时，应使r非=1，这时可行使下列功能：（2） 复位功能

11、：当复位控制输入th2/3vcc时，置位控制输入tr非1/3 vcc时，使uc1=0，uc2=1，则，q非=1，q=0，放电管t导通。（3） 置位功能：当th2/3vcc时，tr非1/3 vcc时，使uc1=1,uc2=0，则q非=0，q=1，放电管t截止。（4） 维持功能：当th2/3vcc时，tr非1/3 vcc时，使c1=1,uc2=1，则q非和q状态维持不变，t状态也不变。如果把th（6号引脚）输入端电压在2/3vcc使，作为1态，在2/3vcc时，作为0态；而把tr非（2号引脚）输入端电压在1/3 vcc作为1态，1/3 vcc时做为0态，扎样就可以根据555定时器的输入和输出关系列

12、出如上功能表中的黑体字所示规律，这样将对输出与输入状态关系和波形带来极大方便。6、 地址译码器译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器。译码器可分为通用译码器和显示译码器两大类。（1）我们在本设计中选用的通用译码器为ct74ls138 3线-8线译码器。其结构图如下：下表为74ls138功能表输 入输 出数字a3a2a1a0abcdefg字型000001111110

13、0100010110000120010110110123001111110013401000110011450101101101156011000111116701111110000781000111111189100111100119当s11，2s3s0时，器件使能，地址码所指定的输出端有信号（为0）输出，其它所有输出端均无信号（全为1）输出。当s10，2s3s x时，或 s1x，2s3s1时，译码器被禁止。其74ls138译码器逻辑功能测试 ：将译码器使能端s1、2s、3s及地址端a2、a1、a0 分别接至逻辑电平开关输出口，八个输出端y0y7依次连接在逻辑电平显示器的八个输入口上，拨动逻

14、辑电平开关，按上表逐项测试74ls138的逻辑功能。本设计中通过地址译码器控制了数据选择器、存储器、数据采集器以及数据分配器同步，通过地址来控制数据的传输。7、 地址计数器计数器是典型的时序逻辑电路，它用来累计和记忆输入脉冲的个数。计数得数字系统中非常重要的基本操作，所以也是应用最广泛的逻辑部件之一。集成计数器是中规模集成电路。如果按各触发器翻转的次序分类，计数器可分为同步计数器和异步计数器两种。在同步计数器电路中，所有触发器都以输入计数脉冲为时钟脉冲，应翻转的触发器同时翻转。在异步计数器电路中，有的触发器以计数脉冲作为时钟脉冲，有的则以其它触发器的输出作为时钟脉冲，故而状态更新有先后，称为异

15、步。如果按讲数器的进位规律分类，可分为二进制计数器、十进制计数器和n进制计数器。本电路设计中，我们选用十进制计数器。十进制的计数器有多种，有74ls160,74ls192等，在这里我们用74ls192。它有四个输入，四个输出，分别为a b c d ,qa qb qc qd,有一个进位端co,一个借位端bo,置数段load,清零端clr,脉冲断up和down，电源vcc和接地gnd。74ls192计数器的连接方法：首先vcc端接+5v电源，gnd断接地，四个输入a b c d接地（或不接），四个输出qa qb qc qd接译码器的输入。load端接高电平。 tls192功能表输入输出crld反c

16、pucpdd0d1d2d3q0 q1 q2 q31 0 0 0 00 0 d0 d1 d2 d3d0 d1 d2 d30 1 1 加 计 数0 1 1 减 计 数0 1 1 保 持0 1 1 保 持74192引脚图：地址计数器本设计接成8进制计数器，他是由10进制计数器通过置数法改装而成的，控制数据选择器和数据分配器的地址端从而实现一次只传四位数。8、 cp脉冲计数器他是把10进制改装成4进制而成的，他可以隔4个时钟脉冲就发送一个进位脉冲给单稳态电路，以达到一次只传四为数据。四、设计总电路图（附图5）五、电路的安装与调试调试前的直观检查电路安装完毕后，通常不要急于通电，要先认真检查一下。包括：

17、1、连线是否正确 检查电路连线是否正确，包括错线（连线一端正确，另一端错误）、少线（安装时完全漏掉的线）和多线（连线的两端在电路图上都是不存在的）。检查的方法通常有两种：(1)按照电路图检查安装的电路这种方法的特点是，根据电路图连线，按一定顺序逐一检查安装好的线路，由此，可比较查出错线和少线。(2)照实际线路来对照原理电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件（包括器件）引角的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不仅能够查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆*（乘）1”档，或用数字式万用表

18、“欧姆档”的蜂鸣器来测量，而且直接测量元、器件引角，这样可以同时发现接触不良的地方。2、元器件安装情况检查元器件管脚的之间有无短路；芯片管脚有无损坏，连接处有无接触不良；二极管、三极管、集成件和电解电容极性等是否连接有误。3、电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确。4、电源端对地是否存在短路。在通电前，断开一根电源线，用万用表检查电源对地是否存在短路。若电路经过上述方法检查，并确认无误后，就调试方法调试包括测试和调整两个方面。所谓电子电路的调试，是以达到电路设计指标为目的而进行的一系列的测量调试再测量的反复进行的过程。为了使调试顺利进行，设计的电路图上应当标明各点的电位值，相应的波形图以及其

19、它的主要数据。测试方法通常采用先分调后联调。我们知道，任何复杂电路都是有一些基本单元电路组成的，因此，调试时可以循着信号的流程，逐级调整各单元电路，使其参数基本符合设计要求。这种调试方法的核心是，把组成电路的各功能块（或基本单元电路）先调试好，并在此基础上逐级扩大调试范围，最后完成整机调试。采用先分调后联调的优点是，能及时发现问题和解决问题。新年设计的电路一般采用此方法。对于包括模拟电路、数字电路和微机系统的电子装置更应采用这种方法进行调试。因为只有把三部分分开调试后，分别达到设计指标，并经过信号及电平转换电路后才能实现整机联调。否则，由于各电路要求的输入、输出电压和波形不匹配，盲目进行联调，

20、就可能造成大量的器件损坏。除了上诉方法外，对于已定型的产品和需要相互配合才能运行的产品也可以采用一次性调试。按照上述调试电路原则，具体调试步骤如下：电路观察把经过准确测量的电源接如电路。观察有无异常现象，包括有无冒烟，是否有异常气味，手摸元、器件是否发烫，电源是否有短路现象等。如果出现异常，应立即切断电源，待排除故障后才能再通电，然后测量各路总电源电压和各器件的引角的电源电压，以保障元、器件正常工作。通过通电观察，认为电路初步工作正常，就可转如正常调试。在这里，需要指出的是，一般实验室中使用的稳压电源是一台仪器，它不仅有一个“+”端，一个“”端，还有一个“地”接在机壳上，当电源与实验板连接时，

21、为了能形成一个完整的屏障系统，实验板“地”一般与电源的“地”连起来，而实验板上用的电压可能是正电压，也可能是负电压，还可能正、负电压都有，所以电源是“正”端接“地”还是“负”端接“地”，使用时应先考虑清楚。如果要求电路浮地，则电源的“+”与“”都不与机壳相连。另外，应注意一般电压在开与关的瞬间，往往会出现瞬态电压上冲的现象，集成电路又最怕过电压的冲击，所以一定要养成先开启电源，后接电路的习惯，在实验中途也不要随便将电源关掉。六、总结与体会设计过程中遇到的问题及其解决方法. 在实验过程中,数码管有几段二极管时隐时现,有时会消失.用5v电源对数码管进行检测,一端接地,另一端接触每一段二极管,发现二

22、极管能正常显示的,再用万用表欧姆档检测每一根线是否接触良好,在检测过程中发现有几根线有时能接通,有时不能接通,把接触不好的线重新接过后发现能正常显示了.其次是由于芯片接触不良 的问题,用万用表欧姆档检测有几个引脚本该相通的地方却未通,而检测的导线状况良好,其解决方法为把芯片拔出,根据面包板孔的的状况重新调 整其引脚,使其正对于孔,再用力均匀地将芯片插入面包板中,此后发现能正常显示。 在 设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的,例如仿真的连接示意图中,往往没有接高电平的16脚或14脚以及接低电 平的7脚或8脚,因此在实际的电路连接中往往容易遗漏.再实验中，基

23、于是短距离传输复合管可以用导线和一级非门代替。在仿真中，没有74ls121芯片，而实际中却有，这也是后来改正了的地方。关于实验中一些用到的参数的计算：1 首先，两个计数器均要清零。根据公式vr= v（）+v（0+）v（）e-，可以取t=0.01s,c=10uf,vr=3v, v（）=5v, v（0+）=0v,算出r=1k.2 然后,74ls123需要清零和延时,取tw=0.7s,根据0.7rc=tw,算出r=100k.在设计电路的连接图中出错的主要原因都是接线和芯片的接触不良以及接线的错误所引起的.心得在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如单稳电路的设

24、计等。设计过程中需要反复实践，其过程相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做,整个电路到完成重装拆了2-3遍，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃。但是最后根据各个模块突破的原则，以及向老师、同学请教，到最后问题得到了解决 。我开始一看到老师给的课题，根本不知从那里下手。芯片虽说经常见到，也使用，但实际对我来说几乎是一无所知。但通过老师的耐心指导，到课程设计结束以后我懂得的了许多芯片的的结构，各引脚的功能和使用方法。比如74ls194、74ls138、74ls123、74ls192等。总结这次课程设计，虽然开始仿真正确了，连线好以后结果有时还是出不来预计的结果，这更让我懂得了实际和理论的差别。 此次的多路数据巡回串行传输电路设计重在于仿真和接线,虽然能把电路图接出来,并能正常显示,但对于电路本身的更深原理