第十章数字系统设计

1、第十章第十章数字系统设计数字系统设计 10.1 数字系统设计概述数字系统设计概述10.2 数字系统设计实例数字系统设计实例一、本章内容一、本章内容1.了解数字系统的基本组成。了解数字系统的基本组成。2. 理解数字系统设计的基本流程。理解数字系统设计的基本流程。3. 学会应用学会应用Multisim 10 对数字系统进行仿真。对数字系统进行仿真。4. 学会应用学会应用VHDL对数字系统进行描述。对数字系统进行描述。二、本章教学目的与要求二、本章教学目的与要求 三、本章知识结构三、本章知识结构10.1 数字系统设计概述数字系统设计概述10.1.1 数字系统的基本结构数字系统的基本结构一般地，将门电

2、路、触发器称为逻辑器件；将完成一般地，将门电路、触发器称为逻辑器件；将完成某种特定功能的逻辑电路称为逻辑功能部件，如前某种特定功能的逻辑电路称为逻辑功能部件，如前面所介绍的数据选择器、译码器、计数器等；面所介绍的数据选择器、译码器、计数器等；将由将由逻辑功能部件组成的完成较复杂逻辑功能的数字电逻辑功能部件组成的完成较复杂逻辑功能的数字电路称为数字系统。路称为数字系统。虽然数字系统的大小不一，功能各异，结构也千差虽然数字系统的大小不一，功能各异，结构也千差万别，但从完成系统功能的角度看，它们都是由许万别，但从完成系统功能的角度看，它们都是由许多能够进行各种逻辑操作的功能部件组成的，各功多能够进行

3、各种逻辑操作的功能部件组成的，各功能部件之间有机配合、相互协调工作，共同实现数能部件之间有机配合、相互协调工作，共同实现数字系统的各项功能。字系统的各项功能。 数字系统的基本结构大致可以分为数字系统的基本结构大致可以分为4个部分：控个部分：控制电路、数据处理电路、输入制电路、数据处理电路、输入/输出电路和时基电输出电路和时基电路，其组成框图如图路，其组成框图如图10.1所示。所示。图图10.1 数字系统组成框图数字系统组成框图 数字系统的核心是数据处理电路和控制电路。数字系统的核心是数据处理电路和控制电路。 数字系统中数据的存储、传送和处理均在数据处理电路进数字系统中数据的存储、传送和处理均在

4、数据处理电路进行，它从控制子系统接电路接收控制信号，并把数据处理行，它从控制子系统接电路接收控制信号，并把数据处理过程中产生的状态信号反馈给控制电路。由于数据处理电过程中产生的状态信号反馈给控制电路。由于数据处理电路主要完成数据处理功能且受控制电路控制，因此常常把路主要完成数据处理功能且受控制电路控制，因此常常把它称为它称为数据处理器或受控电路数据处理器或受控电路。 控制电路是控制系统内部各部分协调工作的电路，它根控制电路是控制系统内部各部分协调工作的电路，它根据外部输入信号和数据处理电路反馈的状态信号，产生对据外部输入信号和数据处理电路反馈的状态信号，产生对数据处理电路的控制信号和系统对外的

5、输出信号，使系统数据处理电路的控制信号和系统对外的输出信号，使系统各部分按照正确的时序进行工作。由于控制电路控制着数各部分按照正确的时序进行工作。由于控制电路控制着数字系统的整个操作进程，因此又被称为控制器。字系统的整个操作进程，因此又被称为控制器。 输入输入/输出电路主要用于系统和外界进行信息交换。数字系输出电路主要用于系统和外界进行信息交换。数字系统通常是一个时序电路，时基电路产生各种时钟信号，保统通常是一个时序电路，时基电路产生各种时钟信号，保证整个系统在时钟作用下协调工作。证整个系统在时钟作用下协调工作。10.1.2 数字系统设计的基本流程数字系统设计的基本流程1.数字系统的传统设计方

6、法数字系统的传统设计方法 数字系统的传统设计方法是手工设计法。手工数字系统的传统设计方法是手工设计法。手工设计法经常采用设计法经常采用自底向上自底向上的设计方法，在设计的设计方法，在设计系统硬件时，从系统的最底层开始，首先用真系统硬件时，从系统的最底层开始，首先用真值表、卡诺图、状态转换表或状态转换图来描值表、卡诺图、状态转换表或状态转换图来描述数字系统的逻辑功能，然后选择具体的逻辑述数字系统的逻辑功能，然后选择具体的逻辑功能部件，用这些逻辑功能部件组成功能模块，功能部件，用这些逻辑功能部件组成功能模块，最后把功能模块连接起来完成系统硬件设计。最后把功能模块连接起来完成系统硬件设计。采用这种设

7、计方法进行底层设计时，由于缺乏采用这种设计方法进行底层设计时，由于缺乏对整个数字系统总体性能的把握，在整个系统对整个数字系统总体性能的把握，在整个系统设计完成后，如果发现部分性能需要改进，修设计完成后，如果发现部分性能需要改进，修改起来比较困难，因而设计周期长。改起来比较困难，因而设计周期长。2. 数字系统的现代设计方法数字系统的现代设计方法 由于数字电子技术的飞速发展，数字系统设计的由于数字电子技术的飞速发展，数字系统设计的复杂程度也相应提高，利用传统的手工设计法已复杂程度也相应提高，利用传统的手工设计法已经不能满足现代数字系统设计的要求。目前有许经不能满足现代数字系统设计的要求。目前有许多

8、种设计方法适合现代大规模数字系统设计，经多种设计方法适合现代大规模数字系统设计，经常采用的是常采用的是自顶向下自顶向下的设计方法。的设计方法。 自顶向下的设计方法，概括地讲就是从整体到局自顶向下的设计方法，概括地讲就是从整体到局部、最后到细节的设计方法，即设计者先从数字部、最后到细节的设计方法，即设计者先从数字系统的整体功能要求出发，进行最顶层的系统设系统的整体功能要求出发，进行最顶层的系统设计，然后将整个系统分成若干子系统，再将每个计，然后将整个系统分成若干子系统，再将每个子系统分为若干功能模块，功能模块还可继续向子系统分为若干功能模块，功能模块还可继续向下划分成子功能模块，直至分成许多可以

9、由最基下划分成子功能模块，直至分成许多可以由最基本的逻辑功能部件实现小功能模块。这就像建造本的逻辑功能部件实现小功能模块。这就像建造一座大楼，先要进行整体设计，再绘制详细的结一座大楼，先要进行整体设计，再绘制详细的结构图，最后用建筑材料建造起来。构图，最后用建筑材料建造起来。3. 数字系统设计的基本流程数字系统设计的基本流程图图10.2 数字系统设计的基本流程图数字系统设计的基本流程图在开始对一个数字系统进行设计在开始对一个数字系统进行设计之前，首先应对该数字系统进行之前，首先应对该数字系统进行充分的调研，深入了解该数字系充分的调研，深入了解该数字系统的功能、性能指标、工作环境统的功能、性能指

10、标、工作环境等，明确系统的输入信号有哪些，等，明确系统的输入信号有哪些，输出信号有哪些，对输入信号和输出信号有哪些，对输入信号和输出信号有什么特殊的要求等等，输出信号有什么特殊的要求等等，只有在明确设计要求的基础上，只有在明确设计要求的基础上，才能进行系统设计。才能进行系统设计。对于一个具体数字系统的设计可能对于一个具体数字系统的设计可能有多种不同的实现方案，方案的优有多种不同的实现方案，方案的优劣直接关系到整个数字系统的质量，劣直接关系到整个数字系统的质量，因此，要从系统的实现原理、性能、因此，要从系统的实现原理、性能、成本、可靠性等方面对不同方案进成本、可靠性等方面对不同方案进行论证，最终

11、确定系统的总体设计行论证，最终确定系统的总体设计方案。方案。系统总体设计方案确定以后，可系统总体设计方案确定以后，可以根据所要设计的数字系统的特以根据所要设计的数字系统的特点，将整个系统划分为若干个子点，将整个系统划分为若干个子系统，一般可以分为控制子系统系统，一般可以分为控制子系统和数据处理子系统。每个子系统和数据处理子系统。每个子系统还可以划分为不同的功能模块，还可以划分为不同的功能模块，以实现不同的逻辑功能。以实现不同的逻辑功能。把功能模块所描述的逻辑功能进行逻把功能模块所描述的逻辑功能进行逻辑设计，详细地给出实现该逻辑功能辑设计，详细地给出实现该逻辑功能的硬件描述和软件描述。例如，在设

12、的硬件描述和软件描述。例如，在设计译码显示功能模块时，要对采用何计译码显示功能模块时，要对采用何种显示器件、采用何种显示方法等进种显示器件、采用何种显示方法等进行详细说明。行详细说明。物理设计也称为电路设计，是用具物理设计也称为电路设计，是用具体的电路结构来实现功能模块的逻体的电路结构来实现功能模块的逻辑功能。辑功能。10.2 数字系统设计实例数字系统设计实例10.2.1 计数报警器设计计数报警器设计1. 设计任务设计任务 设计一个计数报警器，对输入的脉冲信号设计一个计数报警器，对输入的脉冲信号进行计数，当计数达到最大值时，报警器进行计数，当计数达到最大值时，报警器给出给出10秒钟的声光报警。

13、该计数报警器的秒钟的声光报警。该计数报警器的计数脉冲用按键产生，最大计数值为计数脉冲用按键产生，最大计数值为60，声报警用蜂鸣器产生，光报警用红色声报警用蜂鸣器产生，光报警用红色LED产生，并要设计一个复位键，当报警信号产生，并要设计一个复位键，当报警信号产生后，可以将电路复位，以重新开始计产生后，可以将电路复位，以重新开始计数。数。2. 任务分析任务分析 根据设计任务可知，计数报警器的计数脉冲用按根据设计任务可知，计数报警器的计数脉冲用按键产生，需要设计一个键产生，需要设计一个按键脉冲电路按键脉冲电路；计数报警；计数报警器能对输入脉冲计数，最大计数值为器能对输入脉冲计数，最大计数值为60，因

14、此需，因此需要设计一个要设计一个60进制的加法计数器进制的加法计数器；当计数达到最；当计数达到最大值时进行大值时进行10秒钟的声光报警，需要设计一个定秒钟的声光报警，需要设计一个定时电路，时电路，用来产生用来产生10秒钟的定时，并驱动蜂鸣器秒钟的定时，并驱动蜂鸣器和和LED，进行声光报警，进行声光报警；为了能够对计数值进行；为了能够对计数值进行显示，需要设计一个显示，需要设计一个显示译码电路显示译码电路。复位键可以。复位键可以控制整个电路的工作情况，用按键产生。由以上控制整个电路的工作情况，用按键产生。由以上分析可知，分析可知，整个计数报警器电路可以由控制模块、整个计数报警器电路可以由控制模块

15、、脉冲产生模块、计数模块、译码显示模块、定时脉冲产生模块、计数模块、译码显示模块、定时模块和报警模块等组成。模块和报警模块等组成。3. 模块电路设计模块电路设计（1）脉冲产生电路可以用按键产生，当按键按下或）脉冲产生电路可以用按键产生，当按键按下或松开时，会产生抖动，使输出信号不稳定，因此松开时，会产生抖动，使输出信号不稳定，因此需要设计一个稳定电路，使按键按下后可以产生需要设计一个稳定电路，使按键按下后可以产生一个稳定的脉冲信号。设计电路如图一个稳定的脉冲信号。设计电路如图10.3所示。所示。图中在按键后面增加了一个由与非门构成基本图中在按键后面增加了一个由与非门构成基本RS触发器，可以起到

16、消抖的效果，当按键触发器，可以起到消抖的效果，当按键J1按下去按下去后，在输出后，在输出Q端产生一个正脉冲。端产生一个正脉冲。 （2）计数模块可以采用）计数模块可以采用多种方案实现，这里采多种方案实现，这里采用两片用两片74LS160来实现来实现60进制的计数器，设计进制的计数器，设计的电路如图的电路如图10.4所示。所示。图中上方的图中上方的74LS160为为个位，下方的个位，下方的74LS160为十位，当计数达到为十位，当计数达到60时，由与非门时，由与非门74LS00译出进位信号，以便其译出进位信号，以便其它电路使用。它电路使用。 （3）译码显示电路可以采用七段数码管显示加译码器实现，由

17、于七段数码管由共阳极和共阴极两种，所以对应的显示译码器也应分为两种，一种驱动共阳极的数码管，一种驱动共阴极的数码管。本设计采用共阳极数码管，因此显示译码器采用74LS47。74LS47的输入端接对应计数器74LS160的输出端，74LS47的输出端接数码管的输入端，并将74LS47的控制端接高电平，数码管的共阳极接电源，即可以实现对计数值的显示。（4）定时电路采用）定时电路采用555构成的单稳态触发器构成，构成的单稳态触发器构成，只要电路参数设置合适，就会产生只要电路参数设置合适，就会产生10秒钟的定时。秒钟的定时。并利用定时输出驱动数码管和蜂鸣器，就可以实并利用定时输出驱动数码管和蜂鸣器，就

18、可以实现现10秒钟的报警，其电路连接如图秒钟的报警，其电路连接如图10.5所示。所示。图图10.5 定时报警电路设计定时报警电路设计（5）控制电路设计是整个电路设计的核心，它控制）控制电路设计是整个电路设计的核心，它控制着整个电路的工作状态。当电路通电开始工作之着整个电路的工作状态。当电路通电开始工作之前，需要按下控制键，即产生一个控制信号，使前，需要按下控制键，即产生一个控制信号，使电路开始工作，这时计数器开始对输入的脉冲进电路开始工作，这时计数器开始对输入的脉冲进行计数，当计数达到行计数，当计数达到60时，计数器产生进位输出时，计数器产生进位输出信号，并触发定时电路，使电路产生信号，并触发

19、定时电路，使电路产生10秒钟的声秒钟的声光报警信号。在报警信号起作用的光报警信号。在报警信号起作用的10秒钟内，计秒钟内，计数脉冲和控制信号将不起作用，即电路不能再对数脉冲和控制信号将不起作用，即电路不能再对输入脉冲进行计数，控制信号也不能使电路复位。输入脉冲进行计数，控制信号也不能使电路复位。当报警信号消失后，按下控制信号，将电路复位，当报警信号消失后，按下控制信号，将电路复位，可以重新对输出脉冲计数。可以重新对输出脉冲计数。 为了实现上述控制功能，使用了带有预置数功能为了实现上述控制功能，使用了带有预置数功能的的JK触发器触发器74LS112，刚接通电源时，刚接通电源时，74LS112的的

20、输出为低电平，使计数电路不能计数，当电路复输出为低电平，使计数电路不能计数，当电路复位后，使位后，使74LS112输出为高电平，电路开始计数，输出为高电平，电路开始计数，因此将控制按键的输出接在因此将控制按键的输出接在JK触发器的预置数输触发器的预置数输入端，将入端，将JK触发器输出端接在计数器的控制端触发器输出端接在计数器的控制端ENP上。同时将上。同时将JK触发器的触发器的J、K端连接在一起，端连接在一起，并接高电平，使触发器的输出处于翻转状态，并并接高电平，使触发器的输出处于翻转状态，并将将555定时器的报警输出经过一个反相器后接入定时器的报警输出经过一个反相器后接入74LS112的时钟

21、输入端，当报警信号消失后，时的时钟输入端，当报警信号消失后，时钟信号有效，使钟信号有效，使JK触发器输出发生翻转，即触发触发器输出发生翻转，即触发器输出低电平，使计数电路不能计数。为了实现器输出低电平，使计数电路不能计数。为了实现报警信号产生的报警信号产生的10秒内计数器不能计数，可以将秒内计数器不能计数，可以将555定时器的报警输出经过一个反相器接入计数器定时器的报警输出经过一个反相器接入计数器的控制端，使计数器清零，不能计数。的控制端，使计数器清零，不能计数。本章小结本章小结 本章主要介绍了数字系统设计的基本概念和数字本章主要介绍了数字系统设计的基本概念和数字系统设计的基本流程，并通过计数报警器设计、系统设计的基本流程，并通过计数报警器设计、交通灯控制器设计和函数发生器设计介绍了数字交通灯控制器设计和函数发生器设计介绍了数字系统的设计过程。系统的设计过程。 数字系统的基本结构主要包括控制电路、数据处数字系统的基本结构主要包括控制电路、数据处理电路、输入理电路、输入/输出电路和时基电路。控制电路和输出电路和时基电路。控制电路和数据处理电路是数字系统的核心，控制电路的任数据处理电路是数字系统的核心，控制电路的任务是协调系