数字电路综合设计案例

数字电路综合设计案例十字路口交通治理器一、要求设计一个十字路口交通治理器，该治理器自动掌握十字路口两组红、黄、绿三色交通灯，指挥各种车辆和行人安全通过。二、技术指标1、交通治理器应能有效操纵路口两组红、黄、绿灯，使两条穿插道路上的车辆交替通行，每次通行时间按需要和实际状况设定。2、在某条道路上有老人、孩子或者残疾人需要横穿大路时，他们可以举旗示意，执勤人员按动路口设置的开关，交通治理器承受信号，在路口的通行方向发生转换时，响应上述恳求信号，让人们横穿大路，这条道上的车辆制止通行，即治理这条道路的红灯亮。3、横穿大路的恳求完毕后，治理器使道口交通恢复交替通行的正常状态。三、设计原理和过程：本课题承受自上而下的方法进展设计。确定交通治理器规律功能⑴、十字路口每条道路各有一组红、黄、绿灯，用以指挥车辆和行人有序地通行。其中红灯亮表示该条道路制止通行；黄灯亮表示停车；绿灯亮表示通行。因此，十字路口车辆运行情况有以下几种可能：①甲道通行，乙道制止通行；②甲道停车线以外的车辆制止通行〔必需停车内的车辆安全通过；③甲道制止通行，乙道通行；④甲道仍旧不通行，乙道停车线以外的车辆必需停车，停车线以内的车辆顺当通行。⑵、每条道路的通车时间〔也可看作制止通行时间〕为30秒~2分钟，可视需要和实际状况5秒~10，且也可调整。⑶、响应老人、孩子或残疾人特别恳求信号时，必需在一次通行—制止状况完毕后，阻挡要求横穿的那条大路上车辆的通行。换句话说，使另一条道路增加假设干通行时间。S1S2分别为恳求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应S1S2的时间必定在甲道通乙道制止或甲道制止乙道通两种状况完毕时，且不必过黄灯的转换。这种规定是为了简化设计。8-1所示，它的简洁规律流程图如图8-2所示。示意图中甲道的红、黄、绿灯分别用R、Y、G表示，而乙道的红、黄、绿灯分别用r、y、g表示。简洁规律流程图中设定通行〔制止〕6010秒。确定系统方案及规律划分由确定的规律功能，进而来具体地争论实施方案。交通治理器与其他数字系统一样，划分成掌握器和受控电路两局部，掌握器送出对受控局部的掌握信号，它承受来自外S1S2以及受控局部的反响信号，打算自身状态转换方向以及输出信号。⑴设定S1=1时为有人要横穿甲道，又设定S2=1时为有S1=0，S2=0，则表示没有穿越大路的特别恳求。S1S2信号均用纽子开关产生。简便起见，我们把灯的代号和驱动灯的信号合而为一，因此有如下规定：R=1 甲道红灯亮Y=1 甲道黄灯亮G=1 甲道绿灯亮r=1 乙道红灯亮y=1 乙道黄灯亮g=1 同时又作以下规定：①甲道通行、乙道制止的一段时间内，即G=1，r=1的时间内〔假设调定为60秒，用符号W=0表示，否则W=1。②乙道通行、甲道制止的一段时间内，即g=1，R=1的时间内〔假设也调定为60秒，用符号P=0表示，否则P=1。③在黄灯亮的时间内〔假设调定为10秒，用L=0表示，否则L=。在上述各种状况时，假设无特别恳求横穿大路，那么，甲、乙道交替通行60秒钟，转换时10秒钟的停车或预备时间。当交通掌握处于甲制止乙通行的状态时，它只响应S1信号，由于假设S2=1时，只需本状态完毕，经过10秒钟就转入甲通乙不通状态，行人可以穿越乙道，这样做的目的是为了简化设计。在甲通乙不通的状态时，治理器能响应S1信号，掌握器受到S1信号后，状态转换为甲制止、乙通行状态；假设S1=0，而掌握器收到S2=1信号，则维持甲道通行、乙道制止状态，让行人通过乙道。为使交通治理器依据规定的通行和停车时间有效地工作，故设置秒脉冲信号发生器，它作为整个电路的时钟信号和定时电路的参考间。秒脉冲发生器的构成请参阅“数字钟”的有关内容。设计者亦可安装一个模拟性的简洁的秒信号发生器。治理器设置60秒通行时间和10秒停车时间的定时电路。定时电路承受掌握器送来C1〔甲道制止乙道通行〕和C2〔甲道通行乙道制止〕信号，驱动60秒定时电路工作，它承受C3信号，驱动10秒定时电路运行，定时电路的参考时间就是秒脉冲。申明一点：定时电路的定时时间可由设计者调整。定时电路的输出信号是W、P、LWP60秒定时完毕时馈送给掌握器的信号，而L是10秒定时完毕时定时电路送到掌握器的反响信号。掌握器依据这些信号的状况，发生相应的状态变换。掌握器的状态经译码器译出交通信号灯的掌握信号，驱动甲、乙道相应灯点亮。现在就可以画出交通治理器的构造组成图如图8-3用图8-4示出。掌握器的输出已在流程图各工作块的外侧标明。受控电路的硬件设计由于受控电路的组成已经明确，现在的问题是如何选择具体的器件来实现。在此作简明介绍。秒脉冲是交通治理器的时间基准，秒脉冲发生器可以参照数字闹钟课题内的标准时间源。由于本课题对秒信号稳定度、精度的要求并不高，因此建议用一般的环形震荡器组成，电路如图8-5所示。其中规律门选用74LS00约为T=2.2RC(R+Re)<700Ω〔TTL门电路关门电阻〕的RC值组成。⑵6010秒定时电路定时电路有多种形式，设计者可以任选。这里介绍一种用MSI74LS161同步计数器构成定时电路的方法。由于电路配置秒脉冲信号发生器，假设把秒信号作为计数器的CP输入，那么计数器连接成60进制时就可作为60N计数器就是N秒定时电路，这对于敏捷调整道路通行时间是相当便利的。以下争论用74LS161构成N进制计数器的方法。74LS161具有同步预置掌握端LD，因此可以承受反响预置法实现N进制计数器。实现的方法为：首先LD=0，数据输入端A=B=C=D=0，CP来到将计数器置0〔即QDQQQA=0000，并以此作为初态；然后使D=1CP1时，经与非门反响给预置掌握端LDLD=0，再次预置数据0，从而完成一个0到〔N-1〕的循环，实现了N进制计数器的功能。图8-6〔a〕示出14计数器的外部连接图。一片74LS161的最大计数模数为16，大于模16时必需用假设干片连接。但是在连接成同步计数链时，应留意用计数器掌握端P、T传递溢出进位信号，使各片计数器快速、正确地工作。图8-6(b)74LS161M=60计数器的连接图，由于N=〔60〕10=〔111100〕2，故反响预置端 ，其中Q 、Q 和Q 是低位片的三个触发器的输出，QA1 B1 D1 A2和Q 是高位片的两个低位的输出。低位片的T·P固定接1，满足计数条件。而高位片要计数，B2只有等待低位片输出为全1Q掌握高位片的TPQ=1C C时，高位片在输入下一个计数脉冲时承受进位，加1计数，否则为保持状态。再则，74LS161也有异步清零功能，故可使用清零掌握端Cr，承受反响复位法使它成为任意进制计数器。图8-7(a)是用用反响复位法构成的模10计数器，由于〔10〕=〔1010〕，由10 2Cr是异步清零端，一旦Q

=1QB

=1时，马上使计数器复〔0000，故1010〕2

这个状态不能持续，计数器状态由0000、0001··1001、0000，实现十进制计数。图8-7〔b〕是反响60进制计数器，工作原理请读者自行分析。6010秒定时电路。这里选择反响预置8-8所示。我们要留意几点：①选通信号C1、C2和C3来自掌握器，它们反映在何时翻开哪一个定时电路的CP掌握门。②假设确定两通道通行时间均为60秒，则可用同肯定时电路实现。但考虑到两道通行时间的敏捷调整，即每道通行时间可在30秒~2间不一样等等，故可分别用n1n2秒定时电路来产生PW应答信号，以供掌握器判别、决策，如图8-9所示。③黄灯亮的定时电路是公用的，设定时时间为n3秒，其输出信号L同样送至掌握器。R、Y、G、r、y、g所驱动。至此，我们可画出交通治理器受控局部硬件实施简图如图8-9所示。掌握器设计MDS图8-4所示的交通治理器具体规律流程图动身，画出相应的MDS8-10中状态A为甲道制止乙道通行状态〔甲R乙，状态B为甲道制止乙道停车状态〔甲R乙状态C为甲道通行乙道制止状态〔甲G乙r,状态D为甲道停车乙道制止状态〔甲Y乙r。本课题承受D触发器作为掌握器记忆元件，四个状态用两个D触发器，状态安排如下：状A—00B—01C—11D—108-11所示。⑶、填写鼓励图依据状态安排的状况，填写两个D触发器鼓励函数降维卡诺图如图8-12所示。其中状态变Q2为高位，Q1为低位。由鼓励函数卡诺图求得鼓励函数为：经化简可得乙道通行、甲道制止时〔P=0〕的定时电路选通信号甲道通行、乙道制止时〔W=0〕的定时电路选通信号停车时间〔L=0〕定时电路的选通信号掌握器驱动甲道红、黄、绿灯的信号掌握器驱动乙道红、黄、绿灯的信号SSI、MSI、LSI器件来实现。四、争论试用MSI组合器件数据选择器和译码器实现交通治理器掌握器，画出相应的掌握器规律电路图。试用集成单稳电路SN74121或SN74123组成交通治理器道路通行、制止、停车定时电路。在此状况下，受控局部硬件实施图和掌握器规律电路图。假设甲、乙道穿插路口的交通治理按以下规章进展：2分钟；20秒钟；1分钟；10秒钟；10秒钟后允许行人穿越；⑹交通治理人员有权随时终止甲、乙道交替通行的状况，而使某道连续通行，以解决某道交通堵塞现象或者应付临时需要，如警车、消防车、抢救车等特别车辆的紧急或较长时间的通行。试设计并实现上述要求的十字路口交通治理器。能否设计一个三、五条道路、以至六条穿插路口的交通治理器。试选用MSI时序器件74LS161、74LS194等，设计交通治理器的掌握器。ASMMDS图设计方法相比较。多路可编程掌握器设计与制作一、问题的引入：在实际应用中，常常需要一种能同时掌握多组开关按肯定的方式闭合与断开的装置，比如显示图样不断变化的各种霓虹灯或彩灯的电源掌握系统。本节设计与制作的多路可编程控制器就具有这种功能。二、设计目的：通过这一课程设计，读者可以在如下方面得到熬炼。〔1〕根本了解设计数字系统的一般方法。〔2〕进一步生疏常用数字器件的使用方法。〔3〕根本把握通过规律分析查找数字电路故障的方法。〔4〕EPROMEPROM三、设计要求：设计并制作出一种用于掌握霓虹灯的掌握器，它具有如下功能：〔1〕可以掌握每段霓虹灯的点亮或熄灭。〔2〕68〔3〕每间隔一段时间，霓虹灯的图样变化一次。〔4〕图样变化的间隔时间可以调整。四、所需仪器设备与器件EPROMEPROM擦除器。五、设计内容、方法与步骤：设计内容霓虹灯受控显示的根本原理n段水平排列的霓虹灯，某种显示方式为从左到右每间隔0.210n0nn11000000n数据送完以后，掌握器停顿送数，保存这种状态〔定时〕0.2秒，此时，第1段霓虹灯被点亮，其余霓虹灯熄灭。随后，掌握器又在极短的时间内将数据1100000掌握端，并定时0.2秒，这段时间，前两段霓虹灯被点亮。由于送数过程很快，我们观测到的效果是第一段霓虹灯被点亮0.220.2帧图样。如此下去，最终掌握器将数据1111111nn虹灯被全部点亮。只要转变送至每段霓虹灯的数据，即可转变霓虹灯的显示方式，明显，我们可以通过合理地组合数据〔编程〕来得到霓虹灯的不同显示方式。系统框图8.18-1系统方框图D0-Dnnn则霓虹灯亮。下面介绍框图中各局部的功能与实现方法。〔1〕移位存放器移位存放器用于存放掌握发光二极管亮、灭的数据，对应n个发光二极管，移位存放器n位输出。移位存放器的输入信号取自存储器输出的8位并行数据，为使电路简洁，可以承受8位并入并出的移位存放器，也可以承受并入串出的移位存放器。〔2〕只读存储器〔显示定时〕n位数据送移位存放器，所送的数据内容由存储器的地址信号确定。存储器的容量由霓虹灯的段数、显示方式及显示方式的种类确定。n段霓虹灯，m种显示方式，要求存储器的容量为n=n×n×m〔bit〕只读存储器可以承受常用的EPROM,27642712827256、27512等。〔3)地址计数器地址计数器产生由低到高连续变化的只读存储器的地址，存储器内对应地址的数据被送至存放器。地址计数器输出的位数由存储器的大小打算。64Kbyt16根，因此要求16以后自动复位，重从0000H开头计数。地址计数器可以承受一般的二进制计数器，如74161162等。〔4〕掌握门与定时器掌握门用于掌握计数脉冲是否到达地址计数器。掌握门的掌握信号来自定时器，定时器启动时，掌握门被关闭，地址计数器停顿计数，存放器的数据被锁存。此段时间发光二极管发光。到达定时值时，定时器反相，计数器重开头计数。掌握门可以用一般的与门或或门，定时器可以承受单稳态电路来实现，也可以用计数器实现。〔5〕长度计数器长度计数器与地址计数器对应同一个计数脉冲。长度计数器工作时，地址计数器也在工作。计数器工作期间，存储器对应地址的数据被逐级移位至对应的存放器。长度计数器的计n/8,〔n〕的数据从存储器中读出送存放器锁存。长度计数器到达长度值时自动清零，同时启动定时器工作。定时器启动期间，长度计数器与地址计数器的计数脉冲均被封闭。长度计数器电路可视计数的具体长度来确定。当计数长度较短时，可以承受移位存放器来实现。3〕有用电路依据上面的分析，设计出如图8.2有用电路可以掌握32段霓虹灯，用32灯是由开关变压器供给的电源点亮的，开关变压器通过光耦进展强、弱电隔离，从存放器输出的点亮发光二极管的驱动信号完全可以驱动开关变压器工作。电路中的移位存放器承受74LS374,当与118数据从上至下从一个存放器移位至另一个存放器，构成8位并行移位电路。明显，消灭在11脚的移位脉冲，一次只能有48.2霓虹灯显示掌握器有用电路电路中的存储器承受具有8K地址的EPROM2764,电路中2764的最终两根地址线A11A12接地。因此，实际只用到了前面2K地址的存储单元。由于只掌握32段霓虹灯，它仍可以保证有足够多的显示方式。如有必要，可以通过接插的方式转变A11、A12的电平，6K地址对应的图样。电路中的地址计数器由374LS161组成，它产生11位地址数据，计数输出直接与存储器的地址线相连。555VR器的时间，即每帧画面显示的时间。显示时间一般定在0.1～1S之间。振荡电路承受555组成多谐振荡器来实现，其振荡频率可以在1KHz～1MHz之间取值。2．方法与步骤〕器件检测与每次实训一样，首先对所用器件进展检测。保证器件完好，可以削减因器件不良带来的各种麻烦。〕电路安装在印刷电路板上安装好全部器件。所需电路板可以在电子CAD课程作为课程设计内容完成，也可托付电路板厂加工。如无现成的印刷电路板，也可在万能板上安装。由于电路连线较多，不宜在面包板上安装。〕检测电路〔1〕555U53到频率为几十KHz的矩形波。如不能观测到输出波形，则应检测555的工作状态，找到故障所在。〔2〕VR555正常时可以观测到输出电平以短于1S作，应检测定时器与长度计数器的工作状态。通过检测各引脚电平或波形，依据电路的规律关系进展分析，排解故障。〔3〕检测存储器各地址线的电平，在低地址端应能观测到电平的跳变。如地址线电平不发生变化，则应检测由4个74LS161构成的地址计数器工作是否正常，通过检测各IC的引脚或波形，排解故障。〔4〕检测存放器74LS374各引脚电平，各电平值应与电路确定的值全都，消灭特别则应找出故障所在，予以排解。〕排列发光二极管32〕确定显示方式依据排列的图形，确定发光二极管的显示方式。〕确定存储器各地址对应的数据显示方式确定之后，则可确定存储器各地址对应的数据。为加深读者的生疏，设发光二所示。表中，每行第一个16进制数为存储器的一个起始地址，其余16个数为该地址及与15168.1一种显示方式各地址对应的数据0000H00H00H00H01H00H00H00H03H00H00H00H07H00H00H00H0FH0010H00H00H00H1FH00H00H00H3FH00H00H00H7FH00H00H00HFFH0020H00H00H01HFFH00H00H03HFFH00H00H07HFFH00H00H0FHFFH0030H00H00H1FHFFH00H00H3FHFFH00H00H7FHFFH00H00HFFHFFH0040H00H01HFFHFFH00H03HFFHFFH00H07HFFHFFH00H0FHFFhFFH0050HOOH1FHFFHFFH00H3FHFFHFFH00H7FHFFHFFH00HFFHFFHFFH0060H01HFFhFFHFFH03HFFHFFHFFH07HFFHFFHFFH0FHFFHFFHFFH0070H1FHFFHFFHFFHFFH3FHFFHFFH7FHFFHFFHFFHFFHFFHFFHFFH8.1〕输入数据读者可以利用任何读写EOROM的软件及相关附件将编辑好的内容固化在EPROM中。固化时，必需留意选择编程电压时，应与实际存储器的编程电压全都。〕显示图样EPROMIC观看显示方式是否与自己设计的方式全都，如不全都，找出缘由。如属数据编辑错误，可改写前面的数据。EPROM具有光擦除功能，要修改内部数据，必需用紫外线擦除器擦除后重写全部内容。六、课程设计验收硬件制作实物完成状况，演示设计与调试的结果设计方案与说明书数字频率计的设计与制作一、问题的引入：在很多状况下，要对信号的频率进展测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，准确测量则要用到数字频率计。二、设计目的：本设计与制作工程可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与生疏，进一步生疏数字电路系统设计、制作与调试的方法和步骤。三、设计要求：设计并制作出一种数字频率计，其技术指标如下：〔1〕10～9999Hz。〔2〕>300mV。〔3〕输入信号波形：任意周期信号。〔4〕4位。〔5〕220V、50Hz四、所需仪器设备与器件示波器、音频信号发生器、规律笔、万用表、数字集成电路测试仪、直流稳压电源。五、设计内容、方法与步骤：1．设计内容〕数字频率计的根本原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间〔1S〕内信号发生周期变化的次数。假设我们能在给定的1S就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必需获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的根本原理。〕系统框图从数字频率计的根本原理动身，依据设计要求，得到如图8.3下面介绍框图中各局部的功能及实现方法〔1〕电源与整流稳压电路框图中的电源承受50Hz电源。系统对电源的要求不高，可以承受串联式稳压电源电路来实现。〔2〕全波整流与波形整形电路本频率计承受市电频率作为标准频率，以获得稳定的基准时间。按国家标准，市电的频率漂移不能超过0.5Hz，即在1％的范围内。用它作一般频率计的基准信号完全能满足系50Hz8.4〔a所示100Hz8.3数字频率计框图的全波整流波形。波形整形电路对100Hz8.4(b)100Hz的矩形波。8.4全波整流与波形整形电路的输出波形波形整形可以承受过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可承受施密特触发器进行整形。〔3〕分频器分频器的作用是为了获得1S的标准时间。电路首先对图8.4所示的100Hz信号进展100分频得到如图8.5〔a〕所示周期为1S的脉冲信号。然后再进展二分频得到如图8.5〔b〕501S用此信号去翻开与关闭掌握门，可以获得在1S时间内通过掌握门的被测脉冲的数目。分频器可以承受第5章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以承受 发器来实现。〔4〕信号放大、波形整形电路为了能测量不同电平值与波形的周期信号的频率，必需对被测信号进展放大与整形处理，8.5分频器的输出波形使之成为能被计数器有效识别的脉冲信号。信号放大与波形整形电路的作用即在于此。信号放大可以承受一般的运算放大电路，波形整形可以承受施密特触发器。〔5〕掌握门掌握门用于掌握输入脉冲是否送计数器计数。它的一个输入端接标准秒信号，一个输入端接被测脉冲。掌握门可以用与门或或门来实现。当承受与门时，秒信号为正时进展计数，当承受或门时，秒信号为负时进展计数。〔6〕计数器9999Hz4位十进制计数器。可以选用现成的10进制集成计数器。〔7〕锁存器在确定的时间〔1S〕内计数器的计数结果〔被测信号频率〕必需经锁定后才能获得稳定的显示值。锁存器的作用是通过触发脉冲掌握，将测得的数据存放起来，送显示译码器。锁存器可以承受一般的8位并行输入存放器，为使数据稳定，最好承受边沿触发方式的器件。〔8〕显示译码器与数码管BCD10号，以获得数字显示。选用显示译码器时其输出方式必需与数码管匹配。3〕实际电路依据系统框图，设计出的电路如图8.6图中，稳压电源承受7805100Hz774HC4024100数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在74HC4024的Q7Q6、Q3端通过与门参加反响清零信号，当计数器输出为二进制数1100100〔100〕时，计数器异步清零。8.6数字频率计电路图实现100进制计数。为了获得稳定的分频输出，清零信号与输入脉冲“与”后再清零，使分频输出脉冲在计数脉冲为低电寻常保持一段时间〔10mS〕为高电平。电路中承受双JK触发器74HC109中的一个触发器组成触发器，它将分频输出脉冲1S2SQ1S74120器有效识别的矩形波输出，通过由74HC11组成的掌握门送计数器计数。为了防止输入信号太强损坏集成运放，可以在运放的输入端并接两个保护二极管。频率计数器由两块双十进制计数器74HC4511组成，最大计数值为9999Hz。由于计数器受掌握门掌握，每次计数只在JK触发器Q端为高电寻常进展。当JK触发器Q端跳变至低电寻常，端的由低电平向高电平跳变，此时，8D锁存器74HC374〔上升沿有效〕将计数器的输出数据锁存起来送显示译码器。计数结果被锁存以后，即可对计数器清零。由74HC4518为异步高电平清零，所以将JK触发器的同100Hz脉冲信号“与”后的输出信号作为计数器的清零脉冲。由此保证清零是在数据被有效锁存一段时间〔10mS〕以后再进展。显示译码器承受与共阴数码管匹配的CMOS74HC4511,4个数码管承受共阴方式，4位频率数字，满足测量最高频率为9999Hz的要求。2．方法与步骤器件检测用数字集成电路检测仪对所要用的ICLED数码管进展检测，检测方法由自己确定。电路连接在自制电路板上将IC插座及各种器件焊接好；装配时，先焊接IC等小器件，最终固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插IC。电源测试将与变压器连接的电源插头插入220V电压的正常值应为＋5V输出正常后，接着用示波器检测产生基准时间的全波整流电路输出波形。正常状况应观测到13.5(a)所示波形。基准时间检测ICU1(74HC4024)U3A间计数器与由U2A组成的触发器的输出波形，并与图13.6所示波形比照。如无输出波形或波形外形不对，则应对U1U3,U2输入检测信号从被测信号输入端输入幅值在1V左右频率为1KHz左右的正弦信号，假设电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。假设数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。