现代数字系统设计

现代数字系统设计第1页，课件共47页，创作于2023年2月逻辑表达式、真值表、卡诺图、状态图等MDS图（1）系统模型描述法：用逻辑图、状态图、流程图等来描述数字系统的方法。 ——该方法适用于相对简单的系统，这种系统的输入、输出变量以及系统的状态都比较少，所需要的寄存器也比较少。（2）描述语言法：适用于当系统的输入、输出变量增多、状态很多时，该描述语言表达的算法称为系统的算法模型。2.描述数字系统的方法第2页，课件共47页，创作于2023年2月除“系统功能级”外，不同层次上的设计描述和对象行为处理级寄存器传输级逻辑级（门级）电路器件级（晶体管级）性能指标流程图算法寄存器传输方程算法逻辑方程时序状态微分方程函数处理器控制器存储器、总线等ALU、数据选择器寄存器、存储器等门触发器晶体管连线行为描述结构描述第3页，课件共47页，创作于2023年2月数据子系统主要完成数据的采集、存储、运算处理和传输；主要由存储器、运算器、数据选择器等部件组成。 数字子系统的设计依据——系统功能的算法。控制子系统是执行算法的核心，由一些组合逻辑电路和触发器等元件组成，是一个具有记忆能力的时序系统。 控制子系统的设计依据——系统功能及数据子系统的要求。第4页，课件共47页，创作于2023年2月2-5-3控制子系统的微程序设计就是把控制子系统中每一个状态要输出的控制信号以及该状态的转移去向按一定的格式编写成条文，称其为微指令，将它们保存在存储器中，例如ROM，EPROM等。运行时，按预定的要求逐条取出这些微指令，从而实现控制过程。ROMD触发器第5页，课件共47页，创作于2023年2月控制子系统的微程序设计适用于系统很复杂，系统的MDS图中的状态数目很多，输入、输出变量很多的情况。与用硬件方法实现控制器相比其优点：设计规范，易于模块化，便于二次集成，适用于任何算法，也便于修改，非常灵活；缺点：速度较慢，受ROM速度的约束。第6页，课件共47页，创作于2023年2月2.5.3.1微程序控制器典型结构

微地址产生器（组合电路）微地址寄存器CSAR控制存储器CS微指令寄存器MIR译码器微控制器条件外地址转移地址信息（激励函数）控制信号DONELOAD微控制信息（微命令段）微地址产生器微地址产生器产生下一条应执行的微指令。微控制器产生局部时钟，控制各寄存器的操作，接收数据子系统的开启或终止信号。控制存储器存放微指令。第7页，课件共47页，创作于2023年2月微程序控制器主要由控制存储器CS、微地址产生器和控制器三大部分组成。在有的微指令中还有定时段，用以指示执行该条微指令所需的时间周期。在该条微指令操作完成以前，微地址的值不变。详见51页图2-53设计微程序控制器主要就是实现对微程序的控制及编写微指令两项工作。第8页，课件共47页，创作于2023年2月2.5.3.3微程序流的控制微程序流的执行方法可以有许多种，如顺序的、条件转移或无条件转移、循环或子程序调用等，因此控制方法也是多样的，这些方法集中到一点，即如何设计微程序控制器中的微地址产生器。微地址产生器如何根据当前的微指令及一些相应的条件来确定下一条微指令的地址。第9页，课件共47页，创作于2023年2月秒脉冲发生器用CD4060及32768晶振作为2Hz、4Hz、8Hz等时钟脉冲源时，典型接线方法如下图，从计数器输出端可以得到多种32.678kHz的分频脉冲。第10页，课件共47页，创作于2023年2月集成运放的四个重要参数（1）增益带宽乘积GBW

GBW=中频开环差模增益×上限截止频率根据运放的使用目的，在小信号状

态下和在大信号状态下，宽频带型

的定义是不同的。在小信号条件下使用的运放是用单

位增益带宽（在开环状态下使其增

益下降到直流增益的0dB时所对应

的输入工作频率，用fT或GB表示）

来定义的。在大信号条件下工作的运放是用最大输出带宽（不失真的最大输出的频率）、或增益带宽积GBW（在开环增益下降至直流增益的－3dB时所对应的输入信号频率称为增益带宽，增益带宽与增益的乘积就称为增益带宽积）。对于一个单极点放大器的频率特性而言，其GBW是一个常数。第11页，课件共47页，创作于2023年2月（2）摆率（转换速率）SR

摆率是表示运放所允许的输出电压Vo对时间变化率的最大值。转换速率通常用单位V/μs来表示。通用型运放的转换速率规定在5V/μs以下，而转换速率在5V/μs以上者即为高性能运放。第12页，课件共47页，创作于2023年2月例有一个以F007接成的电压跟随器电路，已知集成运放F007的摆率SR＝0.5V/μs，请问当输入一个频率50kHz，幅度2V的正弦波，其输出失真吗？其不失真的最大输出电压多少？第13页，课件共47页，创作于2023年2月解：由摆率公式 正弦电压 可以推出

所以电压跟随器电路不失真的最大输出电压

可见，当输入一个频率50kHz，幅度2V的正弦波，其输出失真。第14页，课件共47页，创作于2023年2月（3）共模抑制比CMRR此指标的大小，表示了集成运放对共模信号（通常是一种干扰信号）的抑制能力。定义为开环差模增益Avd和开环共模增益Avc之比第15页，课件共47页，创作于2023年2月（4）最大差模输入电压VidM和最大共模输入电压VicMVidM是运放两输入端间所能承受的最大差模电压值。超过该值，输入级某一側的晶体管将出现反向击穿现象。VicM是两输入级能正常工作的情况下允许输入的最大共模信号。当共模输入电压超过此值时，集成运放便不能对差模信号进行放大。第16页，课件共47页，创作于2023年2月电烫斗的构造思考与讨论：●常温下两触点是接触还是分离？●如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？第17页，课件共47页，创作于2023年2月感温铁氧体的“居里点”：感温铁氧体在常温下具有铁磁性，但温度升高到103℃时便失去了铁磁性，这个温度称为这种材料的“居里温度”或“居里点”。3.电饭锅电饭锅的构造思考与讨论：●开始做饭时为什么要压下开关按钮？●若用电饭锅烧水，水在沸腾以后是否会自动断电？第18页，课件共47页，创作于2023年2月使用大功率三极管直流电机控制电路第19页，课件共47页，创作于2023年2月第20页，课件共47页，创作于2023年2月1.锁相环的基本组成锁相环的基本组成：由鉴相器PD、环路滤波器LF、压控振荡器VCO组成。第21页，课件共47页，创作于2023年2月第22页，课件共47页，创作于2023年2月参数计算（1）频段划分振荡频率范围为：0.5fo～1.12fo

第23页，课件共47页，创作于2023年2月计算而VCO的最高频率是16.384MHz，故VCO最高工作频率为：该工作频率下的最

小振荡频率为：VCO的最低频率是4MHz，故VCO最低工作频率为：该工作频率下的最高振荡频率为：可见：，所以需要两个压控振荡器，每个压控振荡器的外接电容值分别为：第24页，课件共47页，创作于2023年2月4.3.1.2设计任务设计一个输出电压可调的数控电压源：①输出电压：2～20V，调节单位0.1V②电压稳定度：（△Vo/Vo）小于0.2％，纹波电压小于10mV（所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。）③输出电流：1A④输出电压值由数码管显示，并由“＋”、“－”两键控制输出电压步进增减⑤电源具有输出短路保护和功率器件的过热保护功能第25页，课件共47页，创作于2023年2月分析由于本任务要求的输出功率小，应首先采用线性稳压源。如果改用开关电源的程式，由于控制电路（振荡器、脉宽调制器、驱动器、比较放大、基准电源等）已集成在一个芯片（如：MC3420），目前设计工作并不复杂。所以，采用线性电源设计方案。第26页，课件共47页，创作于2023年2月4.3.1.3方案论证与框图方案一：第27页，课件共47页，创作于2023年2月方案二：4.3.1.3方案论证与框图第28页，课件共47页，创作于2023年2月方案三：4.3.1.3方案论证与框图第29页，课件共47页，创作于2023年2月6.1实用信号源的设计信号源是电子系统设计、测试、维修所必需的仪器。它的性能、指标、使用方法对于广大电子线路工作者的工作有着重大影响。因此，本节重点要求大家掌握信号源的组成并能够自己设计一个高指标的信号源。第30页，课件共47页，创作于2023年2月6.1.3方案细化6.1.3.1产生振荡信号的几种方案（1）以ICL8038集成函数发生器为核心产生振荡信号。（2）数字直接合成（DDS）方法产生振荡信号通过改变累加器的步进量实现频率的改变。第31页，课件共47页，创作于2023年2月（2）数字直接合成（DDS）方法产生振荡信号当输出信号的频率较高时，由于每周的节拍数减少，波形逐渐变得不精细。对于本题，系统时钟按200个采样点来算，信号周期，步进1Hz，,n=22。优点：保证输出信号的频率稳定性，可以方便地调节、预置频率，波形变换方便，频率和波形的切换响应快，无过渡过程，电路结构简单，工作稳定可靠。缺点：在输出信号频率较高时，方波信号的边沿会产生抖动。第32页，课件共47页，创作于2023年2月（3）锁相频率合成技术方案与DDS类似，采用查表方式，通过改变ROM地址产生器的时钟CP频率来改变输出信号的频率，而时钟信号来自锁相环路VCO的输出。

鉴相器PD环路滤波器LFD/A压控振荡器VCO地址计数器（模200）分频器÷NROM（/M）AfVCO/NfVCOfO第33页，课件共47页，创作于2023年2月（3）锁相频率合成技术方案步进1Hz，fr=200Hz。fVCOmin=20×200=4kHz，fVCOmax=20k×200=4MHz，频率覆盖率为1000。若采用单片集成锁相环74HC4046，其VCO最高工作频率为30MHz，频率覆盖率为10，因此需将系统分成三个波段。第34页，课件共47页，创作于2023年2月（3）锁相频率合成技术方案VCO始终工作在频率0.4~4MHz第35页，课件共47页，创作于2023年2月（3）锁相频率合成技术方案优点：有稳定的频率、稳定的边沿，具有易预置、易调节的优点，控制和调节电路都是数字电路，工作稳定可靠。缺点：锁相环的锁相特性，环路滤波器既要保证有很好的滤波特性，又要求它能够使锁相环有很快的捕捉时间，电路的复杂程度中等。第36页，课件共47页，创作于2023年2月（4）用单片机产生信号波形用单片机产生信号波形的电路能够简化部分电路结构，但必须配有一定数量的辅助电路，频率的步进调节困难，难以实现本设计所提出的全部技术要求。第37页，课件共47页，创作于2023年2月（5）用数字比例乘法器CD4527产生振荡信号优点：产生信号波形电路结构简单，工作稳定可靠，很容易调试，成本很低。缺点：频率稳定度不满足要求，在工作频率与3、4、6、7、8、9有关时输出信号的相位会出现明显的跳动。第38页，课件共47页，创作于2023年2月设计一个带能自启动的、具有正反转功能的三相六拍步进脉冲分配电路。使用jk触发器以硬件电路实现，写出设计过程，画出电路图。采用微程序法用直接寻址法进行设计，画出MDS图，列出微指令表并画出对应的电路图。采用微程序法用单测试双地址法进行设计，写出RTL算法，列出微指令表并画出对应的电路图。正转111→000→110→010→011→001→101→100→110反转111→000→110→100→101→001→011→010→110第39页，课件共47页，创作于2023年2月（1）列出状态转换表

由于状态数为8，3位编码，需3个JK触发器，可以列出状态转换表如下：

第40页，课件共47页，创作于2023年2月（2）画出J、K的卡诺图并列出函数表达式第41页，课件共47页，创作于2023年2月（3）画出完整的逻辑电路图第42页，课件共47页，创作于2023年2月直接寻址法2.设定C为控制变量，当C=0时，电路按顺时针转动，当C=1时，电路按逆时针转动。以状态编码作为控制器三相输出，其MDS图如下：第43页，课件共47页，创作于2023年2月第44页，课件共47页，创作于2023年2月单测试双地址3.设定C为控制变量，当C=0时，电路按顺时针转动，当C=1时，电路按逆时针转动。通过RTL算法可以发现，对应每条语句的编码和对应输出的编码相一致，因此以状态编码作为控制器三相输出。RTL算法: Contrl:{inpu