• 本課程設計的地位和作用
  

1. 能夠較全面地鞏固和應用“數字電子技術”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數字系統設計的基本方法。

2. 能合理、靈活地應用各種標準集成電路（SSI、MSI、LSI等）器件實現規定的數字系統。

3. 培養獨立思考、獨立準備資料、獨立設計規定功能的數字系統的能力。

4.培養獨立進行實驗，包括電路布局、安裝、調試和排除故障的能力。

5.培養書寫綜合設計實驗報告的能力。

根據設計任務，從選擇設計方案開始，進行電路設計；選擇合適的器件，畫出設計電路圖；通過安裝、調試，直至實現任務要求的全部功能。對電路要求布局合理，走線清晰，工作可靠，經驗收合格后，寫出完整的課程設計報告。

電子電路的一般設計方法和步驟是：分析設計任務和性能指標，選擇總體方案，設計單元電路，選擇器件，計算參數，畫總體電路圖。進行仿真試驗和性能測試。實際設計過程中往往反復進行以上各步驟，才能達到設計要求，需要靈活掌握。

1. 總體方案選擇

設計電路的第一步就是選擇總體方案，就是根據提出的設計任務要求及性能指標，用具有一定功能的若干單元電路組成一個整體，來實現設計任務提出的各項要求和技術指標。

設計過程中，往往有多種方案可以選擇，應針對任務要求，查閱資料，權衡各方案的優缺點，從中選優。

• 單元電路的設計
  

2.1設計單元電路的一般方法和步驟

A.  根據設計要求和選定的總體方案原理圖，確定對各單元電路的設計要求，必要時應詳細擬定主要單元電路的性能指標。

B.   擬定出各單元電路的要求后，對它們進行設計。

C. 單元電路設計應采用符合的電平標準。

2.2元器件的選擇

   針對數字電路的課程設計，在搭建單元電路時，對于特定功能單元選擇主要集成塊的余地較小。比如時鐘電路選555，轉換電路選0809，譯碼及顯示驅動電路也都相對固定。但由于電路參數要求不同，還需要通過選擇參數來確定集成塊型號。一個電路設計，單用數字電路課程內容是不夠的，往往同時摻有線性電路元件和集成塊，因此還需對相應內容熟悉，比如運算放大器的種類和基本用法，集成比較器和集成穩壓電路的特性和用法。總之，構建單元電路時，選擇器件的電平標準和電流特性很重要。普通的門電路、時序邏輯電路、組合邏輯電路、脈沖產生電路、數模和模數轉換電路、采樣和存儲電路等，參數選擇恰當可以發揮其性能并節約設計成本。

單元電路設計過程中，阻容元件的選擇也很關鍵。它們的種類繁多，性能各異。優選的電阻和電容輔助于數字電路的設計可以使其功能多樣化、完整化。

• 單元電路調整與連調
  

數字電路設計以邏輯關系為主體，因此各單元電路的輸入輸出邏輯關系與它們之間的正確傳遞決定了設計內容的成敗。具體步驟要求每一個單元電路都須經過調整，有條件情況下可應用邏輯分析儀進行測試，確保單元正確。各單元之間的匹配連接是設計的最后步驟，主要包含兩方面，分別是電平匹配和驅動電流匹配。它也是整個設計成功的關鍵一步。

工作穩定可靠；能達到預定的性能指標，并留有適當的余量；電路簡單，成本低，功耗低；器件數目少，集成體積小，便于生產和維護。

1.對設計課題進行簡要闡述。

2.設計任務及其具體要求。

3.總體設計方案方框圖及各部分電路設計（含各部分電路功能、輸入信號、輸出信號、電路設計原理圖及其功能闡述、所選用的集成電路器件等）。

4.整機電路圖（電路圖應用標準邏輯符號繪制，電路圖中應標明接線引出端名稱、元件編號等）。

5.器件清單。

6.調試結果記錄。

7.總結與體會。

課程設計報告應內容完整、字跡工整、圖表整齊、數據詳實。

• 簡述
  

數字電子鐘是一種用數字顯示秒、分、時、日的計時裝置，與傳統的機械鐘相比，它具有走時準確，顯示直觀、無機械傳動裝置等優點，因而得到了廣泛的應用。小到人們日常生活中的電子手表，大到車站、碼頭、機場等公共場所的大型數顯電子鐘。

數字電子鐘的電路組成方框圖如圖1.1所示。

圖1.1  數字電子鐘框圖

由圖1.1可見，數字電子鐘由以下幾部分組成：石英晶體振蕩器和分頻器組成的秒脈沖發生器；校時電路；六十進制秒、分計數器，二十四進制（或十二進制）計時計數器；秒、分、時的譯碼顯示部分等。

二、設計任務和要求

用中、小規模集成電路設計一臺能顯示日、時、分、秒的數字電子鐘，要求如下：

• 由晶振電路產生1Hz標準秒信號。
• 秒、分為00～59六十進制計數器。
  

3. 時為00～23二十四進制計數器。

4. 周顯示從1～日為七進制計數器。

5. 可手動校時：能分別進行秒、分、時、日的校時。只要將開關置于手動位置，可分別對秒、分、時、日進行手動脈沖輸入調整或連續脈沖輸入的校正。

6. 整點報時。整點報時電路要求在每個整點前嗚叫五次低音（500Hz），整點時再嗚叫一次高音（1000Hz）。

1. 通用實驗底板

2. 直流穩壓電源

3. 集成電路：CD4060、74LS74、74LS161、74LS248及門電路

4. 晶振：32768 Hz

5. 電容：100μF/16V、22pF、3～22pF之間

6. 電阻：200Ω、10KΩ、22MΩ

7. 電位器：2.2KΩ或4.7KΩ

8. 數顯：共陰顯示器LC5011-11

9. 開關：單次按鍵

10. 三極管：8050

11. 喇叭：1 W /4，8Ω

根據設計任務和要求，對照數字電子鐘的框圖，可以分以下幾部分進行模塊化設計。

• 秒脈沖發生器
  

脈沖發生器是數字鐘的核心部分，它的精度和穩定度決定了數字鐘的質量，通常用晶體振蕩器發出的脈沖經過整形、分頻獲得1Hz的秒脈沖。如晶振為32768 Hz，通過15次二分頻后可獲得1Hz的脈沖輸出，電路圖如圖1.2所示。

圖1.2  秒脈沖發生器

• 計數譯碼顯示
  

秒、分、時、日分別為60、60、24、7進制計數器、秒、分均為60進制，即顯示00～59，它們的個位為十進制，十位為六進制。時為二十四進制計數器，顯示為00～23，個位仍為十進制，而十位為三進制，但當十進位計到2，而個位計到4時清零，就為二十四進制了。

周為七進制數，按人們一般的概念一周的顯示日期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我們設計這個七進制計數器，應根據譯碼顯示器的狀態表來進行，如表1.1所示。

按表1.1狀態表不難設計出“日”計數器的電路（日用數字8代替）。

所有計數器的譯碼顯示均采用BCD—七段譯碼器，顯示器采用共陰或共陽的顯示器。

• 校時電路
  

在剛剛開機接通電源時，由于日、時、分、秒為任意值，所以，需要進行調整。

置開關在手動位置，分別對時、分、秒、日進行單獨計數，計數脈沖由單次脈沖或連續脈沖輸入。

• 整點報時電路
  

當時計數器在每次計到整點前六秒時，需要報時，這可用譯碼電路來解決。即

當分為59時，則秒在計數計到54時，輸出一延時高電平去打開低音與門，使報時聲按500Hz頻率嗚叫5聲，直至秒計數器計到58時，結束這高電平脈沖；當秒計數到59時，則去驅動高音1KHz頻率輸出而鳴叫1聲。

圖1.3 數字電子鐘邏輯電路參考圖

六、參考電路簡要說明

1. 秒脈沖電路

由晶振32768Hz經14分頻器分頻為2Hz，再經一次分頻，即得1Hz標準秒脈沖，供時鐘計數器用。

2. 單次脈沖、連續脈沖

這主要是供手動校時用。若開關K1打在單次端，要調整日、時、分、秒即可按單次脈沖進行校正。如K1在單次，K2在手動，則此時按動單次脈沖鍵，使周計數器從星期1到星期日計數。若開關K1處于連續端，則校正時，不需要按動單次脈沖，即可進行校正。單次、連續脈沖均由門電路構成。

3. 秒、分、時、日計數器

這一部分電路均使用中規模集成電路74LS161實現秒、分、時的計數，其中秒、分為六十進制，時為二十四進制。從圖3中可以發現秒、分兩組計數器完全相同。當計數到59時，再來一個脈沖變成00，然后再重新開始計數。圖中利用“異步清零”反饋到/CR端，而實現個位十進制，十位六進制的功能。

時計數器為二十四進制，當開始計數時，個位按十進制計數，當計到23時，這時再來一個脈沖，應該回到“零”。所以，這里必須使個位既能完成十進制計數，又能在高低位滿足“23”這一數字后，時計數器清零，圖中采用了十位的“2”和個位的“4”相與非后再清零。

對于日計數器電路，它是由四個D觸發器組成的（也可以用JK觸發器），其邏輯功能滿足了表1，即當計數器計到6后，再來一個脈沖，用7的瞬態將Q4、Q3、Q2、Q1置數，即為“1000”，從而顯示“日”（8）。

4．譯碼、顯示

譯碼、顯示很簡單，采用共陰極LED數碼管LC5011-11和譯碼器74LS248，當然也可用共陽數碼管和譯碼器。

• 整點報時
  

當計數到整點的前6秒鐘，此時應該準備報時。圖3中，當分計到59分時，

將分觸發器QH置1，而等到秒計數到54秒時，將秒觸發器QL置1，然后通過QL與QH相與后再和1s標準秒信號相與而去控制低音喇叭嗚叫，直至59秒時，產生一個復位信號，使QL清0，停止低音嗚叫，同時59秒信號的反相又和QH相與后去控制高音喇叭嗚叫。當計到分、秒從59：59—00：00時，嗚叫結束，完成整點報時。

• 嗚叫電路
  

嗚叫電路由高、低兩種頻率通過或門去驅動一個三極管，帶動喇叭嗚叫。1KHz

和500Hz從晶振分頻器近似獲得。如圖中CD4060分頻器的輸出端Q5和Q6。Q5輸出頻率為1024Hz，Q6輸出頻率為512Hz。

• 簡述
  

智力競賽是一種生動活潑的教育形式和方法，通過搶答和必答兩種方式能引起參賽者和觀眾的極大興趣，并且能在極短的時間內，使人們增加一些科學知識和生活知識。

實際進行智力競賽時，一般分為若干組，各組對主持人提出的問題，分必答和搶答兩種。必答有時間限制，到時要告警，回答問題正確與否，由主持人判別加分還是減分，成績評定結果要用電子裝置顯示。搶答時，要判定哪組優先，并予以指示和鳴叫。

因此，要完成以上智力競賽搶答器邏輯功能的數字邏輯控制系統，至少應包括以下幾個部分。

• 計分、顯示部分；
• 判別選組控制部分；
• 定時電路和音響部分。
  

用TTL或CMOS集成電路設計智力競賽搶答器邏輯控制電路，具體要求如下：

1. 搶答組數為4組，輸入搶答信號的控制電路應由無抖動開關來實現。

2. 判別選組電路。能迅速、準確地判處搶答者，同時能排除其它組的干擾信號，閉鎖其它各路輸入使其它組再按開關時失去作用，并能對搶中者有光、聲顯示和嗚叫指示。

3. 計數、顯示電路。每組有三位十進制計分顯示電路，能進行加/減計分。

4. 定時及音響。

必答時，啟動定時燈亮，以示開始，當時間到要發出單音調“嘟”聲，并熄滅指示燈。

搶答時，當搶答開始后，指示燈應閃亮。當有某組搶答時，指示燈滅，最先搶答一組的燈亮，并發出音響。也可以驅動組別數字顯示（用數碼管顯示）。回答問題的時間應可調整，分別為10s、20s、50s、60s或稍長些。

• 主持人應有復位按鈕。搶答和必答定時應有手動控制。
  

1. 通用實驗底板

2. 直流穩壓電源

3. 集成電路：74LS190、74LS48、CD4043、74LS112及門電路

4. 顯示器：LCD5011-11、CL002、發光二極管

5. 撥碼開關（8421碼）

6. 阻容元件、電位器

7. 喇叭、開關等

1. 復位和搶答開關輸入防抖電路，可采用加吸收電容或RS觸發器電路來完成。

2. 判別選組實現的方法可以用觸發器和組合電路完成，也可用一些特殊器件組成。例如用MC14599或CD4099八路可尋址輸出鎖存器來實現。

3. 計數顯示電路可用8421碼撥碼開關譯碼電路顯示。8421碼撥碼開關能進行加或減計數。也可用加/減計數器（如74LS193）來組成。譯碼、顯示用共陰或共陽組件，也可用CL002譯碼顯示器。

4. 定時電路。當有開關啟動定時器時，使定時計數器按減計數或加計數方式進行工作，并使一指示燈亮，當定時時間到，輸出一脈沖，驅動音響電路工作，并使指示燈滅。

圖2.1 四組智力競賽搶答器邏輯控制電路參考圖

圖2.1為四組智力競賽搶答器邏輯控制電路參考圖，若要增加組數，則需要把計分顯示部分增加即可。

• 計分部分
  

每組均由8421碼撥碼開關KS-1，完成分數的增和減，每

組為三位，個、十、百位，每位可以單獨進行加減。例如：100分加10分變為110分，只需按動撥碼開關十位“+”號一次；若加“20”分，只要按動“+”號兩次。若減分，方法相同，即按動“－”號就能完成減數計分。

順便提一下，計分電路也可以用電子開關或集成加、減法計數器來組合完成。

• 判組電路
  

這部分電路由RS觸發器完成，CD4043為三態RS鎖存觸

發器，當S1按下時，Q1為1，這時或非門74LS25為低電平，封鎖了其它組的輸入。Q1為1，使發光管D1發亮，同時也驅動音響電路嗚叫，實現聲、光的指示。輸入端采用了阻容方法，以防止開關抖動。

• 定時電路
  

當進行搶答或必答時，主持人按動單次脈沖起動開關，使

定時數據置入計數器，同時使JK觸發器翻轉（Q=1），定時器進行減計數定時，定時開始，定時指示燈亮。當定時時間到，即減法計數器為“00”時，Bo為“1”，定時結束，這時去控制音響電路嗚叫，并滅掉指示燈（JK觸發器的/Q=1，Q=0）。

定時顯示用CL002，定時的時標脈沖為“秒”脈沖。

• 音響電路
  

音響電路中，f1和f2為兩種不同的音響頻率，當某組搶答

時，應為多音，其時序應為間斷音頻輸出。當定時到，應為單音，其時序應為單音頻輸出，時序如圖2.2所示。

圖2.2 音頻時序波形圖

• 簡述
  

為了確保十字路口的車輛順利、暢通地通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進行指揮。其中紅燈（R）亮表示該條道路禁止通行；黃燈（Y）亮表示停車；綠燈（G）亮表示允許通行。

交通燈控制器的系統框圖如圖3.1所示。

圖3.1 交通燈控制器系統框圖

二、設計任務和要求

設計一個十字路口交通信號燈控制器，其要求如下：

• 滿足如圖3.2順序工作流程。
  

圖中設南北方向的紅、黃、綠燈分別為NSR、NSY、NSG，東西方向的紅、

黃、綠燈分別為EWR、EWY、EWG。

它們的工作方式，有些必須是并行進行的，即南北方向綠燈亮，東西方向紅

燈亮；南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮。

圖3.2 交通燈順序工作流程圖

    2. 應滿足兩個方向的工作時序：即東西方向亮紅燈時間應等于南北方向亮黃、綠燈時間之和，南北方向亮紅燈時間應等于東西方向亮黃、綠燈時間之和。時序工作流程圖見圖3.3所示。

圖3.3中，假設每個單位時間為3秒，則南北、東西方向綠、黃、紅燈亮時間分別為15秒、3秒、18秒，一次循環為36秒。其中紅燈亮的時間為綠燈、黃燈亮的時間之和，黃燈是間歇閃耀。

圖3.3 交通燈時序工作流程圖

3. 十字路口要有數字顯示，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每秒減1計數方式工作，直至減到數為“0”，十字路口紅、綠等交換，一次工作循環結束，而進入下一步某方向的工作循環。

例如：當南北方向從紅燈轉換成綠燈時，置南北方向數字顯示為18，并使數顯計數器開始減“1”計數，當減到綠燈滅而黃燈亮（閃耀）時，數顯得值應為3，當減到“0”時，此時黃燈滅，而南北方向的紅燈亮；同時，使得東西方向的綠燈亮，并置東西方向的數顯為18。

4. 可以手動調整和自動控制，夜間為黃燈閃耀。

5. 在完成上述任務后，可以對電路進行以下幾方面的電路改進或擴展。

    （1）在某一方向（如南北）為十字路口主干道，另一方向（如東西）為次干道；主干道由于車輛、行人多，而次干道的車輛、行人少，所以主干道綠燈亮的時間可以選定為次干道綠燈亮時間的2倍或3倍。

（2）用LED發光二極管模擬汽車行駛電路。當某一方向綠燈亮時，這一方向的發光二極管接通，并一個一個向前移動，表示汽車在行駛；當遇到黃燈亮時，移位發光二極管就停止，而過了十字路口的移位發光二極管繼續向前移動；紅燈亮時，則另一方向轉為綠燈亮，那么，這一方向的LED發光二極管就開始移位（表示這一方向的車輛行駛）。

三、可選用器材

1. 通用實驗底板

2. 直流穩壓電源

3. 交通信號燈及汽車模擬裝置

4. 集成電路：74LS74、74LS164、74LS168、74LS248及門電路

5. 顯示：LC5011-11，發光二極管

6. 電阻

7. 開關

四、設計方案提示

根據設計任務和要求，參考交通燈控制器的邏輯電路主要框圖3.1，設計方案可以從以下幾部分進行考慮。

• 秒脈沖和分頻器
  

因十字路口每個方向綠、黃、紅燈所亮時間比例分別為5:1:6，所以，若選4

秒（也可以3秒）為一單位時間，則計數器每計4秒輸出一個脈沖。這一電路就很容易實現，邏輯電路參考前面有關課題。

• 交通燈控制器
  

由波形圖可知，計數器每次工作循環周期為12，所以可以選用12進制計數器。

計數器可以用單觸發器組成，也可以用中規模集成計數器。這里我們選用中規模74LS164八位移位寄存器組成扭環形12進制計數器。扭環形計數器的狀態表如表3.1所示。

表3.1 狀態表

根據狀態表，我們不難列出東西方向和南北方向綠、黃、紅燈的邏輯表達式：

東西方向  綠：

黃：

紅：

南北方向  綠：

黃：

紅：

由于黃燈要求閃耀幾次，所以用時標1s和EWY或NSY黃燈信號相“與”即可。

3. 顯示控制部分

顯示控制部分實際上是一個定時控制電路。當綠燈亮時，使減法計數器開始工作（用對方的紅燈信號控制），每來一個秒脈沖，使計數器減1，直到計數器為“0”而停止。譯碼顯示可用74LS248 BCD碼七段譯碼器，顯示器用LC5011-11共陰極LED顯示器，計數器材用可預置加、減法計數器，如74LS168、74LS193等。

• 手動/自動控制，夜間控制
  

這可用一選擇開關進行。置開關在手動位置，輸入單次脈沖，可使交通燈在某

一位置上，開關在自動位置時，則交通信號燈按自動循環工作方式運行。夜間時，將夜間開關接通，黃燈閃亮。

• 汽車模擬運行控制
  

用移位寄存器組成汽車模擬控制系統，即當某一方向綠燈亮時，則綠燈亮“G”

信號使該路方向的移位通路打開，而當黃、紅燈亮時，則使該方向的移位停止。如圖3.4所示，為南北方向汽車模擬控制電路。

圖3.4 汽車模擬控制電路

五、參考電路

根據設計任務和要求，交通信號燈控制器參考電路，如圖3.5所示。

六、參考電路簡要說明

1. 單次手動及脈沖電路

單次脈沖是由兩個與非門組成的RS觸發器產生的，當按下K1時，有一個脈沖輸出使74LS164移位計數，實現手動控制。K2在自動位置時，由秒脈沖電路經分頻后（4分頻）輸入給74LS164，這樣，74LS164為每4秒向前移一位（計數1次）。秒脈沖電路可用晶振或RC振蕩電路構成。

圖3.5 交通信號燈控制器參考電路

• 控制器部分
  

它由74LS164組成扭環形計數器，然后經譯碼后輸出十字路口南北、東西兩

個方向的控制信號。其中黃燈信號必須滿足閃耀，并在夜間時，使黃燈閃亮，而綠、紅燈滅。

• 數字顯示部分
  

當南北方向綠燈亮，而東西方向紅燈亮時，使南北方向的74LS168以減法計

數器方式工作，從數字“24” 開始往下減，當減到“0”時，南北方向綠燈滅，紅燈亮，而東西方向紅燈滅，綠燈亮。由于東西方向紅燈滅信號（EWR：0）使與門關斷，減法計數器工作結束，而南北方向紅燈亮使另一方向——東西方向減法計數器開始工作。

在減法計數開始之前，由黃燈亮信號使減法計數器先置入數據，圖中接入U/和的信號就是由黃燈亮（為高電平）時，置入數據。黃燈滅（Y=0）而紅燈亮（R=1）開始減計數。

• 汽車模擬控制電路
  

這一部分電路參考圖4。當黃燈（Y）或紅燈（R）亮時，則這端為高（H）電

平，在CP移位脈沖作用下，而向前移位，高電平“H”從QH一直移到QA（圖中74LS164-1）由于綠燈在紅燈和黃燈位高電平時，它為低電平，所以74LS164-1QA的信號就不能送到74LS164-2移位寄存器的RI端。這樣，就模擬了當黃、紅燈亮時汽車停止的功能。而當綠燈亮，黃、紅燈滅（G=1，R=0，Y=0）時，74LS164-1、74LS164-2都能在CP移位脈沖作用下向前移位。這就意味著綠燈亮時汽車向前運行這一功能。

要說明一點，交通燈控制器實現方法很多，這里就不一一舉例了。

課題四 汽車尾燈控制電路

一、設計任務

設計構成一個控制汽車六個尾燈的電路，用六個指示燈模擬六個尾燈（汽車每側三個燈），并用兩個撥動式（乒乓）開關作為轉彎信號源；一個兵乓開關用于指示右轉彎，一個乒乓開關用于指示左轉彎，如果兩個乒乓開關都被接通，說明駕駛員是一個外行，緊急閃爍器起作用。

圖4.1

右轉彎時三個右邊的燈應動作，左邊的燈則全滅，右邊的燈如圖4.1（a）所示，周期性明亮與暗，一周約需一秒，對于左轉彎，左邊燈的操作應相類似；當緊急閃爍起作用時，六個尾燈大約以1Hz的頻率一致地閃爍著亮與暗。同時，電路還用一個開關模擬腳踏制動器，制動時，若轉彎開關未合上（或錯誤地將兩個開關均合上的情況）所有六個尾燈均連續燃亮，在轉彎的情況下，三個轉向的尾燈應正常動作，另三個尾燈連續亮。另一個開關模擬停車，停車時，全部尾燈亮度為正常的一半。

二、提示

汽車尾燈控制電路由四部分組成，如圖4.1（b）所示，控制電路、時鐘發生電路、邏輯開關及邏輯電平指示。

（1）轉彎信號是四狀態計數電路，可由小規模觸發器構成，也可由中規模計數器構成。

（2）時鐘產生電路，可由555定時器構成1Hz信號和50Hz信號（用于停車時，尾燈亮度為正常一半）。接線圖由同學自己擬定。

三、設計要求

（1）設置轉彎信號狀態計數電路。

（2）設置時鐘發生電路（f=1Hz）。

（3）設置控制電路。

（4）設置邏輯開關。

（5）畫出汽車尾燈控制電路圖。

四、提供器材

（1）74LS11三輸入與門2片。

（2）74LS175觸發器1片。

（3）74LS20四輸入與非門3片。

（4）74LS00四兩輸入與非門3片。

（5）74LS04反相器1片。

（6）CD40106反相施密特觸發器1片。

（7）電阻、電容、導線若干。

（8）面包板2塊。

課題五 數字溫度計

一、設計任務

設計一個測試溫度范圍為0～100℃的數字溫度計。

二、提示

數字溫度計一般由溫度傳感器、放大電路、模數轉換、譯碼顯示等幾個部分組成。圖5.1是數字溫度計的原理圖。

圖5.1數字溫度計的原理圖

（1）溫度傳感器

溫度是最普通最基本的物理量，用電測法測量溫度時，首先要通過溫度傳感器將溫度轉換成電量，溫度傳感器有熱膨脹式（雙金屬元件和水銀柱開關），溫差電勢效應電壓式（熱電偶），電阻效應式電阻溫度計（有鉑、鎳及鎳鐵合金和熱敏電阻）。半導體感受式（測溫電阻、二極管和集成電路器件如AD590）。

AD590是一種單片集成的兩端式溫度敏感電流源，它有金屬殼，小型的扁平封裝芯片和不銹鋼等幾種封裝方式，它是一個電流源，所流過電流的數值（μA級）等于絕對溫度（Kelvin）的變數，其激勵電壓可以從+4V～+30V，適用的溫度范圍從-55℃～+110℃。圖5.2是它的應用示例圖。

圖5.2  AD590應用示例

（2）溫度的測量

在測量溫度時，AD590往往要接到需要電壓輸入的系統中，圖5.2是用兩個AD590和一個運算放大器進行溫度測量的基本電路，其輸出電壓VO=（T1-T2）50mv/℃，若T2=0℃，則為待測溫度，當T1=T2時，由于AD590之間的失配或者有小的溫度差，用電阻R1和R2能夠調掉偏置。

（3）溫度的數字顯示

運算放大器輸出電壓需經A/D變換、譯碼器送至數碼管顯示。應注意顯示的溫度數值與電壓之間的換算關系。

三、設計要求

（1）查閱資料選擇溫度傳感器。

（2）設計溫度測量電路（確定溫度與電壓之間的轉換關系）。

（3）設計溫度顯示電路（顯示的數字應反映被測量的溫度）。

（4）畫出數字溫度計電路圖，讀數范圍0～100℃，讀數穩定。

四、提供器材

（1）溫度傳感器AD590等。

（2）運算放大器μA741 1片。

（3）模數轉換器ADC0809 1片。

（4）譯碼器：（自選）需將二進制數轉換成BCD碼。

（5）BCD碼的七段碼顯示器74LS48 3片。

（6）數碼管（共陰性）3只。

（7）電阻、電容若干。

（8）555定時器1片。

（9）面包板2塊。

課題六  多路防盜報警電路的設計

• 設計任務
  

設計一個多路防盜報警電路，要求：

• 輸入電壓：DC12V。
• 輸出信號：同時驅動LED和繼電器。
• 具有延時觸發功能。
• 具有顯示報警地點功能。
• 可以根據需要隨時擴展報警路數。
  

• 提示
  

多路報警器采用多路輸入、同一報警輸出方式實現。輸入端帶延時觸發功能，一麻痹盜賊。多路報警器原理框圖如圖6.1

圖6.1 多路報警器原理框圖

參考電路如圖6.2所示，包括：

（1）觸發電路：按鍵S代表報警輕觸開關，當開關按下時，電容C1經電阻R1充電，實現延時觸發電路；再經過三極管BG放大，驅動晶體管Q，點亮LAMP-1指示燈，指示報警，同時信號經過二極管D觸發后續報警電路。

（2）報警電路：報警電路由NE555和驅動電路構成。

圖6.2 多路報警器參考電路

課題七 電梯控制電路設計

一、設計任務

設計一個簡易4層電梯控制電路。

二、提示

電梯控制器是控制電梯按顧客的要求自動上下的裝置。

三、任務和要求

（1）觀察電梯的工作過程，描述出所設計電梯控制電路的邏輯功能。

（2）電梯升降一層所需時間可自行設計。

（3）能記憶電梯內、外的所有請求信號，并按照電梯運行規則按順序響應，每個信號保留至執行后消失。

四、可以選用的元器件

EPM7128S、555定時器、共陰極七段數碼管、74LS48、發光二極管、按鍵開關、電阻、電容。

倒計時計時器的用途很廣泛。它可以用做定時，控制被定時的電器的工作狀態，實現定時開或者定時關，最長定時時間為999分鐘。它還可以用做倒計時記數，最長記時時間為999秒，有三位數碼管顯示記數狀態。

  設計思路: 用三個可預置數的減計數器組成三位二-十進制減計數器，用三個譯碼器和三個LED數碼管顯示器，CMOS電路組成秒/分選擇器，另外有控制電路，控制器隨著計數器計數的狀態發生改變，計時期間，用電氣開關斷開，當計時完畢時，用電氣開關閉合。

一、設計任務

出租車自動計費器是根據客戶用車的實際情況而自動計算、顯示車費的數字表。數字表根據用車起步價、行車里程計費及等候時間計費三項顯示客戶用車總費用，打印單據，還可設置起步、停車的音樂提示或語言提示。

1.自動計費器具有行車里程計費、等候時間計費和起步費三部分，三項計費統一用4位數碼管顯示，最大金額為99.99元。

2.行車里程單價設為1.80元/km，等候時間計費設為1.5元/10分鐘，起步費設為8.00元。要求行車時，計費值每公里刷新一次；等候時每10分鐘刷新一次；行車不到1km或等候不足10分鐘則忽略計費。

3.在啟動和停車時給出聲音提示。

二、設計方案

方案1 采用計數器電路為主實現自動計費。

分別將行車里程、等候時間都按相同的比價轉換成脈沖信號，然后對這些脈沖進行計數，而起價可以通過預置送入計數器作為初值，如圖1的原理框圖所示。行車里程計數電路每行車1km輸出一個脈沖信號，啟動行車單價計數器輸出與單價對應的脈沖數，例如單價是1.80元/km，則設計一個一百八十進制計數器，每公里輸出180個脈沖到總費計數器，即每個脈沖為0.01元。等候時間計數器將來自時鐘電路的秒脈沖作六百進制計數，得到10分鐘信號，用10分鐘信號控制一個一百五十進制計數器（等候10分鐘單價計數器）向總費計數器輸入150個脈沖。這樣，總費計數器根據起步價所置的初值，加上里程脈沖、等候時間脈沖即可得到總的用車費用。

圖1 出租車計費器原理框圖一

上述方案中，如果將里程單價計數器和10分鐘等候單價計數器用比例乘法器完成，則可以得到較簡練的電路。它將里程脈沖乘以單價比例系數得到代表里程費用的脈沖信號，等候時間脈沖乘以單位時間的比例系數得到代表等候時間的時間費用脈沖，然后將這兩部分脈沖求和。

如果總費計數器采用BCD碼加法器，即利用每計滿1km的里程信號、每等候10分鐘的時間信號控制加法器加上相應的單價值，就能計算出用車費用。

圖2 出租車計費器原理框圖二

方案2 采用單片機為主實現自動計費。

單片機具有較強的計算功能，以8位MCS51系列的單片機89C51加上外圍電路同樣能方便地實現設計要求。電路框圖如圖2所示

方案3 采用VHDL編程，用FPGA/CPLD制作成“自動計費器”的專用集成電路芯片ASIC，加上少數外圍電子元件，即能實現設計要求。

將各種方案進行比較，根據設計任務的要求，各方案的優缺點、設計制作所具備的條件，任選其中的一種方案作具體設計。本例作為傳統電子設計方法的實例，采用方案1實現。

三、各單元電路設計

1.  里程計費電路設計

圖3 里程計費電路

里程計費電路如圖3所示。安裝在與汽車輪相接的渦輪變速器上的磁鐵使干簧繼電器在汽車每前進10m閉合一次，即輸出一個脈沖信號。汽車每前進1km則輸出100個脈沖。此時，計費器應累加1km的計費單價，本電路設為1.80元。在圖3中，干簧繼電器產生的脈沖信號經施密特觸發器整形得到CP0。CP0送入由兩片74HC161構成的一百進制計數器，當計數器計滿100個脈沖時，一方面使計數器清0，另一方面將基本RS觸發器的Q1置為1，使74HC161（3）和（4）組成的一百八十進制計數器開始對標準脈沖CP1計數，計滿180個脈沖后，使計數器清0。RS觸發器復位為0，計數器停止計數。在一百八十進制計數器計數期間，由于Q1=1，則P2=/CP1，使P2端輸出180個脈沖信號，代表每公里行車的里程計費，即每個脈沖的計費是0.01元，稱為脈沖當量。

2．等候時間計費電路

圖4 等候時間計費電路

等候時間計費電路如圖4所示，由74HC161（1）、（2）、（3）構成的六百進制計數器對秒脈沖CP2作計數，當計滿一個循環時也就是等候時間滿10分鐘。一方面對六百進制計數器清0，另一方面將基本RS觸發器置為1，啟動74HC161（4）和（5）構成的一百五十進制計數器（10分鐘等候單價）開始計數，計數期間同時將脈沖從P1輸出。在計數器計滿10分鐘等候單價時將RS觸發器復位為0，停止計數。從P1輸出的脈沖數就是每等候10分鐘輸出150個脈沖，表示單價為1.50元，即脈沖當量為0.01元，等候計時的起始信號由接在74HC161（1）的手動開關給定。

3.計數、鎖存、顯示電路

如圖5所示，其中計數器由4位BCD碼計數器74LS160構成，對來自里程計費電路的脈沖P2和來自等候時間的計費脈沖P1進行十進制計數。計數器所得到的狀態值送入由2片8位鎖存器74LS273構成的鎖存電路鎖存，然后由七段譯碼器74LS48譯碼后送到共陰數碼管顯示。

圖5 計數、鎖存、顯示電路

計數、譯碼、顯示電路為使顯示數碼不閃爍，需要保證計數、鎖存和計數器清零信號之間正確的時序關系，如圖6所示。由圖6的時序結合圖5的電路可見，在Q2或Q1為高電平1期間，計數器對里程脈沖P2或等候時間脈沖P1進行計數，當計數完1km脈沖（或等候10分鐘脈沖）則計數結束。現在應將計數器的數據鎖存到74LS273中以便進行譯碼顯示，鎖存信號由74LS123（1）構成的單穩態電路實現，當Q1或Q2由1變0時啟動單穩電路延時而產生一個正脈沖，這個正脈沖的持續時間保證數據鎖存可靠。鎖存到74LS273中的數據由74LS48譯碼后，在顯示器中顯示出來。只有在數據可靠鎖存后才能清除計數器中的數據。因此，電路中用74LS123（2）設置了第二級單穩電路，該單穩電路用第一級單穩輸出脈沖的下跳沿啟動，經延時后第二級單穩的輸出產生計數器的清零信號。這樣就保證了“計數—鎖存—清零”的先后順序，保證計數和顯示的穩定可靠。

圖6  計數、鎖存清零信號的時序圖

圖中的S2為上電開關，能實現上電時自動置入起步價目，S3可實現手動清零，使計費顯示為00.00。其中，小數點為固定位置。

4. 時鐘電路

時鐘電路提供等候時間計費的計時基準信號，同時作為里程計費和等候時間計費的單價脈沖源，電路如圖7所示。

圖7 時鐘電路

在圖7中，555定時器產生1kHZ的矩形波信號，經74LS90組成的3級十分頻后，得到1Hz的脈沖信號，可作為計時的基準信號。同時，可選擇經分頻得到的500Hz脈沖作為CP1的計數脈沖。也可采用頻率穩定度更高的石英晶體振蕩器。

5. 置位電路和脈沖產生電路的設計

在數字電路的設計中，常常還需要產生置位、復位的信號，如SD、RD。這類信號分高電平有效、低電平有效兩種。由于實際電路在接通電源瞬間的狀態往往是隨機的，需要通過電路自動產生置位、復位電平使之進入預定的初始狀態，如前面設計中的圖5，其中S2就是通過上電實現計數器的數據預置。圖8表示了幾種上電自動置位、復位或置數的電路。

圖8 開機置位、復位和置數命令產生電路

在圖（a）中，當S接通電源時，由于電容C兩端電壓不能突變仍為零，使RD為0，產生Q置0的信號。此后，C被充電使C兩端的電壓上升到RD為1時，D觸發器進入計數狀態。圖（b）則由于非門對開關產生的信號進行了整形而得到更好的負跳變波形。圖（c）和圖（d）中的CC4013是CMOS雙D觸發器，這類電路置位和復位信號是高電平有效，由于開關閉合時電容可視為短路而產生高電平，使RD=1，Q=0；若將此信號加到SD，則SD=1，Q=1;置位、復位過后，電容充電而使RD（SD）變為0，電路可進入計數狀態。

圖（e）是用開關電路產生點動脈沖，每按一次開關產生一個正脈沖，使觸發器構成的計數器計數1次；圖（f）是用開關電路產生負脈沖，每按一次開關產生一個負脈沖。

四、電路的安裝與調試

數字電路系統的設計完成后，一個重要的步驟是安裝調試。這一步是對設計內容的檢驗，也是設計修改的實踐過程，是理論知識和實踐知識綜合應用的重要環節。安裝調試的目標是使設計電路滿足設計的功能和性能指標，并且具有系統要求的可靠性、穩定性、抗干擾能力。這里簡要敘述安裝調試數字電路的幾個步驟。

• 檢測電路元件
  

最主要的電路元件是集成電路，常用的檢測方法是用儀器測量、用電路實驗或

用替代方法接入已知的電路中。集成電路的檢測儀器主要用集成電路測試儀，還可用數字電壓表作簡易測量。實驗電路則模擬現場應用環境測試集成芯片的功能。替代法測試必須具備已有的完好工作電路，將待測元件替代原有器件后觀察工作情況。

除集成電路芯片外，還應檢測各種準備接入的其他各種元件，如三極管、電阻、電容、開關、指示燈、數碼管等。應確信元件的功能正確、可靠才能裝入電路安裝。

• 電路安裝
  

數字電路系統在設計調試中，往往是先用面包板進行試裝，只有試裝成功，經

調試確定各種待調整的參數合適后，才考慮設計成印制電路。

試裝中，首先要選用質量較好的面包板，使各接插點和接插線之間松緊適度。安裝中的問題往往集中在接插線的可靠性上，特別需要引起注意。

安裝的順序一般是按照信號流向的順序，先單元后系統、邊安裝邊測試的原則進行。先安裝調試單元電路或子系統，在確定各單元電路或子系統成功的基礎上，逐步擴大電路的規模。各單元電路的信號連接線最好有標記，如用特別顏色的線，以便能方便斷開進行測試。

• 系統調試
  

系統調試試將安裝測試成功的各單元連接起來，加上輸入信號進行調試，發現

問題則先對故障進行定位，找出問題所在的單元電路。一般采用故障現象估測法（根據故障情況估計問題所在位置）、對分法（將故障大致所在部分的電路對分成兩部分，逐一查找）、對比法（將類型相同的電路部分進行對比或對換位置）等。

系統測試一般分靜態測試和動態測試。靜態測試時，在各輸入端加入不同電平值，加高電平（一般接1千歐以上電阻到電源）、低電平（一般接地）后，用數字萬用表測量電路各主要點的電位，分析是否滿足設計要求。動態測試時，在各輸入端接入規定的脈沖信號，用示波器觀察各點的波形，分析它們之間的邏輯關系和延時。

除了調試電路的正常工作狀態外，另外特別要注意調試初始狀態、系統清零、預置等功能，檢查相應的開關、按鍵、撥盤是否可靠，手感是否正常。

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