数字电路小系统的设计实验文档格式.docx
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当逻辑符号框图外引脚没有小圆圈时，那么该引脚对应的变量名与框图内符号一样，但用斜体表示是变量。
例如，图3.3.1中的A0、A1、A2和E3；
当框图外引脚有小圆圈时，那么该引脚对应的变量名是在框内符号上冠一非号，例如，图3.3.1中的
、
、…
和
。
以后框图外引脚对应的变量名不再标出，但使用时按照以上规定。
但要注意这只是教材的规定，并不是标准，其它的参考书或器件手册中的标法可能会五花八门。
因此，使用器件时，大家学会使用器件的方法是最重要的，这样面对不断出现的新器件才不会束手无策。
通过大量的使用集成器件，大家会发现使用中小规模的集成器件只要了解以下几点即可：
1）当输入信号端有小圆圈（一般是控制输入端），表示该端为低电平有效，当输出信
号端有小圆圈，表示器件工作时该端输出低电平有效；
2）多控制端芯片只有当所有控制端同时有效时，才可以实现芯片的逻辑功能；
3）如果资料中给出了器件的功能表，要学会看对应的功能表，器件功能以功能表为准；
4）资料也是经常会有出错的情况，遇到问题可以通过实验来最后验证。
2.集成计数器
计数器的功能是累计输入脉冲个数。
它是数字系统中使用最为广泛的时序逻辑部件。
计数器的种类非常繁多，为了降低集成电路的价格，所以厂家会批量生产通用的十六进制（二进制）和十进制计数器。
虽然有通用的十六进制和十进制计数器，但实际应用中时常会用到其它进制计数，比如，数字钟的24和60进制等，对于其它进制计数器的设计，可以通过教材中介绍的使用反馈的方法来实现。
例如，现有一块十六进制计数器74LS393，其功能如表3.3.1，管脚符号如图3.3.3。
使用74LS393的清0端MR端作为反馈清0，实现十进制计数器如图3.3.4所示。
图3.3.5给出了24进制计数器设计举例。
3.LED（LightEmittingDiode）显示器（七段数码管）
LED显示器在许多的数字系统中作为显示输出设备，使用非常广泛。
它的结构是由发光二极管构成如图3.3.6所示的a、b、c、d、e、f和g七段，并由此得名，实际上每个LED还有一个发光段dp，一般用于表示小数点，所以也有少数的资料将LED称为八段数码管。
LED内部的所有发光二极管有共阴极接法和共阳极接法两种，即将LED内部所有二极管阴极或阳极接在一起并通过com引脚引出，并将每一发光段的另一端分别引出到对应的引脚，LED的引脚排列一般如图3.3.6所示，使用时以具体型号的LED资料为依据。
通过点亮不同的LED字段，可显示数字0，1,┅，9和A，b，C，d，E，F等不同的字符及自定义一些段发光代表简单符号。
图3.3.7为LED的使用举例，图中的LED为共阳极接法，因此，com端接5V电压，其它引脚端通过限流电阻接到锁存器74LS373的输出，当各段输入端为逻辑“1”，对应的LED不亮；
各段输入端为逻辑“0”时，对应LED才发亮。
使用时要根据LED正常发光需要的电流参数估算限流电阻取值。
电阻取值越小，电流大，LED会更亮，但要注意长时间过热使用烧坏LED。
在实验中当共阳极LED与74LS47译码器配合使用时，因为
不是每个引脚接限流电阻，故需要在总回路中限流，应在com端图3.3.6LED结构和引脚
图3.3.7LED显示举例
和Vcc之间串接1个470Ω限流电阻，如图3.3.6所示
表3.3.2BCD码与LED相应发光段对照表
LED多数情况用于显示十进制数字，要将0～9的数字用7段显示，必须将数字转换为LED对应七段码的信息，比如，要显示“0”，就是让a、b、c、d、e和f段发光，显示“1”，
让b和c段发光，等等如表3.3.2所示。
然后根据LED是共阴极还是共阳极接法确定LED各输入端应接逻辑1还是逻辑0，如果是共阳接法，要显示“0”时，a、b、c、d、e和f段就要输入逻辑0，共阴极接法则恰巧相反。
也就是说，对于共阴极和共阳极两种不同的接法，显示同一个字符时，对应的显示段码是不同的，互为反码。
表3.3.2列出了这两种接法下的字形段码关系表。
表中的段码数字是以LED的8段与二进制字节数以下列对应关系为前提得到的：
比如为了显示“0”，对应共阴极应该使D7D6D5D4D3D2D1D0=00111111B，即3FH；
对共阳极应该使D7D6D5D4D3D2D1D0=11000000B，即C0H。
如表3.3.3所示，从表中可以看出，对于同一个显示字符，共阴极和共阳极的七段码互为反码。
将待显示内容“翻译”为LED段码的过程，可以由软件查表方法实现译码，这在学习微型计算机有关课程时会使用。
也可以采用专用芯片，比如，带驱动的LED七段译码器74LS47及74LS48、74LS49等，依靠硬件实现译码。
表3.3.37段LED显示器字符段码表
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
3FH
C0H
C
39H
C6H
1
06H
F9H
d
5EH
A1H
2
5BH
A4H
E
79H
86H
3
4FH
B0H
F
71H
8EH
4
66H
99H
·
80H
7FH
5
6DH
92H
P
73H
82H
6
7DH
U
3EH
C1H
7
07H
F8H
T
31H
CEH
8
Y
6EH
91H
9
6FH
90H
8.
FFH
00H
A
77H
88H
“灭”
b
7CH
83H
┇自定义
┇
4．七段译码器
七段译码器也称为BCD—七段显示译码器，顾名思义，它是将输入的BCD码翻译成LED显示该BCD的七段信息输出。
七段译码器有输出低电平有效和高电平有效的多种型号。
当选用的LED是共阳极接法时，应使用低电平输出有效的七段译码器，如7446和7447等；
当选用的LED是共阴极接法时，应使用高电平输出有效的七段译码器，如7448和7449（OC输出）等。
七段译码器驱动LED的原理如图3.3.8所示，图中的“？
”是表示LED和七段译码器之间一般还要接限流电阻或其它匹配电路，或者驱动译码器是OC输出，需要接上拉电阻。
七段译码器内部一般包含了LED的驱动电路，驱动共阳极LED的译码器（输出低电平对应段亮）驱动电流一般较大（灌电流），如果该电流与LED器件的正常工作电流近似，那么可以直接驱动LED，如果驱动电流大于LED正常电流许多，那么两者之间要加限流电阻，根据LED的参数估算限流电阻的大小；
如果七段译码器驱动能力不够大，特别是驱动共阴极LED时，可以在两者之间加适当的上拉电阻，比如7448驱动共阴极的BS201时，要LED有正常显示亮度就要加上拉电阻。
LED也有多种型号，如BS211、BS212、BS213为共阳型；
BS201、BS202、BS203为共阴型。
每种型号的LED厂家手册都提供了详细功能及参数介绍（可以通过资料或网络查找），比如，七段共阴磷砷化镓显示器BS201主要参数：
1）消耗功率PM＝150mW
2）最大工作电流IFM＝100mA
3）正常工作电流IF＝40mA
4）正向压降VF≤1.8V
5）发红色光
6）BS201燃亮电压为5v
共阴极BS202LED的PM＝300mW，IFM＝200mA，IF＝60mA，VF≤1.8V，VR≥5V，发红光。
实验中采用七段共阳极数码管（TFK－433）和74LS47七段驱动器，查找它们的详细资料，分析两者之间应如何连接？
画出连线图。
5．多个LED的动态扫描显示
在许多实际的系统中，经常需要多个LED显示系统的信息，比如，数字钟实验要显示时、分和秒信息，就必须要6个LED，对这些LED的控制也可以和上面一位LED显示器一样，采用6个七段译码器驱动每一个LED,并使所有LED的公共端始终接有效信号，即共阴极LED公共端接地，共阳极LED公共端接电源。
这种LED显示方式称为静态显示方式。
采用静态方式,LED亮度高，但这是以复杂硬件驱动电路作为代价的，硬件成本高。
图3.3.9多位LED动态显示电路
因此,在实际使用时,特别是有微处理器的系统中，如果用多位的LED显示,一般采取动态扫描方式、分时循环显示，即多个发光管轮流交替点亮。
这种方式的依据是利用人眼的滞留现象，只要在1秒内一个发光管亮24次以上，每次点亮时间维持2ms以上，则人眼感觉不到闪烁，宏观上仍可看到多位LED同时显示的效果。
动态显示可以简化硬件、降低成本、减小功耗。
图3.3.9是一个6位LED动态显示电路，段驱动器输出LED字符7段代码信息，位驱动器输出6个LED的位选信号，即分时使Q0～Q5轮流有效，使得LED0～LED5轮流显示。
6.熟悉计数器、七段译码器和LED显示器逻辑功能
按图3.3.4连线，用74LS393实现一位十进制计数器；
由七段共阳极数码管（TFK－433）显示计数结果，其引脚排列同图3.3.6；
数码管由BCD—七段显示译码器（74LS47）驱动，其引脚排列如
图3.3.10所示。
TFK－433和74LS47之间按实验前准备分析的方式连接。
一位十进制计数器的译码、显示电路原理图如图3.3.11所示，
搭接电路并实验。
ET-3200A数字学习机上的1Hz信号可以作为计数输入，或者用555定时器构成1Hz信号作为计数器时钟输入。
7．验证人眼的滞留现象
首先，将ET-3200A学习机上的1Hz时钟信号接到逻辑显示器的L4端，观察L4的显示效果；
然后，将1KHz时钟信号接到逻辑显示器的L4端，观察L4的显示效果；
最后将100KHz时钟信号接到逻辑显示器的L4端，观察L4的显示效果。
记录观察的到现象，分析原因。
8．555定时器组成的多谐振荡器
555定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。
它结构简单、性能可靠、使用灵活，通过外接少量的电阻和电容元件即可组成多种波形发生器，广泛应用于定时延迟控制电路、报警、检测、自控及家用电器等。
555定时器有TTL和CMOS两种结构类型，多种型号。
该实验使用5G555构成多谐振荡器。
5G555的功能如表3.3.4所示，引脚排列如图3.3.12所示。
电路芯片各引脚功能为：
1脚——（CND）地
2脚——（
）低电平触发（<
十
）
3脚——（OUT）输出端
4脚——（
）复位端（不用时接Vcc）
5脚——（C-U）电压控制端，可改变上、下触发电位，不使用时通过0.01uF电容接到地。
6脚——（TH）高电平触发（>
7脚——（DIS）放电端
8脚——（Vcc）电源端（Vcc=5V～18V）
表3.3.4.5G555功能表
TH
OUT
DIS
X
L
导通
H
不变
截止
由功能表3.3.4可见，555的输出逻辑主要由以下3个引脚控制
1）引脚4——复位端
为0则输出OUT为逻辑0；
2）引脚6——高电平触发TH>
，DIS放电管导通，输出OUT为0；
3）引脚2——低触发电平
<
，DIS放电管截止，输出OUT为1。
由555定时器构成的多谐振荡器电路如图3.3.13所示，所产生的信号振荡频率为：
f=1/（T1+T2）=1.44/（R1+2R2）C
试选择电路的R1、R2和C参数，若R1＝20KΩ、R2＝62KΩ、C＝10uF和C＝0.01uF时，计算输出信号的周期、频率各为多少？
VDDuC
R1
uO
R2t
uOt1t2t3t4
uC
CT1T2
t
（a）（b）
图3.3.13555定时器构成的多谐振荡器及工作波形图
（a）电路图（b）波形图
9．数字钟结构框图
图3.3.14数字钟结构框图
在进行一个设计之前首先要搞清楚命题要求，划分系统，给出设计框图。
对于一个简单的数字钟系统，其结构一般如图3.3.14所示，主要包括时间基准电路、计数器电路、控制电路、译码和显示电路。
其中的控制逻辑电路是比较灵活多样的，不断完善它可以增强数字钟的功能。
时基电路可以由石英晶体振荡电路构成，如果晶振频率为1MHz，经过6次十分频就可以得到秒脉冲信号；
也可以用5G555多谐振荡器组成。
计数器实现时分秒计时，秒和分采用60进制计数，时采用24进制计数。
可以由多片中规模集成计数器实现。
译码电路可以由七段译码器完成，显示由6个LED构成。
控制电路由数字钟功能确定，功能越多控制电路当然就越复杂。
图3.3.15手动校“分”电路
比如，要求数字钟实现校时功能，那么就需要在“时”“分”“秒”的计数输入端加入校时控制电路，图3.3.15为一个手动校“分”的常用例子，当控制开关K在1位置，电路处于正常计时状态，当控制开关K在2位置，通过手动单次脉冲开关进行校分。
校时也可以通过同样的方法实现。
在实验中用手动校“秒”就没有多大意义了。
三、实验内容和步骤
根据前边知识的预习及准备，要求画出设计原理图及实验连线图，用开放实验下发的元器件和面包板，设计一个包含脉冲波形产生的计数、译码、显示及控制逻辑等部件的数字电子钟系统，在面包板上实现。
根据设计的数字钟电路连线图，课外搭接好电路。
1.前3学时内完成以下单元电路调试和总体电路联调：
1）用555定时器设计一个频率符合要求的脉冲波形产生电路；
2）用74LS393和74LS08设计一个二位计数器电路；
3）用74LS47和LED显示器设计一个二位译码、显示电路；
4）完成二位计数、译码、显示电路；
5）组合完成一个含有计数、译码、显示及控制逻辑的数字钟系统。
2.后3学时内完成相关电路波形的参数测试和数据分析：
1）更换脉冲波形产生电路中的电容，用LED指示灯观测输出频率的变化，并分析RC与频率变化的关系；
2）用双踪示波器测量555定时器组成的脉冲波形产生电路中，电容C上的充、放电电压Vc波形与输出电压Vo波形之间的相位关系，正确标出波形幅值、周期和脉宽；
将测量得到的数据与理论计算值比较，分析误差。
3）用双踪示波器观测74LS393计数器CP与各Q端波形的相位关系，即从0000状态开始，正确画出CP与Q3、Q2、Q1、Q0的十进制波形图。
四、实验报告：
实验题目：
数字电路小系统设计1.设计报告：
1）目的、任务及要求；
2）电路组成及工作原理。
2.调试报告：
1）所用仪器及实验器材；
2）实验电路管脚连线图；
3）调试方法及步骤（单元调试，总体联调）；
4）脉冲波形产生电路参数（R1、R2、C）计算及元件选取；
5）RC的不同组合与频率的关系；
6）正确记录并分析如下各点波形：
（1）用示波器测量脉冲波形产生电路中，电容C上的充、放电电压Vc波形与输出电压Vo波形之间的相位关系，正确标出波形幅值、周期和脉宽；
并将测量得到的实验数据与理论计算值比较，分析误差。
（2）用示波器观测计数器CP与各Q端波形的相位关系，即从0000状态开始，画出CP与Q3、Q2、Q1、Q0的十进制波形图。
3.总结报告：
1）总结单元电路调试、总体电路联调方法；
2）在不损坏元器件且学有余力的情况下，调试中同学可以互设故障，相互排除，交流讨论，激发学习兴趣，提高分析和解决实际问题的能力，把所得收获充实到报告中。
3）附上实验原始记录，写出存在问题和建议。
五、实验设备
双踪示波器、函数发生器、数字学习机、开放实验面包板、万用表、双路直流稳压电源。
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