发布时间 : 星期二 文章数字电子技术综合实训指导书更新完毕开始阅读0649bbf70229bd64783e0912a216147917117ea1
电路)组成，为此在设计时，先将系统分解成若干个单元电路。然后中，对单元电路的功能及性能，以及单元电路之间的逻辑关系、时序关系进行分析，选用合适的单元数字电路来实现各子系统。最后，将各子系统组合起来，便完成了整个完整系统的设计。按照这种由大到小，由整体到局部，再由小到大，由局部到整体的设计方法便可实现数字电路的系统设计。
下面我们提出设计数字电路的一般方法与步骤。 一、 总体方案设计
在进行数字电路设计时，首先要对设计任务进行认真的分析，明确任务，了解设计电路的性能指标。根据给定的技术指标、条件，以及功能要求，设计出组成电路的若干单元功能模块，这个过程称总体方案设计。这里的单元功能模块是指能实现特定功能的最小单元电路(或称为子系统)。在总体方案设计过程中，还要确定各单元电路之间的逻辑关系和时序关系，分析单元电路之间信号的流向。用原理方框图表示出总体设计的结果。
因为设计途径不是唯一的，满足要求的方案也不是唯一的，所以为得到一个满意的设计方案往往要针对要求，进行大量的市场调研、查阅资料、手册等工作，通过设计——验证——再设计多次反复过程，才能确定出最好的设计方案。
报时控制门 音响电路 振荡器 分频器 计数器显示电路 校时控制电路 图1 数字时钟的结构方框图
总体设计方案用系统方框图表示时，主要部分和难点可画详细一些，一般部分只需要反映设计思想、基本原理以及信号的流向就可以了。系统方框图应力求简洁、清晰。具有整电报时、校正功能的数字时钟的结构方框图如图1所示。
二、单元电路的设计
单元电路的设计是整个电路设计的实质部分。将每一部分按照总体框图的要求设计好，才能保证整体电路的质量。单元电路的设计步骤分为以下三步。
第一步：根据总体方案对单元电路的要求，明确单元电路的功能、性能指标。注意各单元电路之间的输入输出信号的逻辑关系和时序关系，尽量避免使用电平转换电路。
第二步：选择设计单元电路的结构形式。通常选择学过的熟悉的电路，或者通过查阅资料选择更合适的、更先进的电路，在此基础上高度改进，使电路的结构形式最佳。
在选择电路时充分考虑经下几个问题： 1． 电路的功能满足要求。 2． 电路的结构简单、成本低 3． 电路的性能稳定、通用性强。
第三步：计算单元电路的主要参数，从而确定元器件的类型。比如：振荡电路，无论正弦波振荡电路还时多谐振荡电路都是通过电容的充放电实现振荡的，为此要根据特定的信号频率，计算出电路中电阻、电容的大小。
第四步：画出单元电路电路图。 三、元器件的选择：
1．数字电路设计时器件的选择原则
数字电路设计时器件的选择是很重要的，因为器件的选择是否合理直接影响着电路的稳定性，以及成本和成品体积大小等问题。选择器件的原则是：在实现题目要求的前提下所选的器件最小，成本最低。最好采用同一种类型的集成电路，这样不用考虑不同类型器件之间的连接匹配问题。不同种类的器件其电特性也不一样，常用的器件是TTL和CMOS型。TTL电路的速度高，超高速TTL电路的平均传输时间约为10ns，中速TTL电路的传输时间也有50ns。CMOS电路的速度慢于TTL电路，但是CMOS电路的功耗低，输出电压幅度可调围大，抗干扰能力强。如果要求一定的输出电流，TTL电路要强于CMOS电路。一般情况下，当要求高速时，多选用TTL器件；当要求低功耗时多选用CMOS器件。
2．标准数字IC的分类及特点
数字集成电路分为两大类，第一类是双极性型TTL，一条是沿着74—74LS—74ALS系列向低功耗高速发展，另一条是沿着74H—74S—74AS向高速度发展。第二类属于单极型CMOS，沿4000A—4000B/4500B—74HC系列向高速度发展，同时又保持了低功耗的优点。 （1）、TTL型
这类集成电路是以双极型晶体管为元件，输入级采用多发射极晶体管形式，开关放大电路也由晶体管构成。在速度和功耗方面，都处于现代数字集成电路的中等水平。一般以74民用或54军用为型号前缀。
74LS系列：是现代TTL类型中的主要应用产品，也是逻辑IC重点产品之一，它的品种丰富，价格低廉，是主流产品。
74S系列：特点是速度快，但功耗比74LS系列大得多，品种比74LS系列少。 74ALS系列：特点是速度快，功耗比74LS系列低，品种比74LS系列少，价格较高。 （2）CMOS类型
这类集成电路是以场效应三极管为元件构成的。其特点如下： ① 静态功耗很低，一般中规模集成电路的静态功耗小于100μW； ② 电源电压围宽，一般工作电压在3V~18V之间； ③ 输入阻抗非常高，可达100MΩ以上；
④ 扇出能力强，低频工作时，可驱动50以上相同器件输入端； ⑤ 抗干扰容限大，电压噪声容限可达电源电压的45%； ⑥ 大部分CMOS集成电路的速度比较低。 3．使用TTL、CMOS集成电路的注意事项 （1）使用TTL电路的注意事项
①TTL集成电路的标准电源电压为5V，使用时电源电压不能超过于4.25~5.25V。不能将电源与地颠倒错接，否则将会因为电流过大导致器件过热而损坏。
②电路的各输入端不能直接接到高于5.5V或低于4..5V的低阻电源相连，，因为低阻电源能提供较大的电流，从而导致器件过热而损坏。
③除三态门和集电极开路的电路外，输出端不准许并联使用。
④输出端不准许与电流源和地短接，但可以通过上拉电阻与电源相连，以提高输出电平。 ⑤在电源接通时，不要移动或插入集成电路，电流的冲击可能造成芯片的损坏。 ⑥多余的输入端最好不要悬空，容易受干扰。有时会造成误操作，因此多余的输入端要根据需要处理。例如与门、与非门的多余输入端可接到正电源，也可以交多余端和使用端并联使用。不用的或门、或非门的输入端可以直接接地或与使用端并联使用。触发器不使用的输入端也不能悬空，应根据逻辑功能接入电平，输入端连线应尽量短，这样可以缩短时序电路中时钟信号沿传输线传输的延迟时间。一般不准许触发器的输出端直接驱动指示灯、电感负载和长线传输，需要时加缓冲器。 （2）使用CMOS集成电路时的注意事项
CMOS电路由于输入电阻很高，因此极易接受静电电荷。为了防止静电击穿，生产时输入端都加了标准保护电路。但这并不能保证绝对安全，因此使用时必须注意：
① 存放CMOS集成电路时要屏蔽。
② CMOS电路的电源电压围是3~18V，使用时电源电压的不能超过极限值。
③ 捍接电路时，一般用20W热式电烙铁，而且电烙铁应该有良好的接地线。禁止在电路通电时焊接。
④ 为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏，输入电压必须在UDDUSS与之间. ⑤ 在调试电路时，应先接通电源，后加入输入信号，即在CMOS电路本身没有接能电源的情况下，不准许有信号输入。
⑥ 多余输入端绝对不能悬空，否则不但容易接受外界噪声干扰，而且破坏了正常的逻辑关系，也消耗了功率。因此多余的输入端要根据需要处理。例如，与门和与非门的多余输入端应接到高电平或正电源，如果电路的工作速度不高，不需要特别考虑功率时，也可以将多余的输入端和使用端并联使用。
⑦ CMOS电路的输出端与电源和地不能短路，否则会造成损坏。
⑧ CMOS电路的工作电流比较小，其输出端一般只能驱动一级晶体管，如果需要驱动比较重的负载时，最简单的方法是在输出端并联接入几个反相器，所用有反相器必须在同一芯片上。
⑨ 插拨电路板电源插头时，应注意先切断电源，防止在插拨过程中烧毁CMOS电路的输入端保护二极管。
四、画总电路图
单元电路和参数设计计算好，元器件选择完毕后，则画出总体电路图。总体电路图是电路实验、调试及生产组装的重要依据，所以电路图画好之后要进行审图，检查设计过程遗漏的问题，及时发现错误，进行修改，保证电路的正确性
绘电路图要注意以下几个问题：
1．画电路图时应注意信号的流向，通常是从信号源或输入端画起，从左至右从上至下按信号的流向依次画出各单元电路。电路图的大小位置要适中，不要把电路画成窄长型。
2．连线要画成水平线或竖直线。连线要尽量短、少拐弯，电源一般用标值的方法，地线可用地线符号代替。三、四端互相连接的交叉处用线应该用圆点画出，否则表示跨越。
3．对于复杂的电路，应先画出草画，待调整好布局和连线后，再画出正式电路图。