数字电路综合设计案例
一、要求
8.1,, 十字路口交通管理器
设计一个十字路口交通管理器，该管理器自动控制十字路口两组红、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、交通管理器应能有效操纵路口两组红、黄、绿灯，使两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间按需要和实际情况设定。
2、在某条道路上有老人、孩子或者残疾人需要横穿马路时，他们可以举旗示意，
执勤人员按动路口设置的开关，交通管理器接受信号，在路口的通行方向发生转换时，响
应上述请求信号，让人们横穿马路，这条道上的车辆禁止通行，即管理这条道路的红灯亮。
3、横穿马路的请求结束后，管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：
本课题采用自上而下的方法进行设计。1．确定交通管理器逻辑功能
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禁止通行；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，乙道禁止通行；内的车辆安全通过；
②甲道停车线以外的车辆禁止通行（必须停车），乙道仍然禁止通行，以便让甲道停车线以
③甲道禁止通行，乙道通行；
④甲道仍然不通行，乙道停车线以外的车辆必须停车，停车线以内的车辆顺利通行。
⑵、每条道路的通车时间（也可看作禁止通行时间）为30秒~2分钟，可视需要和实际情况
调整，而每条道路的停车时间即黄灯亮的时间为5秒~10秒，且也可调整。
⑶、响应老人、孩子或残疾人特殊请求信号时，必须在一次通行—禁止情况完毕后，
阻止要求横穿的那条马路上车辆的通行。换句话说，使另一条道路增加若干通行时间。
设S1和S2分别为请求横穿甲道和乙道的手控开关，那么，响应S1或S2的时间必定在甲
道通乙道禁止或甲道禁止乙道通两种情况结束时，且不必过黄灯的转换。这种规定是为了简化设计。
由上述逻辑功能，画出交通管理器的示意图如图8-1所示，它的简单逻辑流程图如图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。简单逻辑流程图中设定通行（禁止）时间为60秒，停车时间为10秒。
,,,,,,,,,,,,,,,
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 2．确定系统方案及逻辑划分
由确定的逻辑功能，进而来具体地讨论实施方案。
交通管理器与其他数字系统一样，划分成控制器和受控电
路两部分，控制器送出对受控部分的控制信号，它接受来自外部的请求信号S1和S2 以及受控部分的反馈信号，决定自身状态转换方向以及输出信号。人要横穿乙道，若S1=0，均用纽子开关产生。
⑴, 设定S1=1时为有人要横穿甲道，又设定S2=1时为有
且S2=0，则表示没有穿越马路的特殊请求。S1和S2信号
⑵, 控制器应送出甲、乙道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，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,,,,,,,,r=1,,,,乙道红灯亮
,,,,,,,,G=1,,,甲道绿灯亮
,,,,,,,,y=1,,,,乙道黄灯亮
g=1,,,,乙道绿灯亮同时又作以下规定：
①甲道通行、乙道禁止的一段时间内，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、甲道禁止的一段时间内，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=1。
在上述各种情况时，如果无特殊请求横穿马路，那么，甲、乙道交替通行60
秒钟，转换时
有10秒钟的停车或准备时间。
（3）当交通控制处于甲禁止乙通行的状态时，它只响应S1信号，因为若S2=1时，只需本状态结束，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，管理器能响应S1信号，控制器受到S1信号后，状态转换为甲禁止、乙通行状态；如果S1=0，而控制器收到S2=1信号，则维持甲道通行、乙道禁止状态，让行人通过乙道。
（4）为使交通管理器按照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单的秒信号发生器。
（5）管理器设置60秒通行时间和10秒停车时间的定时电路。定时电路接受控制器送来C1（甲道禁止乙道通行）和C2（甲道通行乙道禁止）信号，驱动60秒定时电路工作，它接受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 、L ，其中W 和P 是60秒定时结束时馈送给控制器的信号，而L 是10秒定时结束时定时电路送到控制器的反馈信号。控制器根据这些信号的状况，发生相应的状态变换。
（6）控制器的状态经译码器译出交通信号灯的控制信号，驱动甲、乙道相应灯点亮。
现在就可以画出交通管理器的结构组成图如图8-3所示。而它的控制器的详细逻辑流程图可
用图8-4示出。控制器的输出已在流程图各工作块的外侧标明。
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,
3．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。
⑴, 秒脉冲信号发生器
秒脉冲是交通管理器的时间基准，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。其中逻辑门选用74LS00四与非门。由于该电路输出信号的周期约为
T=2.2RC
在保证(R+Re)
门电路关门电阻）的
前提下，选择恰当的R 和C 值组成。
⑵,60秒和10秒定时电路时电路的方法。
定时电路有多种形式，设计者可以任选。这里介绍一种用MSI,74LS161同步计数器构成定
由于电路配置秒脉冲信号发生器，如果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60秒定时电路。由此推广，模N 计数器就是N 秒定时电路，这对于灵活调整道路通行时间是相当方便的。
以下讨论用74LS161构成N 进制计数器的方法。
74LS161具有同步预置控制端LD ，因此可以采用反馈预置法实现N 进制计数器。实现的方法为：首先使L D =0，数据输入端A=B=C=D=0，CP 来到将计数器置0（即Q D Q C Q B Q A =0000），并以此作为初态；然后使L D =1，器件在CP 作用下开始计数，当计数到（N-1）时，经与非门反馈给预置控制端L D ，又使L D =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 ）示出了根据上述原理构成的模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时必须用若干片连接。但是在连接成同步计数链时，应注意用计数器控制端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),示出了用两片74LS161组成M=60计数器的连接图，因为N=（60）10=（111100）2，故反馈预置端
,
, ，其中Q A1、Q B1和Q D1是低位片的三个触发器的输出，Q A2
和Q B2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，只有等待低位片输出为全1时，因此用低位片的溢出进位输出Q C 控制高位片的T ·P 端，当Q C =1时，高位片在输入下一个计数脉冲时接受进位，加1计数，否则为保持状态。
再则，74LS161也有异步清零功能，故可使用清零控制端Cr ，采用反馈复位法使它成为任
意进制计数器。图8-7(a),是用用反馈复位法构成的模10计数器，因为（10）10=（1010）2，由于Cr 是异步清零端，一旦Q B =1与Q D =1时，立即使计数器复0（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 ）是反馈复位法连接成的60进制计数器，工作原理请读者自行分析。
本课题允许任选反馈预置法或反馈复位法构成60秒和10秒定时电路。这里选择反馈预置法组成，如图8-8所示。
我们要注意几点：①选通信号C 1、C 2和C 3来自控制器，它们反映在何时打开哪一个定时电路的CP 控制门。②如果确定两通道通行时间均为60秒，则可用同一定时电路实现。但考虑到两道通行时间的灵活调整，即每道通行时间可在30秒~2分钟之内变动，甚至甲道和乙道通行时间不相同等等，, 故可分别用n 1和n 2秒定时电路来产生P 和W 应答信号，以供控制器判别、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n 3秒，其输出信号L 同样送至控制器。
⑶、交通管理灯选用红、黄、绿不同颜色的发光二极管组成，它们分别受控制器输出信号R 、Y 、G 、r 、y 、g 所驱动。
至此，我们可画出交通管理器受控部分硬件实施简图如图8-9所示。
4．控制器设计
⑴, 导出管理器的MDS 图
从图8-4所示的交通管理器详细逻辑流程图出发，画出相应的MDS 图如图8-10所示。在图中状态A 为甲道禁止乙道通行状态（甲R 乙g ），状态B 为甲道禁止乙道停车状态（甲R 乙y ），状态C 为甲道通行乙道禁止状态（甲G 乙r ）, 状态D 为甲道停车乙道禁止状态（甲Y 乙r ）。
⑵, 状态分配
本课题采用D 触发器作为控制器记忆元件，四个状态用两个D 触发器，状态分配如下：状态A —00、状态B —01、状态C —11、状态D —10，状态分配图如图8-11所示。
⑶、填写激励图
根据状态分配的情况，填写两个D 触发器激励函数降维卡诺图如图8-12所示。其中状态变量Q 2为高位，Q 1为低位。
,
由激励函数卡诺图求得激励函数为：
,,,,,,,,,,,,, 经化简可得,
,
,,,,,,,,,,,,,
⑷, 求输出函数方程
乙道通行、甲道禁止时（P=0）的定时电路选通信号,,,,,,,,,,,,,
甲道通行、乙道禁止时（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,,,,,,,,,,,,,
控制器驱动甲道红、黄、绿灯的信号
,,,,,,,,,,,,,
控制器驱动乙道红、黄、绿灯的信号
,,,
⑸, 控制器逻辑电路图
设计工作至此，所有方程已经求出，设计者可以选择各种SSI 、MSI 、LSI 器件来实现。
四、讨论
1．试用MSI 组合器件数据选择器和译码器实现交通管理器控制器，画出相应的控制器逻辑电路图。
2．试用集成单稳电路SN74121或SN74123组成交通管理器道路通行、禁止、停车定时电路。在此情况下，受控部分硬件实施图和控制器逻辑电路图。
3．假设甲、乙道交叉路口的交通管理按以下规则进行：⑴, 甲道通行时间为2分钟；
⑵, 甲道停车时间为20秒钟；, ⑶, 乙道通行时间为1分钟；⑷, 乙道停车时间为10秒钟；
⑸, 老人、孩子和残疾人请求过马路时，管理器立即响应，10秒钟后允许行人穿越；
⑹, 交通管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、救护车等特殊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管理器。
4．能否设计一个三、五条道路、以至六条交叉路口的交通管理器。
5．试选用MSI 时序器件74LS161、74LS194等，设计交通管理器的控制器。
6．交通管理器控制器工作过程的ASM 图，并与MDS 图设计方法相比较。
8.2,, 多路可编程控制器设计与制作
一、问题的引入：,
在实际应用中，常常需要一种能同时控制多组开关按一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控制系统。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锻炼。, （,1, ）基本了解设计数字系统的一般方法。,
（,2, ）进一步熟悉常用数字器件的使用方法。,
（,3, ）基本掌握通过逻辑分析查找数字电路故障的方法。,
（,4, ）熟悉并学会使用用于读写,EPROM, 的常用软件，掌握固化与擦除,EPROM, 的方法。,
三、设计要求：,
设计并制作出一种用于控制霓虹灯的控制器，它具有如下功能：, （,1, ）可以控制每段霓虹灯的点亮或熄灭。,
（,2, ）每段霓虹灯的点亮与熄灭可以通过,68, 编程来实现。, （,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节。, 四、所需仪器设备与器件,
示波器，稳压电源，,EPROM, 读写软、硬件，,EPROM, 擦除器。, 五、设计内容、方法与步骤：, 1．设计内容,
1）, 霓虹灯受控显示的基本原理,
我们以背景霓虹灯的一种显示效果为例，介绍控制霓虹灯显示的基本原理。设有一排,n, 段水平排列的霓虹灯，某种显示方式为从左到右每间隔,0.2, 秒逐个点亮。其控制过程如下：,
若以“,1, ”代表霓虹灯点亮，以“,0, ”代表霓虹灯熄灭，则开始时刻，,n, 段霓虹灯的
控制信号均为“,0, ”，随后，控制器将一帧,n, 个数据送至,n, 段霓虹灯的控制端，其中，最左边的一段霓虹灯对应的控制数据为“,1, ”，其余的数据均为零，即,1000, „,000, 。当,n, 个数据送完以后，控制器停止送数，保留这种状态（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，控制器又在极短的时间内将数据,1100, „,000, 送至霓虹灯
的控制端，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,0.2, 秒后，第,2, 段霓虹灯接着被点亮，即每隔,0.2, 秒显示一帧图样。如此下去，最后控制器将数据,1111, „,111, 送至,n, 段霓虹灯的控制端，则,n, 段霓虹灯被全部点亮。,
只要改变送至每段霓虹灯的数据，即可改变霓虹灯的显示方式，显然，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。,
2）系统框图,
根据设计要求，确定如图,8.1, 所示系统框图。,
8-1, 系统方框图,
框图中，右边的,D,0,-D,n, 为,n, 个发光二极管，它们与,n, 段霓虹灯相对应，二极管亮，则霓虹灯亮。下面介绍框图中各部分的功能与实现方法。,
（,1, ）移位寄存器,
移位寄存器用于寄存控制发光二极管亮、灭的数据，对应,n, 个发光二极管，移位寄存器有,n, 位输出。,
移位寄存器的输入信号取自存储器输出的,8, 位并行数据，为使电路简单，可以采用,8, 位并入并出的移位寄存器，也可以采用并入串出的移位寄存器。,
（,2, ）只读存储器,
只读存储器内部通过编程已写入控制霓虹灯显示方式的数据，控制器每间隔一段时间（显示定时）将,n, 位数据送移位寄存器，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, ）,
只读存储器可以采用常用的,EPROM,, 如,2764, 、,27128, 、,27256, 、,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寄存器。地址计数器输出的位数由存储器的大小决定。,64Kbyt, 容量的存储器对应的地址线为,16, 根，因此要求,16, 位计数器。其余可依次类推。地址计数器给出存储器的全部地址以后自动复位，重新从,0000H, 开始计数。,
地址计数器可以采用一般的二进制计数器，如,74161, 、,162, 等。, （,4, ）控制门与定时器,
控制门用于控制计数脉冲是否到达地址计数器。控制门的控制信号来自定时器，定时器启动时，控制门被关闭，地址计数器停止计数，寄存器的数据被锁存。此段时间发光二极管发光。达到定时值时，定时器反相，计数器重新开始计数。,
控制门可以用一般的与门或或门，定时器可以采用单稳态电路来实现，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寄存器。长度计数器的计数长度为,n/8,,该长度恰好保证一帧图样（,n, 位）的数据从存储器中读出送寄存器锁存。长度计数器达到长度值时自动清零，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，可以采用移位寄存器来实现。,
3, ）实用电路,
根据上面的分析，设计出如图,8.2, 所示的实用电路。,
实用电路可以控制,32, 段霓虹灯，用,32, 个发光二极管代替霓虹灯。实际电路中，霓虹灯是由开关变压器提供的电源点亮的，开关变压器通过光耦进行强、弱电隔离，从寄存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。,
电路中的移位寄存器采用,74LS374,, 当与,11, 脚相连的移位脉冲产生上升沿突变时，,8, 位数据从上至下从一个寄存器移位至另一个寄存器，构成,8, 位并行移位电路。显然，出现在,11, 脚的移位脉冲，一次只能有,4, 个。,
图,8.2, 霓虹灯显示控制器实用电路
电路中的存储器采用具有,8K, 地址的,EPROM,2764,, 电路中,2764, 的最后两根地址线,A11, 、,A12, 接地。因此，实际只用到了前面,2K, 地址的存储单元。由于只控制,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改变,A11, 、,A12, 的电平，选择其他,6K, 地址对应的图样。,
电路中的地址计数器由,3, 块,74LS161, 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。,
定时器采用,555, 组成的单稳态触发器来实现，改变可变电阻,VR, 的数值。可以改变定时器的时间，即每帧画面显示的时间。显示时间一般定在,0.1, ～,1S, 之间。,
振荡电路采用,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, 1, ）器件检测,
与每次实训一样，首先对所用器件进行检测。保证器件完好，可以减少因器件不良带来的各种麻烦。,
2, ）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，也可委托电路板厂加工。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。,
3, ）检测电路,
（,1, ）检测由,555, 组成的时钟振荡器的输出波形，正常情况应能在,U5, 的第,3, 脚观测到频率为几十,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, ）将定时器电位器,VR, 调至最小值，用示波器观测计数脉冲的波形，如电路正常，可以得到波形。如没有波形或波形为连续矩形波，则检测定时器,555, 输出端第三脚的电平。正常时可以观测到输出电平以短于,1S, 的时间周期跳变，如果不出现跳变，则定时器没有工作，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，根据电路的逻辑关系进行分析，排除故障。,
（,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，排除故障。,
（,4, ）检测寄存器,74LS374, 各引脚电平，各电平值应与电路确定的值一致，出现异常则应找出故障所在，予以排除。
3, ）排列发光二极管,
将,32, 个发光二极管按你喜欢的方式排列成一定的图形或字符。, 4, ）确定显示方式,
根据排列的图形，确定发光二极管的显示方式。, 5, ）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。为加深读者的认识，设发光二极管水平排列，显示方式为从左至右一个一个点亮。这种情况下，各地址对应的数据如表,8.1, 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, 个数为该地址及与该地址相连的其他,15, 个地址的数据，也用,16, 进制数表示。,
,
表,8.1, 一种显示方式各地址对应的数据,
0000H,00H,00H,00H,01H,00H,00H,00H,03H,00H,00H,00H,07H,00H,00H,00H,0FH,
0010H,00H,00H,00H,1FH,00H,00H,00H,3FH,00H,00H,00H,7FH,00H,00H,00H,FFH,
0020H,00H,00H,01H,FFH,00H,00H,03H,FFH,00H,00H,07H,FFH,00H,00H,0FH,FFH,
0030H,00H,00H,1FH,FFH,00H,00H,3FH,FFH,00H,00H,7FH,FFH,00H,00H,FFH,FFH,
0040H,00H,01H,FFH,FFH,00H,03H,FFH,FFH,00H,07H,FFH,FFH,00H,0FH,FFh,FFH,
0050H,OOH,1FH,FFH,FFH,00H,3FH,FFH,FFH,00H,7FH,FFH,FFH,00H,FFH,FFH,FFH,
0060H,01H,FFh,FFH,FFH,03H,FFH,FFH,FFH,07H,FFH,FFH,FFH,0FH,FFH,FFH,FFH,
0070H,1FH,FFH,FFH,FFH,FFH,3FH,FFH,FFH,7FH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,
读者读懂表,8.1, 的内容以后，就可以自己编辑显示方式了。, 6, ）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，必须注意选择编程电压时，应与实际存储器的编程电压一致。,
7, ）显示图样,
将,EPROM, 插入,IC, 插座，接通电源，即可看到发光二极管依一定的规律在点亮与熄灭。观看显示方式是否与自己设计的方式一致，如不一致，找出原因。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，必须用紫外线擦除器擦除后重写全部内容。,
六、课程设计验收,
• , 硬件制作实物完成情况，演示设计与调试的结果, • , 设计方案与说明书,
8.3 ,数字频率计的设计与制作
一、问题的引入：,
在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。,
二、设计目的：,
本设计与制作项目可以进一步加深我们对数字电路应用技术方面的了解与认识，进一步熟悉数字电路系统设计、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, ）频率测量范围：,10, ～,9999Hz, 。, （,2, ）输入电压幅度,>300mV,。,
（,3, ）输入信号波形：任意周期信号。, （,4, ）显示位数：,4, 位。,
（,5, ）电源：,220V, 、,50Hz, 四、所需仪器设备与器件,
示波器、音频信号发生器、逻辑笔、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,
1, ）数字频率计的基本原理,
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。如果我们能在给定的,1S, 时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须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基本原理。,
2, ）系统框图,
从数字频率计的基本原理出发，根据设计要求，得到如图,8.3, 所示的电路框图。,
下面介绍框图中各部分的功能及实现方法,
（,1, ）电源与整流稳压电路,
框图中的电源采用,50Hz, 的交流市电。市电被降压、整流、稳压后为整个系统提供直流电源。系统对电源的要求不高，可以采用串联式稳压电源电路来实现。,
（,2, ）全波整流与波形整形电路,
本频率计采用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。用它作普通频率计的基准信号完全能满足系统的要求。全波整流电路首先对,50Hz, 交流市电进行全波整流，得到如图,8.4, （,a, ）所示,100Hz
图,8.3, 数字频率计框图
的全波整流波形。波形整形电路对,100Hz, 信号进行整形，使之成为如图,8.4(b),所示,100Hz, 的矩形波。,
,
图,8.4, 全波整流与波形整形电路的输出波形,
波形整形可以采用过零触发电路将全波整流波形变为矩形波，也可采用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, 信号进行,100, 分频得到如图,8.5, （,a, ）所示周期为,1S, 的脉冲信号。然后再进行二分频得到如图,8.5, （,b, ）所示占空比为,50, ％脉冲宽度为,1S, 的方波信号，由此获得测量频率的基准时间。利用此信号去打开与关闭控制门，可以获得在,1S, 时间内通过控制门的被测脉冲的数目。,
触
分频器可以采用第,5, 章介绍过的方法，由计数器通过计数获得。二分频可以采用
, 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，必须对被测信号进行放大与整形处理，
图,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。信号放大可以采用一般的运算放大电路，波形整形可以采用施密特触发器。,
（,5, ）控制门,
控制门用于控制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。控制门可以用与门或或门来实现。当采用与门时，秒信号为正时进行计数，当采用或门时，秒信号为负时进行计数。,
（,6, ）计数器,
计数器的作用是对输入脉冲计数。根据设计要求，最高测量频率为,9999Hz, ，应采用,4, 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）必须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控制，将测得的数据寄存起来，送显示译码器。锁存器可以采用一般的,8, 位并行输入寄存器，为使数据稳定，最好采用边沿触发方式的器件。,
（,8, ）显示译码器与数码管,
显示译码器的作用是把用,BCD, 码表示的,10, 进制数转换成能驱动数码管正常显示的段信号，以获得数字显示。,
选用显示译码器时其输出方式必须与数码管匹配。, 3, ）实际电路,
根据系统框图，设计出的电路如图,8.6, 所示。,
图中，稳压电源采用,7805, 来实现，电路简单可靠，电源的稳定度与波纹系数均能达到要求,.
对,100Hz, 全波整流输出信号的分频采用,7, 位二进制计数器,74HC4024, 组成,100, 进制计数器来实现。计数脉冲下降沿有效。在,74HC4024, 的,Q7, 、,Q6, 、,Q3, 端通过与门加入反馈清零信号，当计数器输出为二进制数,1100100, （十进制数为,100, ）时，计数器异步清零。
图,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平时保持一段时间（,10mS, ）为高电平。,
电路中采用双,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
整形为脉宽为,1S, 、周期为,2S, 的方波。从触发器,Q, 端输出的信号加至控制门，确保计数器
只在,1S, 的时间内计数。从触发器
, 端输出的信号作为数据寄存器的锁存信号。,
被测信号通过,741, 组成的运算放大器放大,20, 倍后送施密特触发器整形，得到能被计数
器有效识别的矩形波输出，通过由,74HC11, 组成的控制门送计数器计数。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, 。由于计数器受控制门控制，每次计数只在,JK, 触发器,Q, 端为高电平时进行。当,JK, 触发器,Q, 端跳变至低电平时，
,
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。由于,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, ）以后再进行。,
显示译码器采用与共阴数码管匹配的,CMOS, 电路,74HC4511,,4, 个数码管采用共阴方式，以显示,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, 1), 器件检测,
用数字集成电路检测仪对所要用的,IC, 进行检测，以确定每个器件完好。如有兴趣，也可对,LED, 数码管进行检测，检测方法由自己确定。,
2), 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，最后固定并焊接变压器等大器件。电路连接完毕后，先不插,IC, 。,
3), 电源测试,
将与变压器连接的电源插头插入,220V, 电源，用万用表检测稳压电源的输出电压。输出电压的正常值应为＋,5V, 。如果输出电压不对，应仔细检查相关电路，消除故障。稳压电源输出正常后，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。正常情况应观测到如图,13.5(a),所示波形。,
4), 基准时间检测,
关闭电源后，插上全部,IC, 。依次用示波器检测由,U1(74HC4024),与,U3A, 组成的基准时间计数器与由,U2A, 组成的
,
触发器的输出波形，并与图,13.6, 所示波形对照。如无输出波
形或波形形状不对，则应对,U1, 、,U3,U2, 各引脚的电平或信号波形进行检测，消除故障。,
5), 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，如果电路正常，数码管可以显示被测信号的频率。如果数码管没有显示，或显示值明显偏离输入信号频率，则作进一步检测。,
6, ）输入放大与整形电路检测,
用示波器观测整形电路,U1A(74HC14),的输出波形，正常情况下，可以观测到与输入频率一致、信号幅值为,5V, 左右的矩形波。如观测不到输出波形，或观测到的波形形状与幅值不对，则应检测这一部分电路，消除故障。如该部分电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测控制门。,
7), 控制门检测,
检测控制门,U3C(74HC11),输出信号波形，正常时，每间隔,1S, 时间，可以在荧屏上观测到被测信号的矩形波。如观测不到波形，则应检测控制门的两个输入端的信号是否正常,,, 并通过进一步的检测找到故障电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测计数器电路。,
8), 计数器电路的检测,
依次检测,4, 个计数器,74HC4518, 时钟端的输入波形，正常时，相邻计数器时钟端的波形频率依次相差,10, 倍。如频率关系不一致或波形不正常，则应对计数器和反馈门的各引脚电平与波形进行检测。正常情况各电平值或波形应与电路中给出的状态一致。通过检测与分析找出原因，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。,
9), 锁存电路的检测,
依次检测,74HC374, 锁存器各引脚的电平与波形。正常情况各电平值应与电路中给出的状态一致。其中，第,11, 脚的电平每隔,1S, 钟跳变一次。如不正常，则应检查电路，消除故障。如电路正常，或消除故障后频率计仍不能正常工作，则检测锁存器电路。,
10), 显示译码电路与数码管显示电路的检测,
检测显示译码器,74HC4511, 各控制端与电源端引脚的电平，同时检测数码管各段对应引脚的电平及公共端的电平。通过检测与分析找出故障。,
, 六、课程设计验收,
1, ．硬件制作实物完成情况，演示设计与调试的结果, 2, ．设计方案与说明书,
8.4课程设计参考题目
8.,4.,1., 脉搏计
要求：实现在15S 内测量1min 的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60~80次/min
婴儿为90~100次/min，老人为100~150次/min。
8.,4.,2., 温度监控装置
某些车间和实验室里，对温度有一定要求，尤其是夏天温度太高，对工作人员的身体健康和仪器设备都有一定影响，为此需要对高温进行控制，当温度高于某一数值时，就必须驱动冷风机进行降温，同时进行报警。
设计要求及技术指标：
（1）温度测量范围：15~30℃，分辨率0.05
,,,, （2）温度控制范围：20±5℃,, ，夏天使用，由本装置驱动冷风机降温。, 交流接触器线圈
的工作电流为100μА。
,,,, （3）报警指示，当温度大于25℃, 时，用红灯报警。8.,4.,3., 数字电子计时器
高精度的计时器多采用石英晶体振荡器，由于电子钟表采用了石英技术，因而具有走时准确，稳定性好，使用方便且不需经常校对等优点。
要求及技术指标：
（1）具有时显示（00~23），分显示（00~59），秒显示（00~59）。（2）具有校时功能
（3）具有整点报时功能（模仿电台报时，前四响为低音，后一响为高音）
8.,4.,4., 串行码数字锁
设计一个简易的三位串行码数字锁，该锁应在收到三位与规定的二进制数码相符合、且开锁的程序完全正确时打开，使相应指示灯点亮；若收到代码与规定不符或者开锁程序有误，则数字锁出错指示灯点亮，且在某种规定的情况下报警。
技术指标：,,,
⑴,, 开锁代码为三位二进制数，可按照用户的意愿任意调定，例如（110）2或
（101）2等，送入代码不足三位或超过三位均不能开锁。
⑵,, 开锁程序由设计者确定，用户必须严格执行所规定之程序，方可开锁。
⑶,, 串行数字锁报警方式用指示灯的燃亮表示，也可用喇叭的鸣叫声报警。