数字电子技术。
课程设计指导书。
吴亚联主编。
湘潭大学电子工程系。
前言1一交通灯定时控制系统2
二数字电子钟计时系统6
三简易数字频率计9
四数字式竞赛抢答器12
五其它任选参考课题14
附录16数字电子技术”是电工电子类学生的专业基础课，这是一门实践性很强的课程。学习本课程的目的，主要是掌握数字电子电路的分析与设计。“数字电子技术课程设计”是一门设计性综合实验，是配合“数字电子技术”课堂教学和基本实验教学的一个重要的教学环节，课程设计中将数字电子技术的课堂教学内容与实际动手有机结合起来，培养学生理论联系实际的能力，使学生利用所学理论，设计出完整的数字系统，并进行调试，使之符合性能要求。
同时，在实验中培养学生实事求是、认真严谨的科学作风。
我们希望，通过让每个学生自己动手设计、装配、调试完成一个典型的数字系统，掌握并提高以下几方面的能力：
1）查阅电子器件手册的能力；
2）根据技术要求，选用合适的元器件设计小型的数字系统，并进行组装调试的能力；
3）具有分析、寻找和排除电子电路中常见故障的能力；
4）独立写出严谨、有理论分析、实事求是、完整的综合性设计报告的能力。
在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路**通管理的自动化。
1、 设计任务及要求。
设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：
1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。
2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。
3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。
选做扩展功能：
4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；
5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。
2、设计原理。
1）分析系统的逻辑功能，画出其框图。
交通灯定时控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：tl ：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，tl=1，否则tl=0。
ty ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，ty=1，否则，ty=0。
st ：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。
tl ty st
图1 交通灯控制系统原理框图。
2）画出交通灯控制系统的asm（算法状态机）图。
一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1：
表1控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
ag=1：甲车道绿灯亮；bg=1：乙车道绿灯亮；
ay=1：甲车道黄灯亮；by=1：乙车道黄灯亮；
ar=1：甲车道红灯亮；br=1：乙车道红灯亮。
由此得到交通灯的asm图，如图2所示：
图2交通灯控制系统的asm图。
（3）单元电路的设计。
定时器。定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号st作用下，先清零，然后在时钟上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号ty和模25的定时信号tl。
控制器。控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从asm图可以列出控制器的状态转换表，如表2所示：
表2控制器的逻辑图自行设计。
译码器。译码器的主要任务是将控制器的输出q1、q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。
译码器电路请自行设计。
表33、设计内容与步骤。
1）在multisim 工具软件中设计电路并进行**，**结果正确则进入下一步骤；
2）安装、调试定时电路；
3）安装、调试控制器电路；
4）安装、调试译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能；
5）安装、调试秒脉冲产生电路；
6）完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。
4、参考元器件。
集成电路：74ls74 1片， 74ls00 2片，74ls153 2片，74ls163 2片，ne555 1片。
电阻：52k 1只，200 6只。
电容：10f 1只 ， 0.1f 1只。
其他：发光二极管 6只。
5、 设计报告要求。
1）设计目的。
2）设计指标。
3）总体框图设计，有目标、状态分析、模块组成，并配有分析和原理说明。
4）功能模块设计，可以多个方案，包括单独测试的原理图，并有详细原理说明。
5）总电路图设计，有原理说明。
6）实验仪器、工具。
7）使用元器件。
8）总结：遇到的问题和解决办法、体会、意见、建议等。
1、设计任务及要求。
基本要求：1）用中、小规模集成电路设计一个能显示“时”、“分”、“秒”的24小时制（00~23）数字电子钟。
2）具有校时功能，可以分别对时、分进行单独校时，使其调整到标准时间。
扩展功能：3）具有整点报时功能，当时间到达整点前5秒进行蜂鸣报时。
2、设计原理。
1）框图设计。
1hz图1 数字电子钟的系统框图。
该系统由振荡器、分频器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。石英晶体振荡器和分频器产生整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度。“秒计数器”采用六十进制计数器，每累计60秒向“分计数器”进位；“分计数器”采用六十进制计数器，每累计60分向“时计数器”进位；“时计数器”采用二十**制计数器，按照“24翻1”规律计数。
“时、分、秒”计数器的输出经译码器送显示器显示。校时电路用来当计时出现误差时对“时、分、秒”进行校对调整。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发音频发生器实现报时。
2）单元电路的设计。
振荡器。振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。
一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。图1.1为晶体振荡器电路，假设取晶体的频率为100hz。
图1.1 晶体振荡器。
分频器。分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报时用的1khz的高音频信号和500hz的低音频信号等。
时分秒计数器的设计。
分和秒计数器都是模m=60的计数器，其计数规律为00-01-…-59-00…时计数器是一个“24翻1”的特殊进制计数器，即当数字钟运行到23时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为00时00分00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。
译码显示电路。
译码显示电路的功能是将“秒”、“分”、“时”计数器的输出**进行翻译，并用十进制数显示出来。
校时电路的设计。
当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）。校时是数字钟应具备的基本功能。
校“分”、“时”的原理比较简单，采用加速校时。“分”校对时利用琴键开关将秒脉冲信号送到分计数器中，使分计数器以秒的节奏快速计数。当分计数器的显示与标准时间数值相符时，松开琴键开关，分计数器继续接受来自秒计数器的输出进位信号，恢复正常工作。
同理，“时”校时电路的工作原理与“分”校时电路完全相同。
整点报时电路。
当计数器在每次计时到整点前5秒钟时，开始报时。即当“分”计数器为59，“秒”计数器为55时，报时电路发出一控制信号，并要求该信号持续时间为5秒钟，由该信号控制蜂鸣器鸣叫5声。
3、设计内容与步骤。
1）设计秒脉冲发生器；
2）设计“时”、“分”、“秒”计数器；
3）设计时分秒译码显示电路；
4）设计校时电路、报时电路，安装各单元电路，要求布线整齐、美观，便于级联与调试；
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