8数字系统设计基础

《8数字系统设计基础》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第8章数字系统设计基础内容提要在前面各章中已较全面地介绍了组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析方法和设计方法。这些分析方法和设计方法是针对功能相对单一的基本逻辑单元电路进行的。实际的数字电路往往功能复杂、规模较大，是由许多功能模块组成的数字系统。本章首先介绍数字系统的基本概念，然后通过实际的例子来介绍数字系统基本设计方法。8.1数字系统概述数字系统是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。数字系统的输入输出都是数字量。数字系统的规模可大可小，不同的数字系统复杂程度差别很大，就其组成而言，都是由许多能够进行各种操作的功能部件

2、组成。数字系统一般可划分为控制单元和数据处理单元，其组成框图如图8.1-1所示。数据处理单元在控制单元的控制下完成各种逻辑运算操作，并产生系统的输出信号、数据运算状态等信息。数据处理单元主要由寄存器、运算器、数据选择器等部件组成。控制单元用于控制数据处理单元内各部分电路协调工作，它根据外部输入信号和从数据单元得到的状态信号，产生控制信号，以决定数据处理单元何时进行何种操作。控制单元属于时序逻辑电路，可由同步状态机实现。图8.1-1数字系统的组成框图需要注意的是，一些规模庞大的数字电路如存储器，并不意味是一个系统，只是一个功

3、能部件。而由几片MSI构成的数字电路，只要包括控制单元和数据处理单元就称为数字系统。传统数字系统设计方法的基本思路还是选用标准集成电路“自底向上”地构造出一个新的系统。采用这种方法必须首先确定使用器件的类别和规格，同时解决这些器件的可获得性。在设计过程中，如果出现某些技术参数不满足要求或者由于缺货更换器件，都将可PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.fineprint.cn334第8章数字系统设计基础能使前面的设计工作前功尽弃。因此这种设计方法不仅效率低、成本高而且容易出错。传统数字系统设计方法只

4、适合系统相对较小、硬件相对简单的数字系统设计。现代的数字系统设计方法是一种“自顶向下”（fromtoptodown）的设计方法。这种设计方法首先从系统设计入手，在顶层将整个系统划分成几个子系统，然后逐级向下，再将每个子系统分为若干功能模块，每个功能模块还可以继续向下划分成子模块，直至分成许多最基本模块实现。从上到下的划分过程中，最重要的是将系统或子系统划分成控制单元和数据处理单元。数据处理单元中的功能模块通常为设计者熟悉的各种功能电路，无论是取用现成模块还是自行设计，无需花费很多精力。设计者的主要任务为控制单元的设计，而控

5、制单元实际上是一个状态机。“自顶向下”设计方法将一个复杂的数字系统设计转化为一些较为简单的状态机设计和基本电路模块的设计，从而大大简化了设计难度。8.2传统数字系统设计方法本节内容以数字秒表的设计为例介绍如何采用常用的中小规模集成电路设计一个简单的数字系统。1．设计任务设计一数字秒表，该数字秒表具有以下功能：（1）计时范围00—99秒；（2）具有启停控制功能。启动时，秒表从00秒开始计时；停止时，秒表显示最后计时值。2．设计方案和原理框图从功能上来说，数字秒表实际上是一个定时器。根据前面有关计数器的知识可知，当计数器采用频

6、率稳定的周期性时钟信号时，计数器可实现定时器的功能，因此，数字秒表可采用计数器作为核心部件来完成计时功能。根据设计指标，数字秒表的计时范围为00—99秒，共有100个不同的计时值，因此需要一个100进制的计数器。为了符合人们的习惯，100进制计数器应采用8421BCD码输出。为了把计时值通过显示器件显示出来，数字秒表还应包括显示译码电路和显示器件。除此之外，数字秒表还应包括计数器的时钟信号产生电路、启停控制电路。在分析理解题意后，可设计出如图8.2-1所示的数字秒表原理框图。从图8.2-1可知，数字秒表由振荡电路、分频电路

7、、计数电路、译码显示电路和启停控制电路几部分构成。各部分电路简要说明如下：（1）计数电路。计数电路由十位计数器和个位计数器两个十进制加法计数器构成。十位计数器和个位计数器分别用于秒表的十位和个位计时。个位计数器的计数脉冲来自分频电路，十位计数器的计数脉冲来自个位计数器计数输出。十位计数器和个位计数器均为8421BCD码输出。（2）译码显示电路。译码显示电路由BCD-七段显示译码驱动电路和LED数码管组成。它将计数器的输出8421BCD码转化为七段显示码，然后送七段LED数码管显示。PDF文件使用"pdfFactoryPro

8、"试用版本创建www.fineprint.cn8.2传统数字系统设计方法335（3）振荡电路：产生10Hz的方波信号。（4）分频电路。将振荡电路产生的方波信号通过十分频得到1Hz的秒信号。（5）启停控制电路：通过一个按钮开关控制数字秒表的启动和停止。图8.2-1数字秒表原理框图2．单元电路设计（1）振荡