9.2.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

傳統(tǒng)數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括：滿足性能指標(biāo)要求的總體方案的選擇、各部分原理電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)值的計(jì)算、電路的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試以及參數(shù)的修改、調(diào)整等環(huán)節(jié)。這是各類電子產(chǎn)品和各種應(yīng)用數(shù)字電路系統(tǒng)研制過(guò)程中必不可少的設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)在電子工程應(yīng)用領(lǐng)域里占有很重要的地位。其設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低不僅直接影響到產(chǎn)品或電路性能的優(yōu)劣，還對(duì)研制成果的經(jīng)濟(jì)效益有著舉足輕重的作用。

一、設(shè)計(jì)內(nèi)容

數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為“數(shù)字電路”課程的一部分，其內(nèi)容仍然是以電子技術(shù)基礎(chǔ)的基本理論為指導(dǎo)，將設(shè)計(jì)課題分為基礎(chǔ)型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)型兩個(gè)層次。其中基礎(chǔ)型基本上是指數(shù)字電路的基本單元電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)型是指由若干個(gè)模、數(shù)基本單元電路組成并能完成一定功能的應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

二、設(shè)計(jì)方法

數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指完成滿足一定性能指標(biāo)、邏輯功能或特定應(yīng)用功能的電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。

1．  傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)步驟

（1）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定輸入與輸出。

（2）詳細(xì)編制技術(shù)規(guī)格書(shū)，畫(huà)出系統(tǒng)控制流圖。

（3）對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行細(xì)化，合理劃分功能模塊，并畫(huà)出系統(tǒng)功能框圖。

（4）細(xì)化功能模塊，對(duì)每一個(gè)細(xì)化模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)并正確選擇元器件。

（5）各功能模塊的調(diào)試、仿真。

（6）各功能模塊硬件連接，進(jìn)行系統(tǒng)硬件調(diào)試、整理。

（7）根據(jù)調(diào)試結(jié)果調(diào)整硬件設(shè)計(jì)，最終完成整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2．  傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)

（1）采用自下而上（Bottom Up）的設(shè)計(jì)方法：

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是選擇具體的元器件，并利用這下元器件進(jìn)行邏輯電路設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)各個(gè)獨(dú)立的功能模塊，最后將各功能模塊連接起來(lái)，完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。該過(guò)程是從最底層開(kāi)始設(shè)計(jì)，直至到最高層設(shè)計(jì)完畢。因此是一種自下而上的設(shè)計(jì)方法。

（2）采用通用的邏輯元器件：

設(shè)計(jì)者總是根據(jù)系統(tǒng)的具體需要，選擇市場(chǎng)上容易購(gòu)買到的邏輯元器件，來(lái)構(gòu)成所要求的邏輯電路，從而完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。盡管隨著微處理器的出現(xiàn)，在由微處理器及其相應(yīng)硬件構(gòu)成的系統(tǒng)中，許多系統(tǒng)的硬件功能可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這種選擇通用元器件來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)硬件電路的方法并未改變，尤其在微處理器的外圍電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法仍然具有重要的作用。

（3）在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的后期進(jìn)行仿真和調(diào)試：

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法中，仿真和調(diào)試通常只能在后期，即完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以后才能進(jìn)行。因?yàn)檫M(jìn)行仿真和調(diào)試的儀器一般為系統(tǒng)仿真器、邏輯分析儀和示波器等，故只有在硬件系統(tǒng)已經(jīng)構(gòu)成的情況下才能使用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)存在的問(wèn)題只有在后期才較容易發(fā)現(xiàn)，因此對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求較高。

（4）主要設(shè)計(jì)文件是電路原理圖

    用傳統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并調(diào)試完畢后，所形成的硬件設(shè)計(jì)文件，主要是由若干張電原理圖構(gòu)成的，圖中詳細(xì)的標(biāo)注了各個(gè)邏輯單元、邏輯器件的名稱和相互間的信號(hào)連接關(guān)系，是用戶使用和維護(hù)系統(tǒng)的主要依據(jù)，同時(shí)電原理圖形象、直觀、易讀，為廣大電子工程技術(shù)人員所熟悉。因此對(duì)于系統(tǒng)相對(duì)較小、硬件相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方法仍然具有一定的優(yōu)勢(shì)

三、總結(jié)報(bào)告

完成每一設(shè)計(jì)課題后，必須寫(xiě)出一份總結(jié)報(bào)告?？偨Y(jié)報(bào)告中應(yīng)包括以下內(nèi)容：

1．設(shè)計(jì)題目名稱。

2．設(shè)計(jì)任務(wù)和要求。

3．原理電路的設(shè)計(jì)。這部分的內(nèi)容應(yīng)包括：

(1)方案比較。你選擇過(guò)哪幾種方案，分別畫(huà)出原理框圖，說(shuō)明原理和優(yōu)缺點(diǎn)，最后選擇了哪個(gè)方案。

(2)單元電路的設(shè)計(jì)和主要參數(shù)的計(jì)算。

(3)元、器件的選擇。

(4)畫(huà)出完整的電路圖和必要的波形圖，電路圖上要標(biāo)出元器件的型號(hào)與參數(shù)值。

(5)說(shuō)明電路的主要工作原理。

4．說(shuō)明有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量方法；整理出實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)波形，分析是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5．設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題及其解決方法。

6．列出參考文獻(xiàn)。

9.2.2  總體設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)一個(gè)常用的數(shù)字電路系統(tǒng)(模擬電路與數(shù)字電路)時(shí)，首先必須明確設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)按圖9.2.1所示的一般數(shù)字電路設(shè)計(jì)步驟示意圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。但數(shù)字電路的種類很多，器件選擇的靈活性很大。因此設(shè)計(jì)方法和步驟也會(huì)因不同情況而有所區(qū)別。有些步驟需要交叉進(jìn)行，甚至反復(fù)多次，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體情況，靈活掌握。

所謂總體設(shè)計(jì)是指：針對(duì)所提出的任務(wù)、要求和條件，用具有一定功能的若干單元電路構(gòu)成一個(gè)整體，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。顯然，符合要求的總體設(shè)計(jì)方案不止一個(gè)，應(yīng)該針對(duì)設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，查閱資料，利用掌握的知識(shí)提出幾種不同的可行性方案，然后逐個(gè)分析每個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，加以比較，進(jìn)行方案論證，擇優(yōu)選用。

在方案的選擇過(guò)程中，可用框圖表示總的原理電路?？驁D不必畫(huà)得過(guò)于詳細(xì)，只要能正確反映各組成部分的功能和系統(tǒng)應(yīng)完成的任務(wù)即可。

9.2.3 單元電路及參數(shù)確定

單元電路設(shè)計(jì)的一般步驟：

一．根據(jù)設(shè)計(jì)要求和已選定的總體方案原理圖，明確對(duì)各單元電路的要求，詳細(xì)擬定各單元電路的性能指標(biāo)，注意各單元電路輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、控制信號(hào)之間的關(guān)系與相互配合，注意盡量少用或不用電平轉(zhuǎn)換之類的接口電路。

二．設(shè)計(jì)各單元電路的結(jié)構(gòu)形式

在選擇單元電路的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，最簡(jiǎn)單的辦法是從過(guò)去學(xué)過(guò)的和所了解的電路中選擇一個(gè)合適的電路。同時(shí)還應(yīng)去查閱各種資料，通過(guò)學(xué)習(xí)、比較來(lái)尋找更好的電路形式。一個(gè)好的電路結(jié)構(gòu)應(yīng)該是滿足性能指標(biāo)的要求，功能齊全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理，技術(shù)先進(jìn)等。

三．主要參數(shù)的計(jì)算與選取

參數(shù)計(jì)算的具體方法參閱模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)以及各類實(shí)用電子技術(shù)書(shū)籍。但設(shè)計(jì)電路時(shí)的參數(shù)計(jì)算與做習(xí)題不一樣。習(xí)題求解時(shí)通常的參數(shù)值為已知量，需要求解的只有1～2個(gè)參數(shù)，正確的答案一般也只有一個(gè)。而電路設(shè)計(jì)時(shí)除了對(duì)電路的性能指標(biāo)有要求外，通常沒(méi)有其它任何已知參數(shù)，幾乎全部由設(shè)計(jì)者自己選擇和計(jì)算，這樣理論上滿足要求的參數(shù)值就不會(huì)是唯一的了，這需要設(shè)計(jì)者根據(jù)具體情況靈活選擇。所以設(shè)計(jì)電路中的參數(shù)計(jì)算，首先是計(jì)算，然后是根據(jù)計(jì)算值，對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理選擇。

四．元、器件的選擇

關(guān)于元、器件的選擇問(wèn)題，將在下面加以介紹。

9.2.4 數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的若干問(wèn)題

一．元、器件的選擇

數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從某種意義上來(lái)講，就是選擇最合適的元、器件。不僅在設(shè)計(jì)單元電路，計(jì)算參數(shù)時(shí)要考慮選什么樣的元、器件合適，而且在提出方案，分析、比較方案的優(yōu)缺點(diǎn)作方案論證時(shí)，首先也要考慮選用哪些元、器件以及它們的性價(jià)比如何。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇好元、器件是很重要的一步。首先必須清楚設(shè)計(jì)的單元電路需要什么樣的元、器件，也就是你選用的元、器件應(yīng)有什么樣的性能指標(biāo)。

其次是有哪些可供你選用的元、器件，如哪些元、器件容易購(gòu)買，哪些型號(hào)可以替換，它們的性能各是什么，體積多大等。

要做到更多的了解元、器件(主要指了解器件的性能、特點(diǎn)與使用要點(diǎn)等)，必須多查資料。這樣不但對(duì)電路的合理選擇、設(shè)計(jì)有利，而且對(duì)以后階段設(shè)計(jì)調(diào)試的正常進(jìn)行也有很大幫助。

數(shù)字電路的元、器件主要有：電阻、電容、分立元件和集成電路芯片等。有關(guān)這方面的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱其它資料。下面簡(jiǎn)單介紹選擇時(shí)的注意要點(diǎn)：

1. 器件選用原則

由于集成電路具有體積小、功耗低、工作性能好、安裝調(diào)試方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用，成為數(shù)字電路系統(tǒng)的重要組成部分之一。因此，在數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，優(yōu)先選用集成電路已成為人們所認(rèn)可的一致看法。

但是也不要以為采用集成電路就一定比用分立元件好。例如有些功能相當(dāng)簡(jiǎn)單的電路，只要用一只三極管或二極管及幾個(gè)電阻就能解決問(wèn)題，就不必選用集成電路了。如數(shù)字電路中的緩沖、倒相、驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用場(chǎng)合就是如此。另外有些特殊應(yīng)用情況(如高電壓、大電流輸出)，采用分立元件往往比用集成電路更切合實(shí)際。

2. 模擬集成電路的選擇

在數(shù)字電路系統(tǒng)中，如果使用到傳感器系統(tǒng)，這可能使用到模擬電路。常用的模擬集成電路主要有運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬乘法器、集成穩(wěn)壓塊、鎖相環(huán)、函數(shù)發(fā)生器等。設(shè)計(jì)中選擇模擬集成電路的方法一般是先粗后細(xì)：先根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案考慮選用什么類型的集成電路，如運(yùn)算放大器有通用型、低漂移型、高阻型、高速型等，然后再進(jìn)一步考慮它的性能指標(biāo)與主要參數(shù)，如運(yùn)算放大器的差模和共模輸入電壓范圍、輸出失調(diào)參數(shù)、開(kāi)環(huán)差模電壓增益、共模抑制比、開(kāi)環(huán)帶寬、轉(zhuǎn)換速率等。這些參數(shù)值是選擇集成運(yùn)算放大器的主要參考依據(jù)。最后應(yīng)綜合考慮價(jià)格等其它因素而決定選用什么型號(hào)的器件。

3. 數(shù)字集成電路的選擇

數(shù)字集成電路(簡(jiǎn)稱數(shù)字IC)的發(fā)展速度非?？欤?jīng)過(guò)近幾十年的更新?lián)Q代，到目前為止，已形成多種系列化產(chǎn)品同時(shí)并存的局面，各系列品種的功能配套齊全，可供用戶自由選擇。在選擇數(shù)字集成電路時(shí)，必須了解：

數(shù)字集成電路的種類和特點(diǎn)

數(shù)字IC系列產(chǎn)品大體上分為TTL型、ECL型、CMOS型等三大類。

(1)TTL類型

這是以雙極型三極管為開(kāi)關(guān)元件，屬雙極型數(shù)字IC。其典型產(chǎn)品為54／74系列數(shù)字集成電路，其中54系列為軍品，74系列為民品。TTL類型主要有8個(gè)品種系列，分別是標(biāo)準(zhǔn)型74系列、高速74H系列、肖特基74S系列、低功耗74L系列、低功耗肖特基74LS系列、先進(jìn)肖特基74AS系列、先進(jìn)低功耗肖特基74ALS系列、高速肖特基74F系列。TTL類型的發(fā)展過(guò)程是，其一，沿著74→74H→74S→74AS向高速化發(fā)展。其二，沿著74→74LS→74ALS向低功耗高速度方向發(fā)展。

TTL類型的主要特點(diǎn)有：

●不同系列的產(chǎn)品相互兼容，選擇余地大。

●參數(shù)穩(wěn)定，使用可靠。

●工作速度和功耗均介于ECL型與CMOS型之間，具有較寬的工作速度范圍。

●采用+5V電源供電。

(2)ECL類型

ECL(發(fā)射極耦合邏輯)和TTL一樣也是雙極型數(shù)字IC。其系列產(chǎn)品主要有ECL—10K與ECL—100K兩種系列，產(chǎn)品限于中小規(guī)模集成電路。其主要特點(diǎn)是：

●工作速度快。ECL門電路的傳輸延遲時(shí)間可縮短至1ns以內(nèi)，是現(xiàn)代數(shù)字IC中工作速度最快的一種。適用工作頻率范圍為100～1000MHz。

●輸出內(nèi)阻低，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。

●功耗大；輸出電平穩(wěn)定性較差；噪聲容限比較低；抗干擾能力較差。

(3)CMOS類型  

CMOS數(shù)字IC是用MOSFET作開(kāi)關(guān)元件，屬單極型數(shù)字IC。其系列產(chǎn)品主要有標(biāo)準(zhǔn)型（4000系列、4500系列）、40H型、74HC型與74AC型等4種。

CMOS集成電路的特點(diǎn)主要是：

• 靜態(tài)功耗低。中規(guī)模集成電路的靜態(tài)功耗小于100mW。

• 輸入阻抗非常高。正常工作時(shí)，直流輸入阻抗可大于100MΩ。

• 抗干擾能力強(qiáng)。電壓噪聲容限可達(dá)電源電壓的45％。

• 扇出能力強(qiáng)。低頻工作時(shí)，一個(gè)輸出端可驅(qū)動(dòng)50個(gè)以上的CMOS器件輸入端。

在各種應(yīng)用場(chǎng)合中，應(yīng)該綜合考慮各類數(shù)字集成電路的性能，以求得到最佳的應(yīng)用搭配。

4. 阻容元件的選擇

電阻和電容是兩種使用最多的分立元件，它們的種類繁多，性能各異。在選擇阻容元件的過(guò)程中，有以下幾個(gè)方面需要考慮：

⑴根據(jù)不同電路對(duì)電阻和電容性能的要求，選用適合的電阻、電容器。如基本運(yùn)算電路中的外接電阻，大都宜選用0.1％的金屬膜電阻，不宜選用電感效應(yīng)大的線繞電阻。又如，電源濾波回路中的電容，宜選用大容量(100～3 000μF)的鋁電解電容。由于其對(duì)高次諧波的濾波效果差，通常還需并聯(lián)小容量(0.01～0.1μF)的瓷片電容。

⑵選擇阻容元件時(shí)，應(yīng)盡量選用標(biāo)稱系列，并注意電阻器的允許誤差范圍與功率。注意選擇電容器的容量與耐壓值，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于電解電容還須注意其極性。

9.2.5  總體電路圖的畫(huà)法

在完成單元電路的設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇之后，下一步應(yīng)該畫(huà)出總體電路圖。當(dāng)畫(huà)出總體電路圖以后，還要注意仔細(xì)的進(jìn)行一次全面的審圖，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)過(guò)程中有些問(wèn)題難免出錯(cuò)或者考慮不周，加之總體電路圖又是進(jìn)行組裝、調(diào)試的依據(jù)，所以仔細(xì)審圖可以減少調(diào)試過(guò)程的工作量。

如何才能畫(huà)好總體電路圖呢？一般要注意以下幾點(diǎn)：

1．注意信號(hào)的流向，通常從輸入端或信號(hào)源畫(huà)起，由左至右或由上至下按信號(hào)流向依次畫(huà)出各單元電路。

2．盡量把總體電路圖畫(huà)在一張圖紙上，布局要合理，排列要均勻。如果電路比較復(fù)雜，需要繪制幾張圖時(shí)，應(yīng)把主電路畫(huà)在同一張圖紙上，把獨(dú)立的或次要的電路畫(huà)在另外的圖紙上，同時(shí)要標(biāo)明各張電路畫(huà)之間連線的來(lái)龍去脈。

3．連線要清楚，并且通常都畫(huà)成水平線或垂直線，一般不畫(huà)斜線。按新的畫(huà)圖規(guī)則，四端連接的交叉線，應(yīng)在連接處用黑圓點(diǎn)表示，否則表示相互跨過(guò)，不連接；三端相連處可不畫(huà)黑圓點(diǎn)。還應(yīng)當(dāng)注意元件的合理布局，使連線盡量短些，少拐彎。有的連線可用符號(hào)表示，例如地線常用“┷”表示，電源一般只要標(biāo)出以“┷”為參考點(diǎn)的正、負(fù)電壓的數(shù)值就可以了。

4．電路圖中的集成電路芯片，通常用方框表示。在方框中標(biāo)出它的型號(hào)，在方框的邊線兩側(cè)標(biāo)出每根連線的功能名稱和管腳號(hào)，如圖9.2.2(a)圖所示。注意不要把電路圖畫(huà)成接線圖，圖9.2.2 (b)所示的畫(huà)法是不合理的。

9.2.6  安裝調(diào)試

數(shù)字電路系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)完成之后，便可根據(jù)電路圖設(shè)計(jì)印刷電路板，制作好印刷電路板之后就可進(jìn)入電路的安裝調(diào)試階段。安裝調(diào)試過(guò)程也是對(duì)理論設(shè)計(jì)作出檢驗(yàn)、修改，使之更加完善的過(guò)程。安裝調(diào)試工作能否順利進(jìn)行，除了與設(shè)計(jì)者掌握的調(diào)試測(cè)量技術(shù)、對(duì)測(cè)試儀器的熟練使用程度以及對(duì)所涉及電路的理論掌握水平等有關(guān)外，還與設(shè)計(jì)工作中認(rèn)真、仔細(xì)、耐心的態(tài)度有關(guān)。

調(diào)試工作從各單元電路的調(diào)試逐步擴(kuò)大到整體電路的聯(lián)調(diào)。聯(lián)調(diào)主要是觀察動(dòng)態(tài)結(jié)果，測(cè)試電路的性能指標(biāo)，檢查電路的測(cè)試指標(biāo)及設(shè)計(jì)指標(biāo)是否相符，逐一對(duì)比，找出問(wèn)題，然后進(jìn)一步修改參數(shù)，直到滿意為止。

調(diào)試完成之后，還應(yīng)該注意最后校對(duì)以完善總體電路圖，修正參數(shù)與錯(cuò)誤，完成相關(guān)資料的整理與歸檔。