第4章 数字电路系统设计.ppt

第4章 数字电路系统设计 第4章 数字电路系统设计 4.1 数字电路系统设计概述 4.2 常用中规模数字逻辑电路的应用 4.3 锁相环及频率合成器的应用 4.4 常用大规模数字芯片 4.1 数字电路系统设计概述 本节主要介绍数字电路系统设计的两个基本问题： 数字电路系统的设计方法 数字电路系统的设计步骤。 4.1.1 数字电路系统的结构 如图4.1.1所示，数字电路系统主要由的信息处理电路和控制电路两部分组成。 图中，输入信号可以是模拟量，如电压信号、电流信号等，也可以是数字量，如开关量等； 输出信号可以是模拟量，如电压信号、电流信号等，也可以是数字量，如显示数据等； 数字电路系统的结构 总的来说，数字电路系统通常是指能完成比较复杂功能的若干数字电路的集合。它的规模差异很大，大的数字电路系统可以是以每秒几十万亿次的超级计算机，小的数字电路系统可以是只能完成一个简单功能的流水灯。 归纳起来，一般情况下，它们都可由图4.1.1中的信息处理电路和控制电路两部分构成。其中信息处理电路主要完成对输入信息的采集、调理、传输和处理等工作，从而输出其它电路所需的输出信息；控制电路主要完成协调和管理各信息处理单元电路的工作，根据不同的状态信号和外部控制信号发出相应的控制信号使各部分电路协调一致地完成系统规定的任务。 4.1.2 数字电路系统的设计步骤 一般来说，数字电路系统无论其规模的大小，其设计步骤大体上是一致的。主要步骤如下： 1．分析设计要求，明确系统功能和性能指标； 2．确定系统总体方案； 3．设计各子系统或单元电路； 4．组成系统，系统联调和优化； 5.系统功能和性能测试； 6．撰写设计文件。 数字电路系统的设计步骤 1．分析设计要求，明确系统功能和性能指标 数字电路系统设计工作的第一步是仔细分析设计要求，明确系统的设计任务：系统的功能要求和技术性能指标要求等。简言之，必须明确做什么，做到什么程度，明确设计关键，同时注意分析每一个细节，尽量考虑得周到、完善。 数字电路系统的设计步骤 2．确定系统总体方案 明确设计要求后，应考虑如何实现，即采用哪种电路来完成系统的设计任务。该阶段的主要任务有方案论证，系统原理方框图设计等。综合比较各种方案的可行性、性价比或设计任务的具体要求等，选择合适的方案，设计相应的系统原理方框图。一般要求明确各方框图的输入输出信号性能指标或要求，以明确各部分的性能指标划分。在这个过程中，系统的方案选择与系统原理方框图的设计往往难分先后，经常交叉进行。 数字电路系统的设计步骤 3．设计各子系统或单元电路 根据系统原理方框图的功能和技术性能指标要求，选取或设计符合设计要求的子系统或单元电路，并完成相应的功能调试和性能测试。子系统或单元电路尽量选用高性能、控制简单、集成度高的、应用广泛的新产品。这一步需要设计人员会查数据手册，明确什么是关键指标，如何去选择代用品等。 数字电路系统的设计步骤 4．组成系统，系统联调和优化 组成系统时，还需要考虑布局是否合理，如能否满足电磁兼容等；调测是否方便，如有无必要留出测试点等。 数字电路系统的设计步骤 系统联调时，可能会遇到很多问题，此时可以按下列次序进行错误定位： （1）原理图是否正确；（2）接线是否符合图纸要求，接线有否折断；（3）是否有短路现象；（4）是否有开路现象；（5）接插点、焊点是否牢靠；（6）芯片及元件有否损坏，方向、极性是否正确；（7）有否超出元件的负载能力；（8）问题是否来自干扰。 在调试过程中，对问题的解决过程中，可根据现实的情况对系统进行优化。 数字电路系统的设计步骤 5．系统功能和性能测试 主要包括三部分的工作： （1）系统故障诊断与排除； （2）系统功能测试； （3）系统性能指标测试。 若系统功能或性能指标达不到任务要求，则必须修改电路设计。 数字电路系统的设计步骤 6．撰写设计文件 应整理撰写的设计文件的内容主要有：总体方案的构思与选定（画出系统框图）、单元电路的设计（包括元器件选定和参数计算）、绘制总原理电路图（系统详尽的软硬件资料）、元器件清单、功能和性能测试结果、组装调试的注意事项、使用说明、总结设计方案的优缺点以及收获体会等。 4.1.3 数字电路系统的设计方法 数字电路系统的设计方法有试凑法和自上而下法。 1. 数字系统设计的试凑法 这种方法的基本思想是：把系统的总体方案分成若干个相对独立的功能部件，然后用组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计方法分别设计并构成这些功能部件，或者直接选择合适的SSI、MSI、LSI器件实现上述功能，最后把这些已经确定的部件按要求拼接组合起来，便构成完整的数字系统。 试凑法的优点是：可利用前人的设计成果；在系统的组装和调试过程中十分有效。 数字电路系统的设计方法 试凑法具体步骤：