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第11章数字电路综合案例

内容提要

前面的章节介绍了数字电路的基本知识、基本理论、常用器件，以及数字电路分析和

设计的基本方法。本章涉及到复杂数字系统的设计。数设计对象从译码器、计数器等这些基

本逻辑功能电路到了数字钟等综合的数字逻辑系统的设计；设计方法也由采用真值表到求逻

辑表达式、画出电路图的方式到通过确定总体方案，采取从局部到整体，用各种中、大规模

集成电路来满足要求的数字电路系统的方式。本章结合数字钟这一实际的案例来介绍数字电

路系统的设计方法，进一步提高学生的综合能力和解决实际问题的能力。

基本教学要求

1.了解中小规模集成电路的作用及实用方法。

2.了解数字钟电路的原理。

3.掌握综合数字电路系统的设计流程和设计方法。

11.1概述

数字系统的设计，采用从整体到局部，再从局部到整理的设计方法。首先对系统的目标、

任务、指标要求等进行分析，确定系统的总体方案；然后把系统的总体方案分成若干功能部

件，绘出系统的方框图；之后运用数字电路的分析和设计方法分别进行设计，或者是直接选

用集成器件去构成功能部件；最后把这些功能部件连接组合起来，便构成了完整的数字系统，

通过对电路的分析和测试修改，完善与优化整个系统。这是传统的数字系统的设计方法，也

是下面要介绍的内容。随着计算机技术的发展，电子设计自动化EDA成为了现代电子系统

设计与仿真的重要手段，对于复杂系统的设计十分有效，尤其是硬件描述语言的使用，使硬

件软件化，让数字系统的设计更加方便、高效。

下面以数字钟系统设计为例，介绍综合数字电路系统的设计方法。数字钟是一种用数字

电子技术实现时、分、秒计时的装置，与传统的机械式时钟相比具准确、直观、寿命长等特

点。目前广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学

习、工作、娱乐带来极大的方便。数字钟也是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电

路和时序逻辑电路。通过数字钟的设计进一步了解数字系统设计时用到的中小规模集成电路

的使用方法，进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。

11.2设计任务和要求

1.设计一台能直接显示“时”、“分”、“秒”、“日”十进制数字的时钟数字电路。秒、

分为00～59六十进制计数器，以24小时为一天。周显示用七进制计数器，当计数器

运行到23时59分59秒时，秒个位计数器再接收一个秒脉冲信号后，计数器自动显示

为00时00分00秒。

2.走时精度要求每天误差小于1S，任何时候可对数字种进行校准。

11.3系统总体方案

根据系统的设计任务和要求，数字电子钟系统的电路组成方框图如图11.3.1所示。

图11.3.1数字电子钟系统的电路框图

数字电子钟秒脉冲发生器、校时电路、六十进制计数器、二十四进制计数器、以及秒、

分、时的译码显示电路等组成。

数字钟电路的工作原理是：先由振荡电路形成秒脉冲信号，秒脉冲信号输入计数器进行

计数，并把计算的结果以“时”、“分”、“秒”的数字显示出来。秒计数器电路计满60后触

发分计数器电路，分计数器电路计满60后触发时计数器电路，当时计时电路计满24小时后

又开始下一轮的循环计数。计数器的输出经译码器译码后送显示器显示。当电路计时有误差

时，可以由校时电路分别对“时”、“分”、“秒”进行校准。

11.4设计可选元器件

1.CD4510四位十进制同步加/减计数器。

2.CD4511四位锁存/七段译码器/驱动器。

3.CD4060十四位串行计数/振荡器。

4.CD4013双D触发器。

5.七段LED共阴0.5数码管。

6.CD401l四二输入与非门。

7.晶振768Hz。

8.电阻，电容，导线，开关。

11.5设计方案分析

根据数字电子钟系统的原理方框图，同时根据设计任务和要求，所完成模块化设计方案

如下:

一、秒脉冲发生器设计

秒脉冲发生器可以由石英晶体振荡器和分频器组成，也可以以555来组成。

由石英晶体振荡器和分频器组成的秒脉冲发生器，其石英晶体振荡器的作用是产生一个

基准频率信号，然后由分频器分成频率为1Hz的秒