數(shù)字電路設(shè)計中部分常見問題簡介
來源： 作者： 時間：2012-08-23 瀏覽次數(shù)：
21世紀(jì)是信息化時代，信息化時代又被稱為數(shù)字時代，而其支撐基礎(chǔ)就是數(shù)字電路，因此當(dāng)前數(shù)字電路已被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。數(shù)字電路是實現(xiàn)邏輯功能和進(jìn)行各種數(shù)字運算的電路，數(shù)字電路設(shè)計主要包括：分析要求、確定方案、設(shè)計電路、組裝調(diào)試等步驟。在各個設(shè)計步驟中，必然會遇到各式各樣的問題，下面擬對數(shù)字電路設(shè)計的一些常見問題進(jìn)行解析。
1 常見問題解析
文中借助學(xué)生設(shè)計的雙向(加減)計時器，如圖1所示，來探討電路設(shè)計中3個方面的常見問題。
圖1所示的電路可實現(xiàn)0～30 s雙向(即加減)計時，這是該電路的優(yōu)點，因為目前常見的多為單向計時電路，圖2所示為其仿真波形。該電路包括秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼顯示電路、各種控制電路等幾個部分組成。具體為：由一個工作于多諧振蕩模式的NE555產(chǎn)生1 Hz的時鐘CP，經(jīng)過時鐘控制電路去激勵兩個異步時序的74LS192開始計數(shù)，計數(shù)輸出給兩個74LS48進(jìn)行譯碼，最后由2個七段數(shù)碼管完成計時顯示，而控制部分主要包括：開關(guān)K1和RS鎖存器完成計時開始和暫停、聯(lián)動開關(guān)K2～K5和單穩(wěn)態(tài)電路完成加減計數(shù)時鐘切換和相應(yīng)初值設(shè)定、LED和限值反饋控制電路完成告警、時鐘CP控制等。
1．1 控制方面
在設(shè)計中，先對電路性能指標(biāo)要求進(jìn)行分析，然后確立設(shè)計方案(或原理框圖)，一般在此基礎(chǔ)上選擇合適的功能器件是很容易搭建出各主要功能模塊的。但是，如何將各功能模塊間正確的“聯(lián)系”起來最終實現(xiàn)所有的電路功能，在實際設(shè)計中這往往是一個令人頭痛的問題，相信許多設(shè)計者對此都有同感。
這里將此部分稱為控制方面的設(shè)計問題，實質(zhì)要求為：邏輯上需要用一些信號(稱為控制信號)去決定某一個或一些信號(被控制信號)。對此的解決辦法是：把此部分看作一個簡單的邏輯電路(組合邏輯或時序邏輯)進(jìn)行設(shè)計。因此，關(guān)鍵步驟是：選取合適的輸入控制信號和正確列出真值表(對組合邏輯電路而言)或狀態(tài)表(對時序邏輯電路而言)。
實際中，一般多屬于組合邏輯情況，即此時刻輸出狀態(tài)由此時刻輸入狀態(tài)決定，體現(xiàn)“即時”控制的內(nèi)涵。文中就探討屬組合邏輯的控制，且以前述電路中的告警控制和時鐘控制為例。
1)告警控制
在圖1電路中當(dāng)正向加計時到30 s或者反向減計時到00 s時要求實現(xiàn)LED告警功能。 首先，得選取合適的輸入控制信號，從反饋控制的角度一般選擇兩74LS192的計數(shù)輸出端(QDQCQBQA)。若對于單向計數(shù)告警控制來講，確實可以。但是對雙向計數(shù)來講，因為對應(yīng)于加減計時的限值30 s和00 s，兩74LS192的計數(shù)輸出為“00000011”和“00000000”，可見兩種狀態(tài)下僅高位(十位)片74LS192的QBQA不同，仔細(xì)分析僅借助兩74LS192的輸出是不能實現(xiàn)告警控制的，需再尋找與這兩限值狀態(tài)有關(guān)的信號，不難發(fā)現(xiàn)兩74LS192的初值輸入端(D C B A)可為我們解決問題提供幫助。最終，選出高位(十位)片74LS192的計數(shù)輸出端QBQA和初值輸入端A作為輸入控制信號。
其次，正確列出真值表，如表1所示。由于LED為共陰極接法，故告警控制輸出為低有效，用表示。
最后，根據(jù)表1可得到邏輯表達(dá)式為
由(1)式設(shè)計的告警控制電路如圖1中虛框部分所示。
2)時鐘控制
對時序邏輯電路設(shè)計而言時鐘控制一般都會涉及的。圖1所示電路中的計時開始／暫停／結(jié)束等功能就是通過控制時鐘CP的開啟與關(guān)閉來實現(xiàn)的。圖中由基本RS鎖存器的輸出LRS鎖存器實現(xiàn)計時開始／暫停前述的告警控制的輸出實現(xiàn)計時結(jié)束，故選取LRS鎖存器、、時鐘CP為輸入控制信號，列出真值表如表2所示，其中輸出用L時鐘控制表示。在列真值表時如何處理像時鐘CP這樣高低電平都有的輸入信號可能會是個難題，方法就是高低情況都列出。
由表2可得邏輯表達(dá)式：
L時鐘控制=IRS鎖存器·I告警控制·CP (2)
根據(jù)(2)式設(shè)計的時鐘控制電路如圖1中虛框部分所示。
最后，再對前述兩例作個強調(diào)：舉告警控制例子旨在介紹輸入控制信號可選取(來自)任何有幫助的信號，而舉時鐘控制例子旨在介紹列真值表時對類似CP信號的處理。
1．2 時序方面
數(shù)字電路設(shè)計中往往需要對時序作個抉擇：是同步還是異步?比較二者，異步的電路結(jié)構(gòu)較同步簡單，但同步的時延較異步小、速度快、便于控制。在電路設(shè)計中到底采用何種時序可綜合權(quán)衡考慮，當(dāng)然從便于控制角度，一般多采用同步。
圖1所示電路采用了異步時序，兩片74LS192間連接比較簡單，采用類似“級聯(lián)”的方法，即直接將低位(個位)片的進(jìn)位和借位輸出作為高位(十位)片的時鐘輸入即可。如對異步電路進(jìn)行軟件仿真時常會觀察到毛刺現(xiàn)象，就是由于其時延較大的原因，這在圖2所示的仿真波形中即可觀察到。為減少時延，也可把該電路改為同步時序，可采用“分頻”的方法實現(xiàn)，即NE555產(chǎn)生1 Hz的時鐘信號送低位(個位)片，同時對NE555產(chǎn)生1 Hz的時鐘信號作十分頻送高位(十位)片即可，當(dāng)然其它相關(guān)的控制電路也需作相應(yīng)的修改。
無論是異步的“級聯(lián)”還是同步的“分頻”，仔細(xì)分析兩者都在做共同的“工作”：即都在處理類似“進(jìn)制”的問題，如圖1所示電路中低位片與高位片間為逢十進(jìn)一的“進(jìn)制”。
1．3 引腳方面
只有對IC的引腳嘲作正確的認(rèn)識，才能很好地使用IC完成電路的設(shè)計，下面對一些特殊引腳作些解析。
1)“高／低有效”引腳
“高／低有效”是指當(dāng)該引腳為高／低電平時執(zhí)行某個規(guī)定動作或功能。如74LS192的第14引腳(CLR)為“高有效”，即當(dāng)該引腳為高電平時執(zhí)行清零動作(功能)；而第11引腳則為“低有效”，即當(dāng)該引腳為低電平時執(zhí)行預(yù)置數(shù)動作或功能。
2)“同步”引腳
“同步”是指當(dāng)該引腳處于有效電平時還不能即刻執(zhí)行規(guī)定動作或功能，而必須等到時鐘的有效沿到來時才可執(zhí)行，即要與時鐘的有效沿同步。
如另一種常用的計數(shù)器74LS161的第9引腳即為“同步”引腳，當(dāng)它處于低有效電平時，還要等到時鐘的有效上升沿后才能執(zhí)行預(yù)置數(shù)動作或功能。
3)“異步”引腳
“異步”是指該引腳一旦處于有效電平則不必等到時鐘CP的有效沿到來就即刻執(zhí)行規(guī)定動作或功能，即可不與時鐘CP的有效沿同步而為異步。
如74LS192的第14引腳(CLR)和第11引腳皆為“異步”引腳，一旦處于其有效電平時將即刻執(zhí)行清零和預(yù)置數(shù)動作或功能。
2 結(jié)束語
數(shù)字電路設(shè)計中常會遇到諸多問題，文中借助一個0～30 s雙向(加減)計時器電路，采用例解形式對控制、時序、引腳等幾個方面的常見問題進(jìn)行了解析。
