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第 5 章 数字电路的分析与设计. 5.1 数字电路中的常用元件与仪器 5.1.1 CMOS 4000 系列 5.1.2 TTL 74 系列 5.1.3 数据转换器 5.1.4 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列 5.1.5 显示器件 5.1.6 调试工具 5.2 555 定时器 5.2.1 555 定时器的内部构成 5.2.2 555 定时器组成的多谐振荡器 5.2.3 555 定时器组成的单稳态电路. 5.3 四路彩灯 5.3.1 核心器件 74LS194 简介 5.3.2 题目分析与设计
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5.1 数字电路中的常用元件与仪器 5.1.1 CMOS 4000系列 5.1.2 TTL 74系列 5.1.3 数据转换器 5.1.4 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列 5.1.5 显示器件 5.1.6 调试工具 5.2 555定时器 5.2.1 555定时器的内部构成 5.2.2 555定时器组成的多谐振荡器 5.2.3 555定时器组成的单稳态电路 5.3 四路彩灯 5.3.1 核心器件74LS194简介 5.3.2 题目分析与设计 5.3.3 仿真 5.3.4 扩展电路 5.4 八路抢答器 5.4.1 核心器件74LS148简介 5.4.2 题目分析与设计 5.5 数字钟 5.5.1 核心器件74LS90简介 5.5.2 分步设计与仿真 5.6 音乐教室控制台 5.6.1 核心器件74LS190简介 5.6.2 题目分析与设计 第5章 数字电路的分析与设计
数字电路不同于模拟电路，它是以数字信为处理对象，研究各输入与输出之间的联系，实现一定的逻辑关系的电路。数字逻辑基础主要涵盖数制与编码、布尔代数及其逻辑实现、集成逻辑电路、触发器，为电路分析和设计准备基础知识；数字电路的分析和设计方法，包括组合逻辑电路、同步时序逻辑电路、异步时序逻辑电路以及脉冲产生与整形电路；可编程逻辑器件，包括ROM、 PLA、PAL、GAL及在系统编程技术。 本章我们以几个数字逻辑电路设计中的经典例子，来说明Proteus在数字电路的分析和设计中的强有力辅助作用。
5.1数字电路中的常用元件与仪器 由于Proteus为英文界面，这对于部分专业英文不太好的读者来说，调用各类元件是件头疼的事。我们除了在第二章把元件的分类给大家作了系统介绍外，还会在各章对各类常用元件和仪器做进一步的介绍。希望读者能够通过重复来加深记忆，熟能生巧。
5.1.1 CMOS 4000系列 打开拾取元件对话框，在类别中位于第三的是CMOS 4000 series，即CMOS 4000系列元件，如图5-1所示，它是一种早期生产的CMOS器件，在国外已限用，但由于这类器件比较便宜，目前我们国家使用的还比较多。
4000系列元件的子类划分，如图5-3所示，和74系列也是对应的，如表5-1所示。4000系列元件的子类划分，如图5-3所示，和74系列也是对应的，如表5-1所示。
另外，元件也可按生产厂家来查找，如图5-3中的Fairchild、Miccochip和Texas Instruments都是制造商的名称。 图5-3 4000系列元件的子类
5.1.2 TTL 74系列 TTL74系列根据制造工艺的不同又分为如图5-4所示的几大类，每一类的元件的子类都相似，比如7400和74LS00功能一样。 图5-4 TTL 74系列
由于每一类元件众多，而对于学过数字电子技术的读者来说，对常用的元件功能代号已熟悉，可在元件拾取对话框中的“Keywords”中键入元件名称，采用直接查询的方式比较省时，如图 5-5所示。 图5-5 直接拾取元件对话框
5.1.3 数据转换器 数据转换器在Proteus元件拾取对话框中的“Data Converters”类中，如图5-6所示。常用数据转换器有并行8位模数转换器(如ADC0809)、8位数模转换器(如DAC0808)、LF××采样保持器、MAX××串行数模转换器、位双斜坡AD转换器、具有I2C接口的小型串行数字湿度传感器TC74及具有SPI接口的温度传感器TC72和TC77等。可按子类来查找
5.1.4 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列位于Proteus元件拾取对话框中的 PLDs & FPGAs类中，此类元件较少，没有再划分子类，一共有十二个元件，如图5-7所示。 图5-7 可编程逻辑器件及现场可编程逻辑阵列类元件
5.1.5 显示器件 数字电路分析与设计中常用的显示器件在Proteus元件拾取对话框中的Optoelectronics类中，如图5-8所示。 图5-8 显示器件
常用的七段显示，元件名的前缀为7SEG-，在用到此类元件时，采取部分查询方法，直接在“Keywords”中输入“7SEG-”即可，根据元件后面的英文说明来选取所需元件。常用的七段显示，元件名的前缀为7SEG-，在用到此类元件时，采取部分查询方法，直接在“Keywords”中输入“7SEG-”即可，根据元件后面的英文说明来选取所需元件。 比如，图5-8中右面前三行列举的元件都是七段BCD数码显示，输入为四位BCD码，用时可省去显示译码器；第四、五、六行都是七段共阳极数码管，输入端应接显示译码器7447。第七、八、九行三个数码管都是七段共阴极接法，使用时输入端应用接显示译码器7448。 我们来仔细看一下显示器件的子类划分，如图5-9所示。显示器件共分十类，如表5-2所示。 图5-9 显示器件的子类
常用的发光二极管LEDs子类中的元件如图5-10所示。选用时要用ACTIVE库中的元件而不用DEVICE库中的元件，在本书中，我们都使用这一规定，ACTIVE库中的元件是能动画演示的，而DEVICE是不能的，但像一般电阻就不需要动画演示，可用DEVICE库中的元件。常用的发光二极管LEDs子类中的元件如图5-10所示。选用时要用ACTIVE库中的元件而不用DEVICE库中的元件，在本书中，我们都使用这一规定，ACTIVE库中的元件是能动画演示的，而DEVICE是不能的，但像一般电阻就不需要动画演示，可用DEVICE库中的元件。 图5-10 子类LEDs 中的器件
“Bargraph Displays”条状显示子类中只有两个元件，如图5-11所示。主要区别在于颜色不同，这个元件相当于十个LED二极管并排放置在一起，管脚号小的一端接高电平，管脚号大的一端接低电平。在多个发光二极管共同使用时，通常用它比较方便。 图5-11 条状显示
5.1.6 调试工具 数字电路分析与设计中常用的调试工具在Proteus元件拾取对话框中的“Debugging Tools”类中，一共不到二十个，如图5-12所示。 其中最常用的是逻辑电平探测器LOGICPROBE[BIG](用在电路的输出端)、逻辑状态LOGICSTATE和逻辑电平翻转LOGICTOGGLE(用在电路的输入端)。不妨调出来试试看。
上述讲到的显示元件和调试工具，我们已经调出来了一部分，并适当地连了线，如图5-13所示。上述讲到的显示元件和调试工具，我们已经调出来了一部分，并适当地连了线，如图5-13所示。 图5-13 部分元件和调试工具的使用方法
5.2 555 定 时 器 555定时器是一个非常有用的模拟数字混合器件，我们在进行数字逻辑电路设计时经常要用它来组成无稳态或单稳态电路，产生连续或单个脉冲。555定时器能在宽电源电压范围内工作，可承受较大的负载电流。双极型555定时器的电源电压为5~16V，最大负载电流为200mA。CMOS型7555定时器的电源电压为3~18V，最大负载电流为4mA。 下面我们对555定时器内部的工作原理及几种应用电路进行详细介绍。
5.2.1 555定时器的内部构成 555定时器因其内部有三个5K串联电阻而得名。内部仿真原理图见图5-14，其中4端复位未给出。U1和U2为两个模拟器件，接成了电压比较器；U3和U4两个与非门接成了低电平输入有效的锁存器，前面各加上一个反相器，变成了输入高电平有效的锁存器，U5为反相缓冲器，驱动输出；Q1为三极管，发射极1端应接地，通过控制其基极电位使其工作在导通或关断两个状态。
表5-3 555定时器输入输出之间的关系 由于理想运放输入端电流可考虑为零，所以三个5K电阻串联对8端的直流电源Vcc进行分压，其中U1的反相端和U2的同相端分别为2Vcc/3和Vcc/3。555定时器的三个输入端与输出端及内部三极管的状态之间的关系如表5-3所示。
5.2.2 555定时器组成的多谐振荡器 555定时器外接一个电容充放电电路即可构成一个无稳态多谐振荡器，在3端产生方波信号，且频率可调，如图5-15所示 图5-15 555定时器构成的多谐振荡器
在555定时器的电源8端和接地1端之间从上到下串接电阻R4、R5和电容C2。把555定时器的6端和2端(即内部两个电压比较器的同相和反相输入端)连在一起，再接到电容C2上端，即两个比较器的外部输入电压都取为电容C2上的变化量，再与各自的固定电压2Vcc/3和Vcc/3比较，触发锁存器，使Q1饱和导通。因7端接在R5上方，此时相当于接地，C2通过R5放电。然后R4、R5和C2回路再充电，反复进行的结果，将导致3端输出方波。在555定时器的电源8端和接地1端之间从上到下串接电阻R4、R5和电容C2。把555定时器的6端和2端(即内部两个电压比较器的同相和反相输入端)连在一起，再接到电容C2上端，即两个比较器的外部输入电压都取为电容C2上的变化量，再与各自的固定电压2Vcc/3和Vcc/3比较，触发锁存器，使Q1饱和导通。因7端接在R5上方，此时相当于接地，C2通过R5放电。然后R4、R5和C2回路再充电，反复进行的结果，将导致3端输出方波。 为了观看这种效果，C2应拾取“CAPACITOR”(ACTIVE库)元件，且在U5前放置“LOGICPROBE[BIG]”逻辑电平探测器，观察输出电平的变化及与Q1导通之间的关系。
下面再放置一个图表分析。这在学完第一章已经有了初步的印象，图表分析不同于示波器，可静态分析图形，并且自动生成，还可随图形一起打印，用于分析或教学很方便。下面再放置一个图表分析。这在学完第一章已经有了初步的印象，图表分析不同于示波器，可静态分析图形，并且自动生成，还可随图形一起打印，用于分析或教学很方便。 图表中可添加轨迹，所谓轨迹，即电路中被测点的电压随时间变化的曲线，可以是模拟量或数字量。 添加轨迹的第一步是在被测点加上电压探针，一共加四个，分别为C2上的模拟电压变化量Vc、内部5K电阻上的两个固定点电压V2/3和V1/3以及输出Vout。先运行仿真，可以看到这几点电压值的变化情况。
停止仿真。点击左边工具栏内的图表类型按钮，在对象选择区“GRAPHS”中选“MIXED”(混合)项，如图5-16所示。停止仿真。点击左边工具栏内的图表类型按钮，在对象选择区“GRAPHS”中选“MIXED”(混合)项，如图5-16所示。 然后在图形编辑区点击鼠标左键拖出一个图表分析框，再次点击左键确认，如图5-17所示。 图5-17 图表分析框 图5-16 图表类型选择
在图5-17中的非标题区，即中间的空白区双击，出现如图5-18所示的对话框，可修改图表分析的标题为“555 ANALYSIS”。再把横轴的时间长度改为6秒。因为本题555构成的方波周期为1秒，这样可出现6个周期，当然也可以再少几个周期。 图5-18 修改标题及横坐标
接下来可在图表框中加入轨迹，即我们上边添加的四个电压探针，但这里我们只添加两个轨迹，Vc和Vout。这两个量一个为模拟量，一个为数字量。加入轨迹时，多个模拟量的纵坐标起始点一般是一样的，数字量则位于不同的位置。为了使Vc和Vout位于同一起始高度，必须把二者都当作模拟量来添加。在图表框内点击右键即出现右键菜单，选取“Add Traces”，出现一个对话框。先选择轨迹类型为“Analog” 模拟量，在Probe P1中出现四个探针，选择Vc，如图5-19所示，点击“OK”，关闭对话框。再重复添加轨迹，仍选择轨迹类型“Analog”，在Probe P1中选择“Vout”。 按“Space”空格键即生成相应的波形，而不必点击仿真运行按钮。
移动鼠标指针到图表分析框的标题处，鼠标变成画笔状，双击，出现图表分析的放大画面，可修改它的各项属性，尤其是背景及轨迹的颜色。 555定时器接成多谐振荡器时的频率计算公式为 其中
由此可计算出图5-15中的输出频率约为1Hz。 由集成器件连接而成的频率可调的方波发生器电路如图5-20所示。示波器的动态波形如图5-21所示。 图5-20 由集成555定时器构成的多谐振荡器
5.2.3 555定时器组成的单稳态电路 555定时器接成单稳态电路时，通过外部触发可产生单脉冲，且脉冲宽度Tw可通过下面式子计算。 图5-22为单稳态电路的仿真图。其中R1和按钮组成一个负脉冲发生器，操作时动作尽量为快，这个时间要远远小于Tw的宽度才能观察到效果。示波器的图形如图5-23所示，其中上方的正脉冲为单稳态电路的输出，下方为触发脉冲。
5.3 四 路 彩 灯 四路彩灯是数字电路设计中一个非常有趣的课题，结合Proteus会使整个设计和分析快捷而轻松。题目设计要求如下： 共有四个彩灯，分别实现三个过程，构成一个循环共12秒； 第一个过程要求四个灯依次点亮，共4秒； 第二个过程要求四个灯依次熄灭，共4秒，先亮者后灭； 最后4秒要求四个灯同时亮一下灭一下，共闪4下。
5.3.1 核心器件74LS194简介 其实这个题目主要考察的是四位双向通用移位寄存器74LS194的灵活应用，四个灯可用四个发光二极管表示。74LS194的引脚图如图5-24所示。 图5-24 74LS194的引脚 图5-24中引脚MR为复位信号，正常工作时应接高电平；CLK为时钟信号，上升沿到来时有效。74LS194的时序图如图5-25所示。
表5-4 74LS194的四种工作方式 74LS194有四种工作方式，分别由S1S0组成的两位二进制数来控制，如表5-4所示。
74LS194的功能如表5-5所示。 表5-5 74LS194的功能表
5.3.2 题目分析与设计 此题应把四路彩灯接在74LS194的Q0~Q3上，SR稳定接一高电平，SL稳定接地电位，而D0~D3接周期为1秒的方波信号。下面关键是时钟和方式控制S1S0的信号如何实现才能满足题目的要求。 三个过程每个4秒，加起来正好12秒。如果选择CLK为周期1s的方波信号，好像就可以了，但是前两个过程可以，最后一个过程却不能精确地实现。图5-26是正确的CLK信号与1Hz方波信号的比较。 图5-26 正确的CLK信号与1Hz方波信号的比较
前面我们已经确定D0~D3接1Hz的方波信号，那么Q0~Q3在读D0~D3的信号时是在CLK上升沿到来的一瞬间，看图5-26的前半部分，如果二者一样，CLK的每个上升沿到来时读到的都是高电平，灯就会一直亮着，不会出现闪的效果。所以，当74LS194的工作方式为11时，一定要改变CLK的信号频率为D0~D3信号频率的2倍，才可以在D0~D3的一个周期内出现CLK的两个上升沿，Q0~Q3分别读到1和0各一次，如图5-26的后半部分。 即正确的时钟信号在整个12秒时间应该是前8秒为1Hz的频率，后4秒变为2Hz的频率，可以用555定时器产生2Hz的方波信号，再用D触发器分频产生1Hz的方波信号，如图5-27所示。二者分别与控制信号相与再通过或门即可得到CLK信号。
S1S0信号的产生可用集成计数器实现，但在这里，为加强同步时序逻辑电路的设计知识，我们使用D触发器来设计一个同步三进制计数器，时钟周期为4秒。设计步骤如下：S1S0信号的产生可用集成计数器实现，但在这里，为加强同步时序逻辑电路的设计知识，我们使用D触发器来设计一个同步三进制计数器，时钟周期为4秒。设计步骤如下： (1) 列状态真值表。 设S1S0对应的触发器输出分别为Q1Q0，则状态真值表如表5-6所示。 表5-6 74状态真值表
