第15章数字系统分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第15章 数字系统分析,第15章 数字系统分析,15.1 数字系统的组成,15.2 多路数据采集系统,15.3 可编程时钟控制电路,15.4 可编程彩灯控制电路,15.1 数字系统的组成,数字电路系统一般包括输入电路、控制电路、存储电路、运算电路、输出电路等基本部分。,1.输入电路,输入电路的主要功能是进行,A/D,转换、电平变换、串行-并行变换等，使外部信号源与数字系统内部电路在负载能力、驱动能力、电平、数据形式等方面相适配。同时，还,提供数据锁存、缓冲，以解决外部电路和数字系统内部在数据传输速度上的差别。,2.输出电路,除了作,D/A,变换外，输出电路的其它功能与输入电路类似。而信号的传输方向是从内到外。,3.控制电路,控制电路是系统的核心，它根据输入信号及运算电路的运算结果，先后发出各种指挥系统各部分电路工作的命令，使整个系统有条不紊地工作。,4.运算电路,在控制电路指挥下，运算电路进行各种算术及逻辑运算，将运算结果送控制电路或者直接输出。,5.存储电路,输入数字系统的各种信息，以及运算电路在运算中的各种中间结果，都要由存储电路存储,。在数字系统工作过程中，存储电路的内容不停地变化。,15.2 多路数据采集系统,在生产及科学实验中，如果要对某个对象进行监测和管理，就需要不断地对对象的状态进行检测。把被监测对象的有关物理量，例如电压、电流、温度等，转换成计算机或其它数字设备能处理的数字量，这个过程叫作数据采集。,如果被监测和管理的有多个对象，就是多路数据采集。,15.2.1 查询式数据采集系统,这种系统的框图如图15.1所示。图中假定被采集的对象有8路。,采集数据时，被采集的模拟量有电模拟量，也有非电模拟量。非电模拟量要经传感器变,成电模拟量。如果被采集对象本身就是数字量，就不用,A/D,转换。,图15.1 查询式数据采集系统框图,每路的,A/D,转换电路转换后的数字信号被数据锁存器锁存。同时该锁存器向状态寄存器输出状态信号,S,来表示数据是否准备好。如果,S=1，,表示数据准备好，若,S=0,就表示数据尚未准备好。,每路数据锁存器的数据能否输出，还受来自地址译码器选通信号,OE,的控制，当某个锁存器的,OE,输入端是高电平时，该锁存器输出端打开，向系统的数据总线输送数据；当,OE,是,低电平时，该锁存器输出端处于高阻状态，与数据总线断开。,图15.1所举的例子，被采集的对象有8路，状态寄存器有八位，从,S0,到,S7，,分别对应于第0路至第7路的数据准备状态。,当计算机需要读取某路数据时，它就向状态寄存器查询该路的数据准备状态。要读取第,i,路数据时，就从状态寄存器中读进,S,i,。,若读进的,S,i,=1，,它就经地址总线输出对应于第,i,路的三位地址码,A,2,A,1,A,0,，,经地址译码器译码后，只有第,i,路数据锁存器的,OE,端输入高电平，使第,i,路的数据送上了数据总线，被计算机读取。其它各路锁存器的,OE=0，,数据输出端处于高阻状态。,各路数据的位数，因系统的不同而不同。图15.1所举的例子是八位。,15.2.2中断式数据采集系统,中断式数据采集系统的原理框图如图15.2所示，仍以8路八位为例。在这种系统里，当某一路的数据已在数据锁存器中准备好，该路锁存器就从,INT,输出端向系统的中断优先权排队电路输出申请,要求向计算机输送数据,这个过程叫中断申请。由于各路的轻重缓急不同，所以设有中断优先权排队电路。中断优先权排队电路收到中断申请信号后，经过比较，确定在提出申请的各路锁存器中,哪一路的优先级别最高。在经它自己的,INT,输出端向计算机提出中断申请时，同时把优先级别,最高的那一路锁存器的地址也输送给计算机。计算机在接到申请后，认为自己目前的工作可以被暂时中断（这是“中断”一词的由来），就暂停目前的工作，转而去接收数据，将优先权排队电路送来的优先级别最高的那一路锁存器地址，经地址总线送至地址译码器，选通对应锁存器，将其锁存的数据送上数据总线,被计算机读取。这里，控,制锁存器能否输出数据的控制端子,仍用符号,OE,表示。,图15.2 中断式数据采集系统电路框图,此外，还有直接数据采集方式。这种方式适用于在对某路数据进行采集时,该路数据总是准备好的情况。计算机只要输出对应于该路的地址码，经地址译码器选通该路的数据锁存器，即,可将该路数据读入计算机。控制电路当然比查询式和中断式简单。,15.3 可编程时钟控制电路,数字钟除用作计时外，还可用来定时，例如定时启闭电路，在工程及家用电器中用得越,来越多。,15.3.1 原理方框图,数字钟的原理框图如图15.3所示。由于石英晶体稳定度高，故计时电路中的振荡器都是晶体振荡器。,秒信号发生器由若干级分频器组成，对石英晶体振荡器输出的频率较高的信号，经过若干次分频，秒计数器输入端便得到1,Hz,的时钟脉冲。,图15.3 数字钟原理方框图,秒、分计数器中，秒个位和分个位是十进制计数、译码、显示电路；秒十位和分十位,是六进制计数、译码、显示电路。,对时钟周期取12小时的计时系统来说，小时计数器的个位用十进制计数、译码、显示电路。由于小时的十位只取“0”或“1”，故只用一级触发器即可记录小时十位的状态。再用这个记录直接控制小时十位的显示器件，使10点钟以后下一时钟周期1点钟以前，小时十位显,示“1”，其它情况下显示“0”。,当计时到12点59分59秒后，下一个秒计时脉冲来到时，时钟显示的不是13点钟，而是1点钟。此时，由于分、秒计数器已全部是0，所以，只要将小时个位计数器置1，小时十位计数器清零就成。这可以有各种实现方案。例如,若小时个位用集成计数器,T214,组成的十进制计数器，小时十位用一级,T,触发器记录“1”（10点以后）和“0”（10点以前）。小时计数器的,电路如图15.4所示。,图15.4 一种用,T214,和触发器组成的小时计数器电路,每当小时个位计数器计到10（1010）就自动清零，并将小时十位触发器置1。当计数到12点时，,T,触发器的,Q=1,和,T214,的,Q,B,经与非门使,T214,的,=0。,当计数到1点时，分十位计数器的进位脉冲使小时个位计数器置成1，同时小时十位计数器被触发成零，整个数字钟计的是1点。小时计数器使用的电路不同，实现显示1点而不显示13点的方法也不一样，不作赘述。,秒脉冲是经若干次分频后才得到的1,Hz,脉冲。在最后一级分频器的前一级或前若干级分频器的输出端，脉冲频率是秒脉冲频率的若干倍。因此，校秒时可将秒个位计数器时钟脉冲输入端切换到这些分频器的输出端，使秒计数器快速计数，直到计到正确值，再将秒计数脉冲输入端切换回去。,校分、校时的时候可将这两级个位计数器计数脉冲输入端切换到秒脉冲发生器输出端，分计数器或小时计数器将以每秒一次的计数速度向前计数，到了正确值，立即将其计数脉冲输,入端切换回原来位置。,15.3.2 定时,在普通数字钟内增加适当电路,就可以作成可定时的数字钟。下面说明一种定时钟的电路设计方法。,1只设定终到时间的可定时数字钟,在这种数字钟内，有一套结构上与数字钟的时、分、秒计数电路一一对应的可预置数寄存器。例如可预置数寄存器中与秒个位计数器对应的那一部分电路也是四个对外输出端子，与,秒个位计数器的四个输出端一一对应。,上述两部分对应电路中每两个对应端子接入同一个异或门的输入端，共19个异或门（时计数5位，分、秒各7位），各异或门的输出端又接入或门输入端（一个或门没有这么多输入端，可多个或门组合）。只有时钟的各级计数值与可预置数寄存器所设定的值完全相同时，或门才输出低电平，其它情况下或门都维持高电平。如果定时只定到分,就只用12,个异或门了。,对可预置数寄存器预置一个时间值后，上述或门输出的负脉冲即可作为定时时间到的信号去启动过程的开始或者关闭过程。,有一种学校等集体机关使用的自动电铃，内部有一个,RAM,存储器和若干个比较器。只要把应该打铃的时间一一顺序输入存储器，存储器就记录了下来。数字钟工作时，比较器每时每刻都把数字钟的实际计时时间与存储器存储的时间进行比较，一到两者相同，就发出启动电,铃的脉冲。,2设定延时时间的数字钟,若数字钟内除可预置数寄存器外，还有运算器，那么它就除了可以像上述只设定终到时间的可定时数字钟一样工作外，还可以工作在设定延时时间的方式下。两种工作方式可以用拨动开关切换。,在设定延时时间的工作方式下，设定值是指从当前时间开始再经过多长时间定时时间到。延时时间一经设定，运算器就把这个时间值与时钟当前的实际时间值相比较，计算出实际终到时间。再把这个时间重新输入可预置数寄存器。以后的过程就与前述的设定终到时间的定,时过程一样了。,15.4 可编程彩灯控制电路,五彩缤纷的彩灯，把环境装点得更加丰富多彩。从公共场所到私人住宅，彩灯的使用愈,来愈广泛。在这一节，我们对彩灯控制电路作一简单介绍。,15.4.1基本原理,下面以实例来说明彩灯系统的基本工作过程。,设某彩灯系统显示的内容是依次出现的“欢迎光临”、“祝你健康”、“万事如意”和“心想事成”4组每组4个字的文字。设显示器件由4组88灯泡矩阵组成(也可用发光,二极管、荧光管等其它发光器件组成)。,对“万事如意”字组的“万”字，其显示矩阵如图15.5所示。若灯泡发光用“1”表示，不发光用“0”表示，那么，当“万事如意”字组显示时，对应于“万”字每行的8个灯泡的字节数据依次为00000000，11111111，00100000，等所有4个字组16个字的显示控制字节数据都可以根据字形得到。,图15.5“万”字字形矩阵,为每个88灯泡矩阵配备一个容量为32字节的存储器，并按组按字依次输入每个字的显示数据。对第一个存储器，依次输入的是“欢、祝、万、心”4字的显示字节数据。,32个字节，用五位地址码（,A,0,A,4,）,寻址。每个地址选中一个字节。4个存储器同时有对应于同一字组4个字的相同位置的字节被选中。,系统中有一个五位地址加法器。地址加法器在时钟脉冲作用下计数时，经地址译码器译码，每个88矩阵的32个字节被依次先后选中。虽然每个字的8个字节不是同时显示的，但输入地址加法计数器的时钟脉冲频率较高，由于视觉暂留作用，人的感觉是同一个字的8个,字节同时显示。,每一组4个字显示时，所显示的内容应延续一段时间后，再显示下一组字。因此，系统中还有一个八进制计数器，其计数脉冲与地址加法器的时钟脉冲同步。每计到8个时钟脉冲，一组字开始完全显示时，就切断地址加法器的时钟脉冲输入，并启动系统中定时电路开始计时。由于地址加法器停止计数，灯泡矩阵显示的内容就不动。若定时电路设定的定时时间是5秒。那么，5秒钟后，定时电路发出定时时间到信号脉冲，接通地址加法器的计数脉冲,输入，地址加法器重新作八进制计数，显示下一组字。,15.4.2系统框图,系统框图如图15.6所示。时钟脉冲产生电路提供地址加法器和八进制计数器的计数时钟脉冲。,图15.6 程序控制彩灯电路框图,4个组的地址译码器、存储器及显示矩阵的电路连接方式完全相同。显示矩阵还可以显示各种图形，只要把对应于图形的数据编码输入存储器，显示矩阵就能显示相应图形。,实际存储器产品的容量都比较大。例如，有一种存储器的容量是2,K8，,它包含2,KB（2,11,）,个字节，如果用88矩阵，可以显示256种不同内容。此时，存储器的地址线有11位。,显示矩阵行、列包含的单元越多，显示的内容就越细腻，越逼真。事实上，88矩阵显示像“万”字这样简单的字形还行，对字形繁复的字显示就有困难。要能正确显示，只能增加显示矩阵的行、列单元数。例如，用1616矩阵。由于存储器的容量增大，地址码位数增多，地址的计数电路、译码电路都要改动，但基本原理与上述88显示矩阵是一样的。这里,选88这样简单的矩阵来说明，是为了便于叙述，把重点放在基本原理的分析上。,