数字系统设计概述

传统数字电路系统设计主要包括：满足性能指标要求的总体方案的选择、各部分原理电路的设计、参数值的计算、电路的实验与调试以及参数的修改、调整等环节。这是各类电子产品和各种应用数字电路系统研制过程中必不可少的设计过程。因此，数字电路系统设计在电子工程应用领域里占有很重要的地位。其设计质量的高低不仅直接影响到产品或电路性能的优劣，还对研制成果的经济效益有着举足轻重的作用。

一、设计内容

数字电路系统设计作为“数字电路”课程的一部分，其内容仍然是以电子技术基础的基本理论为指导，将设计课题分为基础型与系统设计型两个层次。其中基础型基本上是指数字电路的基本单元电路的设计与调试，而系统设计型是指由若干个模、数基本单元电路组成并能完成一定功能的应用电路的设计与调试。

二、设计方法

数字电路系统设计是指完成满足一定性能指标、逻辑功能或特定应用功能的电路的设计过程。

1．  传统的系统硬件设计步骤

（1）根据系统设计要求，确定输入与输出。

（2）详细编制技术规格书，画出系统控制流图。

（3）对系统功能进行细化，合理划分功能模块，并画出系统功能框图。

（4）细化功能模块，对每一个细化模块进行电路设计并正确选择元器件。

（5）各功能模块的调试、仿真。

（6）各功能模块硬件连接，进行系统硬件调试、整理。

（7）根据调试结果调整硬件设计，最终完成整个系统硬件设计。

2．  传统系统硬件设计方法的特点

（1）采用自下而上（Bottom Up）的设计方法：

系统硬件设计的关键之一是选择具体的元器件，并利用这下元器件进行逻辑电路设计，完成系统各个独立的功能模块，最后将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计。该过程是从最底层开始设计，直至到最高层设计完毕。因此是一种自下而上的设计方法。

（2）采用通用的逻辑元器件：

设计者总是根据系统的具体需要，选择市场上容易购买到的逻辑元器件，来构成所要求的逻辑电路，从而完成系统的硬件设计。尽管随着微处理器的出现，在由微处理器及其相应硬件构成的系统中，许多系统的硬件功能可以由软件来实现，但是这种选择通用元器件来构成系统硬件电路的方法并未改变，尤其在微处理器的外围电路的设计过程中，传统数字系统的设计方法仍然具有重要的作用。

（3）在系统硬件设计的后期进行仿真和调试：

在系统的硬件设计方法中，仿真和调试通常只能在后期，即完成系统硬件设计以后才能进行。因为进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真器、逻辑分析仪和示波器等，故只有在硬件系统已经构成的情况下才能使用。系统设计时存在的问题只有在后期才较容易发现，因此对设计人员的要求较高。

（4）主要设计文件是电路原理图

    用传统的硬件设计方法对数字系统进行设计并调试完毕后，所形成的硬件设计文件，主要是由若干张电原理图构成的，图中详细的标注了各个逻辑单元、逻辑器件的名称和相互间的信号连接关系，是用户使用和维护系统的主要依据，同时电原理图形象、直观、易读，为广大电子工程技术人员所熟悉。因此对于系统相对较小、硬件相对简单的数字系统设计，传统的系统硬件设计方法仍然具有一定的优势

三、总结报告

完成每一设计课题后，必须写出一份总结报告。总结报告中应包括以下内容：

1．设计题目名称。

2．设计任务和要求。

3．原理电路的设计。这部分的内容应包括：

(1)方案比较。你选择过哪几种方案，分别画出原理框图，说明原理和优缺点，最后选择了哪个方案。

(2)单元电路的设计和主要参数的计算。

(3)元、器件的选择。

(4)画出完整的电路图和必要的波形图，电路图上要标出元器件的型号与参数值。

(5)说明电路的主要工作原理。

4．说明有关技术指标的测量方法；整理出实验测试数据与实验波形，分析是否满足设计要求。

5．设计调试过程中遇到的问题及其解决方法。

6．列出参考文献。

9.2.2  总体设计

在设计一个常用的数字电路系统(模拟电路与数字电路)时，首先必须明确设计任务，根据设计任务按图9.2.1所示的一般数字电路设计步骤示意图进行设计。但数字电路的种类很多，器件选择的灵活性很大。因此设计方法和步骤也会因不同情况而有所区别。有些步骤需要交叉进行，甚至反复多次，设计者应根据具体情况，灵活掌握。

所谓总体设计是指：针对所提出的任务、要求和条件，用具有一定功能的若干单元电路构成一个整体，来实现系统的各项性能。显然，符合要求的总体设计方案不止一个，应该针对设计的任务和要求，查阅资料，利用掌握的知识提出几种不同的可行性方案，然后逐个分析每个方案的优缺点，加以比较，进行方案论证，择优选用。

在方案的选择过程中，可用框图表示总的原理电路。框图不必画得过于详细，只要能正确反映各组成部分的功能和系统应完成的任务即可。

9.2.3 单元电路及参数确定

单元电路设计的一般步骤：

一．根据设计要求和已选定的总体方案原理图，明确对各单元电路的要求，详细拟定各单元电路的性能指标，注意各单元电路输入信号、输出信号、控制信号之间的关系与相互配合，注意尽量少用或不用电平转换之类的接口电路。

二．设计各单元电路的结构形式

在选择单元电路的结构形式时，最简单的办法是从过去学过的和所了解的电路中选择一个合适的电路。同时还应去查阅各种资料，通过学习、比较来寻找更好的电路形式。一个好的电路结构应该是满足性能指标的要求，功能齐全，结构简单、合理，技术先进等。

三．主要参数的计算与选取

参数计算的具体方法参阅模拟电子技术、数字电子技术以及各类实用电子技术书籍。但设计电路时的参数计算与做习题不一样。习题求解时通常的参数值为已知量，需要求解的只有1～2个参数，正确的答案一般也只有一个。而电路设计时除了对电路的性能指标有要求外，通常没有其它任何已知参数，几乎全部由设计者自己选择和计算，这样理论上满足要求的参数值就不会是唯一的了，这需要设计者根据具体情况灵活选择。所以设计电路中的参数计算，首先是计算，然后是根据计算值，对参数进行合理选择。

四．元、器件的选择

关于元、器件的选择问题，将在下面加以介绍。

9.2.4 数字电路设计中的若干问题

一．元、器件的选择

数字电路系统的设计，从某种意义上来讲，就是选择最合适的元、器件。不仅在设计单元电路，计算参数时要考虑选什么样的元、器件合适，而且在提出方案，分析、比较方案的优缺点作方案论证时，首先也要考虑选用哪些元、器件以及它们的性价比如何。因此，在设计过程中，选择好元、器件是很重要的一步。首先必须清楚设计的单元电路需要什么样的元、器件，也就是你选用的元、器件应有什么样的性能指标。

其次是有哪些可供你选用的元、器件，如哪些元、器件容易购买，哪些型号可以替换，它们的性能各是什么，体积多大等。

要做到更多的了解元、器件(主要指了解器件的性能、特点与使用要点等)，必须多查资料。这样不但对电路的合理选择、设计有利，而且对以后阶段设计调试的正常进行也有很大帮助。

数字电路的元、器件主要有：电阻、电容、分立元件和集成电路芯片等。有关这方面的详细内容请参阅其它资料。下面简单介绍选择时的注意要点：

1. 器件选用原则

由于集成电路具有体积小、功耗低、工作性能好、安装调试方便等一系列的优点而得到了广泛的应用，成为数字电路系统的重要组成部分之一。因此，在数字电路系统设计中，优先选用集成电路已成为人们所认可的一致看法。

但是也不要以为采用集成电路就一定比用分立元件好。例如有些功能相当简单的电路，只要用一只三极管或二极管及几个电阻就能解决问题，就不必选用集成电路了。如数字电路中的缓冲、倒相、驱动等应用场合就是如此。另外有些特殊应用情况(如高电压、大电流输出)，采用分立元件往往比用集成电路更切合实际。

2. 模拟集成电路的选择

在数字电路系统中，如果使用到传感器系统，这可能使用到模拟电路。常用的模拟集成电路主要有运算放大器、电压比较器、模拟乘法器、集成稳压块、锁相环、函数发生器等。设计中选择模拟集成电路的方法一般是先粗后细：先根据总体设计方案考虑选用什么类型的集成电路，如运算放大器有通用型、低漂移型、高阻型、高速型等，然后再进一步考虑它的性能指标与主要参数，如运算放大器的差模和共模输入电压范围、输出失调参数、开环差模电压增益、共模抑制比、开环带宽、转换速率等。这些参数值是选择集成运算放大器的主要参考依据。最后应综合考虑价格等其它因素而决定选用什么型号的器件。

3. 数字集成电路的选择

数字集成电路(简称数字IC)的发展速度非常快，经过近几十年的更新换代，到目前为止，已形成多种系列化产品同时并存的局面，各系列品种的功能配套齐全，可供用户自由选择。在选择数字集成电路时，必须了解：

数字集成电路的种类和特点

数字IC系列产品大体上分为TTL型、ECL型、CMOS型等三大类。

(1)TTL类型

这是以双极型三极管为开关元件，属双极型数字IC。其典型产品为54／74系列数字集成电路，其中54系列为军品，74系列为民品。TTL类型主要有8个品种系列，分别是标准型74系列、高速74H系列、肖特基74S系列、低功耗74L系列、低功耗肖特基74LS系列、先进肖特基74AS系列、先进低功耗肖特基74ALS系列、高速肖特基74F系列。TTL类型的发展过程是，其一，沿着74→74H→74S→74AS向高速化发展。其二，沿着74→74LS→74ALS向低功耗高速度方向发展。

TTL类型的主要特点有：

●不同系列的产品相互兼容，选择余地大。

●参数稳定，使用可靠。

●工作速度和功耗均介于ECL型与CMOS型之间，具有较宽的工作速度范围。

●采用+5V电源供电。

(2)ECL类型

ECL(发射极耦合逻辑)和TTL一样也是双极型数字IC。其系列产品主要有ECL—10K与ECL—100K两种系列，产品限于中小规模集成电路。其主要特点是：

●工作速度快。ECL门电路的传输延迟时间可缩短至1ns以内，是现代数字IC中工作速度最快的一种。适用工作频率范围为100～1000MHz。

●输出内阻低，带负载能力很强。

●功耗大；输出电平稳定性较差；噪声容限比较低；抗干扰能力较差。

(3)CMOS类型  

CMOS数字IC是用MOSFET作开关元件，属单极型数字IC。其系列产品主要有标准型（4000系列、4500系列）、40H型、74HC型与74AC型等4种。

CMOS集成电路的特点主要是：

• 静态功耗低。中规模集成电路的静态功耗小于100mW。

• 输入阻抗非常高。正常工作时，直流输入阻抗可大于100MΩ。

• 抗干扰能力强。电压噪声容限可达电源电压的45％。

• 扇出能力强。低频工作时，一个输出端可驱动50个以上的CMOS器件输入端。

在各种应用场合中，应该综合考虑各类数字集成电路的性能，以求得到最佳的应用搭配。

4. 阻容元件的选择

电阻和电容是两种使用最多的分立元件，它们的种类繁多，性能各异。在选择阻容元件的过程中，有以下几个方面需要考虑：

⑴根据不同电路对电阻和电容性能的要求，选用适合的电阻、电容器。如基本运算电路中的外接电阻，大都宜选用0.1％的金属膜电阻，不宜选用电感效应大的线绕电阻。又如，电源滤波回路中的电容，宜选用大容量(100～3 000μF)的铝电解电容。由于其对高次谐波的滤波效果差，通常还需并联小容量(0.01～0.1μF)的瓷片电容。

⑵选择阻容元件时，应尽量选用标称系列，并注意电阻器的允许误差范围与功率。注意选择电容器的容量与耐压值，在设计时对于电解电容还须注意其极性。

9.2.5  总体电路图的画法

在完成单元电路的设计、参数计算、器件选择之后，下一步应该画出总体电路图。当画出总体电路图以后，还要注意仔细的进行一次全面的审图，因为在设计过程中有些问题难免出错或者考虑不周，加之总体电路图又是进行组装、调试的依据，所以仔细审图可以减少调试过程的工作量。

如何才能画好总体电路图呢？一般要注意以下几点：

1．注意信号的流向，通常从输入端或信号源画起，由左至右或由上至下按信号流向依次画出各单元电路。

2．尽量把总体电路图画在一张图纸上，布局要合理，排列要均匀。如果电路比较复杂，需要绘制几张图时，应把主电路画在同一张图纸上，把独立的或次要的电路画在另外的图纸上，同时要标明各张电路画之间连线的来龙去脉。

3．连线要清楚，并且通常都画成水平线或垂直线，一般不画斜线。按新的画图规则，四端连接的交叉线，应在连接处用黑圆点表示，否则表示相互跨过，不连接；三端相连处可不画黑圆点。还应当注意元件的合理布局，使连线尽量短些，少拐弯。有的连线可用符号表示，例如地线常用“┷”表示，电源一般只要标出以“┷”为参考点的正、负电压的数值就可以了。

4．电路图中的集成电路芯片，通常用方框表示。在方框中标出它的型号，在方框的边线两侧标出每根连线的功能名称和管脚号，如图9.2.2(a)图所示。注意不要把电路图画成接线图，图9.2.2 (b)所示的画法是不合理的。

9.2.6  安装调试

数字电路系统的理论设计完成之后，便可根据电路图设计印刷电路板，制作好印刷电路板之后就可进入电路的安装调试阶段。安装调试过程也是对理论设计作出检验、修改，使之更加完善的过程。安装调试工作能否顺利进行，除了与设计者掌握的调试测量技术、对测试仪器的熟练使用程度以及对所涉及电路的理论掌握水平等有关外，还与设计工作中认真、仔细、耐心的态度有关。

调试工作从各单元电路的调试逐步扩大到整体电路的联调。联调主要是观察动态结果，测试电路的性能指标，检查电路的测试指标及设计指标是否相符，逐一对比，找出问题，然后进一步修改参数，直到满意为止。

调试完成之后，还应该注意最后校对以完善总体电路图，修正参数与错误，完成相关资料的整理与归档。