第七章第七章
数字电路的综合应用数字电路的综合应用
348
§７—２ 数字电路的设计与制作
§７—１ 数字电路基本读图方法
第七章 数字电路的综合应用
学习目标
1. 掌握数字电路的一般分析方法，能综合运用学过的基本逻辑部件知识
分析较复杂的电路。
2. 结合应用实例和动手操作，了解数字电路系统的设计和制作过程。
3. 了解排除数字电路故障的一般方法。
350
§7—1
数字电路基本读图方法
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第七章 数字电路的综合应用
实际应用的数字电路往往是由多个基本逻辑部件组合而成的，相应的电
路图也较为复杂。数字电路图的识读是掌握数字电子技术的重要环节。
一、电路图的种类
1. 原理框图
原理框图也称框图，它反映整个电路或系统的大致结构或功能组合。各
主要部分用小矩形框表示，框内可用文字、符号等作简要说明，各框间用
连线或箭头标出它们之间的信号流向或逻辑关系。阅读框图有助于对电路
或系统进行整体分析，了解其整体功能。
352
第七章 数字电路的综合应用
例如，图所示为3人表决器的原理框图，框图很清楚地表明，3人表决器
主要是由按钮开关、控制电路、显示电路3部分组成。
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人表决器原理框图
第七章 数字电路的综合应用
2. 原理电路图
在数字电路中原理电路图常被称为逻辑电路图，有时也简称电路图或逻
辑图。图所示为3人表决器的电路图，它由特定的电气图形符号组成，能具
体表明整机的电路结构、各单元电路的形式及相互之间的连接方式，并标
出元器件型号、元件参数，以便安装、检测和维修。对电路中使用的集成
芯片或其他特殊元器件，通常还另外给出引脚排列图。
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第七章 数字电路的综合应用
355
3人表决器电路图
第七章 数字电路的综合应用
3. 装配图
装配图也称安装图或布线图。它标明了电路各元器件在线路板或印制线
路板上分布的具体位置及各元件之间的连接或走向。
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3人表决器电路装配图
第七章 数字电路的综合应用
二、基本读图方法
一般读图步骤流程如下：
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第七章 数字电路的综合应用
读图时要注意以下几点：
1. 数字电路采用集成电路较多，元电路都设置在集成电路，在分析电路
时，无法直接对这些单元电路进行详细分析，所以更多是要通过框图来了
解整机电路的组成、信号的处理和传输过程。
2. 数字电路以集成电路为主，因此在分析电路时必须弄清每一个集成电
路其组成、引脚排列和逻辑功能，分析整机电路时则主要分析集成电路的
外部功能和外接元件的作用。
358
第七章 数字电路的综合应用
3. 一个数字集成电路往往有多个输入引脚和多个输出引脚，要注意区分；
特别注意有些引脚是接入控制信号，可能是低电平有效，也可能是高电平
有效，只有当几个输入信号都正常时，才能获得一个完整的输入信号。
4. 在电路分析中要注意信号的流向，如果一个信号经处理后分离为两个
或两个以上信号，可以先跟踪其中一个信号直至终端，然后再去跟踪另一
信号；还要注意在数字电路中，同一根数据线可能是单向传输，也可能是
双向传输，有时还可能是有选择地传输，这与模拟电路有很大不同。
5. 在数字系统中，往往既有数字信号又有模拟信号，读图时要注意它们
之间的相互转换。
359
第七章 数字电路的综合应用
三、读图练习实例
1. 数字钟电路
（1）电路功能
实现由秒-分-时的计数和时-分-秒（23时59分59秒）的显示。
（2）框图
数字钟电路原理框图如图所示。
360数字钟电路原理框图
第七章 数字电路的综合应用
（3）电路图
数字钟电路图如图所示。
361
数字钟电路图
第七章 数字电路的综合应用
数字钟电路图的各部分功能分析如下：
1）石英晶体振荡器和分频器。石英晶体振荡器和分频器组成秒信号发
生电路，如图所示。
362
秒信号发生电路
第七章 数字电路的综合应用
2）计数器。CD4518为双二—十进制计数器，其引脚排列如图所示。
363
CD4518双二—十进制计数器引脚排列
第七章 数字电路的综合应用
3）译码显示。CD4511是BCD七段译码/驱动器，其引脚由6只数码管分
别显示秒、分和时数。
4）校时电路。在刚接通电源时，由于数码管显示为任意值，所以需要
通过校时电路来进行调整。
364
第七章 数字电路的综合应用
2. 步进电动机数控电路
（1）电路功能
输出脉冲信号控制步进电动机按三相单三拍模式运转，即三相通电顺序
为U→V→W→U。
（2）框图
步进电动机数控电路原理框图如图所示。
365
步进电动机数控电路原理框图
第七章 数字电路的综合应用
（3）电路图
步进电动机数控电路图如图所示。
366
步进电动机数控电路图
第七章 数字电路的综合应用
1）脉冲发生器。由555时基电路组成多谐振荡器，3脚输出控制脉冲信
号，调节RP可改变脉冲频率。
2）环形脉冲发生器。
3）功率放大器及步进电动机。由3只功放管组成功放电路，将控制脉冲
信号放大后驱动步进电动机按U→V→W→U三相单三拍模式运转。
由发光二极管的亮、灭次序可知步进电动机的工作模式；由发光二极管
的亮、灭变化速度，可知步进电动机的转速。
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第七章 数字电路的综合应用
3. 交通信号灯控制电路
（1）电路功能
十字路口交通信号灯示意图如图所示，其工作流程如图所示。
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交通信号灯示意图 交通信号灯工作流程图
第七章 数字电路的综合应用
（2）框图
交通信号灯框图如图所示。
369
交通信号灯框图
第七章 数字电路的综合应用
（3）电路图
交通信号灯控制电路图如图所示。
370
交通信号灯控制电路图
第七章 数字电路的综合应用
1）分频器。由74LS161（同步10/16进制计数器）构成四分频器。将秒
脉冲信号CP输入分频器，经四分频后，每4 s输出一个脉冲信号，作为输入
下一级的移位脉冲信号。
2）扭环形计数器。由两片74LS194（双向移位寄存器）构成六位十二进
制扭环形计数器， 74LS194的低两位输出是六位扭环形计数器的Q4和Q5位。
3）译码电路。由逻辑门电路组成控制信号灯译码电路，在对环形计数
器输出状态组合后，在不同时段点亮各灯发光。
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第七章 数字电路的综合应用
4. 可预置定时电路
（1）电路功能
可通过外部操作开关，控制定时器的直接清零、启动和定时。
（2）原理框图
可预置定时电路的原理框图如图所示。
372
可预置定时电路原理框图
第七章 数字电路的综合应用
（3）电路图
可预置定时电路的电路图如图所示。
373
可预置定时电路电路图
第七章 数字电路的综合应用
1）脉冲发生器。如图所示，脉冲发生器采用由555时基电路构成的多谐
振荡器，输出脉冲0. 5 s。
374
用555时基电路构成的多谐振荡器
第七章 数字电路的综合应用
2）计数（时）电路。如图所示，计数（时）由双二—五—十进制计数
器74LS390构成一百进制的计数器。
375
一百进制计数器
第七章 数字电路的综合应用
3）预置电路。如图所示，预置电路用编码开关来实现，可将0~9转换成
8421码。
376
编码开关工作原理
第七章 数字电路的综合应用
4）比较控制电路
①比较器。
377
比较器控制电路图
第七章 数字电路的综合应用
5）译码显示电路。
如图所示译码显示电路，按下启动按钮后，计数器开始递增计数，译码
显示器显示数字，当递增到预置时间时，显示器显示“00”。
378
译码显示电路
§7—2
数字电路的设计与制作
379
第七章 数字电路的综合应用
一、数字电路的设计
数字电路的一般设计流程如图\所示。
380
数字电路的一般设计流程
第七章 数字电路的综合应用
数字电路设计过程中应注意以下几点：
1. 针对同一课题，可能会有多种设计方案，设计者应从电路的先进、结
构的繁简、成本的高低和制作的难面进行综合的比较和评价，最后确定一
种可行的方案。总体设计方案可用框图表示，框图应简洁、清晰地表示出
电路工作原理。
2. 对选用的方案必须细化到实际元器件，应尽量选用常用的标准电路和
元器件，优先选用中、大规模集成电路。这样不仅可以减少元器件数目，
而且可以提高电路的可靠性，降低成本。
381
第七章 数字电路的综合应用
3. 注意各单元模块之间的逻辑关系和时序关系，耦合接口必须匹配。为
避免使用电平转移电路，应尽量使用同一种类型的集成电路。
4. 绘制总体电路图应包含所有元器件。一般由信号输入端从左向右或从
上到下按信号流向依次绘制出各单元电路。
5. 为了验证电路的总体功能，避免在调试中出现故障，安装电路前可先
采用仿真软件对电路进行仿真测试，及时发现问题，改进电路。
382
第七章 数字电路的综合应用
二、数字电路的安装
数字电路的安装可采用焊接或接插两种方式，前者适用于定型产品的制
作，但在产品的设计调试阶段，为便于修改电路，更多采用接插方式。接
插方式即在插件板上实现元器件或导线的简单插入或拔出；也可以在实验
箱上利用锁紧式插件及带插头的导线进行接线，以提高接插的可靠性。
383
第七章 数字电路的综合应用
采用接插方式安装电路时应注意以下几点：
1. 数字电路的核心部件是集成电路，在安装电路前应首先检查集成电路
的好坏，包括外观检查和引脚测试，确保其合格方能使用。
2. 按电路图的输入、输出顺序合理布局，相邻元器件应靠近放置。
3. 实验箱普遍采用锁紧式接插件，连线时插头插入插孔，插头上方还可
重复再插。改插或撤线时，以按下再旋转方式拔出插头。
384
第七章 数字电路的综合应用
三、数字电路的调试
1. 通电前直观检查
安装好电路后不要急于通电，首先要认真仔细地进行直观检查。
（1）对照电路图检查元器件是否齐全，电源线、地线、信号线及集成
电路外引脚是否连接好，有无遗漏、接错、短路或接触不良等现象。
（2）注意检查集成电路的方向有无插反，某些不允的输入端是否按要
求接入。
（3）电路中二极管、三极管、电解电容器等引脚有无接错。
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第七章 数字电路的综合应用
2. 通电检查
直观检查无误后，将规定电源接入电路。不要急于测试，先要注意观察
以下情况：
（1）接通稳压电源后，稳压电源电压表所示电压值是否严重下跌，电
流表所示电流值是否过大，如果出现以上情况，说明电路有短路现象，应
立即断电检查。
（2）接通电源后，如电压表、电流表显示正常，应静观一段时间，看
是否有异常现象，包括有无冒烟、打火现象，是否有异常气味，听到异常
声音，手摸元器件是否发烫等，如发现异常，应立即断电检查。
386
第七章 数字电路的综合应用
3. 通电调试
（1）静态调试
接通电源后，输入固定的高、低电平，如图所示用发光二极管、数码管、
逻辑笔，或万用表等检查电路相关点的静态输出响应，如输出电平、逻辑
关系以及模拟电路的静态工作点等。
387
发光二极管逻辑电平显示器
a)无驱动电路b)加驱动电路c)逻辑笔
第七章 数字电路的综合应用
（2）动态调试
给数字电路输入系列脉冲信号，用示波器、数码管或频率计等观测电路
相关点的动态输出响应。
388
用示波器观测数字电路输入、输出波形
第七章 数字电路的综合应用
四、数字电路的故障检测与排除
1. 常用检查方法
（1）测电压法
用直流电压表测量电路关键点的直流电位，如模拟电路的静态工作点，
数字电路的输入、输出电平等。
389
TTL电路电压测量值正常范围
第七章 数字电路的综合应用
（2）测电阻法
测量电阻应在电路断电状态下进行，可用于检查电路中连线、焊点和熔
丝是否有短路和虚焊等故障，也可以检查电阻元件的阻值是否变值或断开，
电容元件是否开路、短路或漏电，二极管、三极管的正、反向电阻是否正
常。
（3）波形分析法
这是一种动态测试法，应在电路静态工作正常的情况下进行。
390
第七章 数字电路的综合应用
（4）元器件替代法
当怀疑某元器件有故障时，可用一个完好的同型号的元器件替代，置换
后，若电路工作正常，则说明原有元器件或插件板存在故障，可做进一步
检查。
（5）分隔法
为了准确地找出故障点，还可通过拔去某一部分插件和切断部分电路之
间的联系来缩小故障范围，分隔出故障部分。
391
第七章 数字电路的综合应用
2. 排除故障注意事项
（1）损坏元器件拆下后，要找到使其损坏的原因，对可能危及的相邻
元器件也要进行检查。在确认无其他故障后，再动手更换元器件。
（2）更换集成电路时，必须确认型号、规格一致，性能完好方可换上。
对于型号相同但前缀或后缀字母、数字不同的集成电路，应查阅相关资料，
对照功能参数，确定其能否替代。
（3）更换大功率的电阻器、晶体管、集成电路时，应采用同一功率等
级的元器件，一般不可用更高功率等级的元器件替代，以免电路原有的保
护功能失效。
392
第七章 数字电路的综合应用
五、参考选题一——四人抢答器
1. 功能要求
（1）用于四人（或少于四人）抢答场合。每个抢答者控制一个按钮，
按动按钮发出抢答信号。
（2）最先按下抢答按钮者，其对应的发光二极管亮，蜂鸣器响，表示
抢答成功。其后再有抢答者按下按钮无效。
（3）竞赛主持人控制复位按钮。
393
第七章 数字电路的综合应用
2. 制订方案
主要集成电路器件选用四位D触发器74LS175、4输入二与非门74LS20、
2输入与非门74LS00及555时基电路。
394
74LS175引脚排列
第七章 数字电路的综合应用
395
74LS175逻辑功能表
第七章 数字电路的综合应用
3. 电路图
图所示为四人抢答器电路图，电路核心是四位D触发器74LS175，其作
用是锁存抢答信号，S1~S4为抢答按钮，S5为主持
396
四人抢答器电路图
第七章 数字电路的综合应用
4. 器材准备
+5 V直流电源，逻辑电平开关，逻辑电平显示器，双踪示波器，数字频
率计，主要元器件明细见表。
397
四人抢答器的元器件明细表
第七章 数字电路的综合应用
5. 安装调试
（1）安装555时基电路构成的多谐振荡器，用示波器观察振荡波形。
（2）安装抢答部分电路。
（3）接通+5 V电源，观察电路工作情况。
（4）分别操作按钮S5和S1~S4，观察发光二极管和蜂鸣器工作状态是否
符合控制要求。
398
第七章 数字电路的综合应用
6. 分析与思考
（1）如果要求抢答成功后，相应发光二极管能闪烁发光，应如何处理
电路？试设计这部分电路。
（2）如果要求抢答成功后，能显示相应抢答选手的号码，应如何改进
电路?试设计这部分电路。
399
第七章 数字电路的综合应用
六、参考选题二——数字频率计的设计与制作
1. 功能要求
频率测量范围：1 Hz~9. 999 kHz。
数字显示位数：四位数字显示。
被测信号幅度：大于2 V（正弦波、三角波或方波）。
400
第七章 数字电路的综合应用
2. 制定方案
（1）数字频率计的工作原理
数字频率计是用数字显示被测信号频率的仪器。本选题采用直接
测量频率法，即在一定的闸门开启时间（即基准时间）内直接测量被
测信号的脉冲个数，如图所示。
401
数字频率计的工作原理
第七章 数字电路的综合应用
设计数字频率计，必须解决以下几个问题：
1）被测信号如何送入计数器？可采用整形电路，将不同波形和幅值的
信号转换为矩形脉冲，且幅值达到规定的数值范围，符合计数器对计数信
号的要求。
2）基准时间如何产生？可采用555时基电路组成多谐振荡器，获得基准
时间信号；也可采用石英晶体振荡器，再经分频器分频后获得稳定的基准
时间信号。
402
第七章 数字电路的综合应用
3）如何保证计数、显示和清零3个环节正常有序地工作？采用逻辑控制
电路，一是产生清零信号，使计数器每次测量都从零开始计数；二是产生
锁存脉冲信号，使显示器上数字稳定显示。
4）如何提高测量精度？基准时间的长短及其稳定度直接影响频率测量
的精度。任何数字式仪表都存在固有的±1计数误差，数字测频计也是如此。
403
第七章 数字电路的综合应用
（2）原理框图
根据以上分析，得出数字频率计原理框图如图所示。
404
数字频率计原理框图
第七章 数字电路的综合应用
3. 有关单元电路的设计及工作原理
（1）整形电路
由于输入信号幅度较大，所以可直接使用施密特触发器进行整形，电路
如图所示。
405
用555时基电路组成的施密特触发器电路图
第七章 数字电路的综合应用
（2）时基电路
基准时间信号设定为1 s，即要求信号高电平持续电平为1 s。
406
用555时基电路组成多谐振荡器电路图
第七章 数字电路的综合应用
（3）逻辑控制电路
选用74LS123双可再触发单稳态多谐振荡器，产生锁存信号和清零信号。
407
74LS123引脚排列
第七章 数字电路的综合应用
（4）锁存器
锁存器的作用是将计数器在1 s结束后所计得的数锁存起来，使显示器能
稳定地显示此时的计数值。选用八位D触发器74LS273可以实现这一锁存功
能。
408
74LS273引脚排列
第七章 数字电路的综合应用
（5）译码显示器
选用BS212共阳极LED显示器，因此译码驱动器要相应选用低电平有效
地74LS47。
74LS47和BS212引脚排列分别如图所示。
409
74LS47引脚排列 BS212引脚排列
第七章 数字电路的综合应用
（6）计数器
测频计要求最高测量频率为9 999 Hz，所以要采用四位十进制计数器。
410
74LS90引脚排列
第七章 数字电路的综合应用
4. 电路总图
综合上述（1）~（6）部分功能电路，画出数字频率计的总电路如图所
示。
411
数字频率计的总电路图
第七章 数字电路的综合应用
5. 器材准备
+5 V直流电源，双踪示波器，连续脉冲源，逻辑电平显示器，数字频率
计，数字电压表，主要元器件明细见表。
412
元器件明细表
第七章 数字电路的综合应用
6. 安装与调试
（1）按上总电路图安装电路，要求布线整齐，便于级联和调试。
（2）调整时基电路（通过电位器RP调节），使其输出脉冲信号1 s。
（3）给整形电路输入幅度为1 V、频率为1 kHz的正弦信号，用示波器
观察输出是否为方波信号。
（4）将计数器、锁存器、蜂鸣器、数码管连接起来，给计数器输入计
数脉冲，观察电路能否正常工作。
（5）将各单元电路连接起来统调。
413
第七章 数字电路的综合应用
7. 分析与思考
（1）如果被测信号幅度过大或过小（与1 V相比），应如何处理？试画
出电路的原理框图。
（2）如果要求把频率测量范围扩大为三挡：1~9. 999 kHz，1~99. 99
kHz，1~999. 9 kHz，应如何处理？试画出电路的原理框图。
（3）为了提高测量精度，该电路应如何改进?
414
