电子技术课程设计
(数字部分 )
物理与电子工程学院
2006年 04月
目录
? 第一章 数字系统设计方法 (4)
? 第二章 数字钟电路设计 (4)
? 第三章 数码显示、点阵显示和 LCD显示 (2)
? 第四章 数字频率计设计
? 第五章 语音数字化存储与回放系统设计
第一章 数字系统设计方法
? 概述
? 数字系统的设计步骤
（ 一） 分析／确定系统功能
（二） 确定系统方案
（三） 设计系统方框图
（四） 逻辑功能划分
（五） 信息处理电路的设计
（六） 控制电路设计
（七） 系统电路的综合与优化
（八） 系统性能测试
（九） 撰写设计文件
概述
本部分是在已对 模拟电子技术、数字电子技术、单片
机、可编程逻辑器件 等有所掌握的基础上，着重从电子线
路设计的角度对数字系统的有关知识加以讲解，同时也简
略介绍一些较新的技术。
数字系统的设计正如一般电子产品一样，它包含：
（ 1）系统功能设计
（ 2）可靠性设计
（ 3）产品化设计
可靠性设计中的故障预防和故障容错设计将在后续章
节中予以简介。
产品化设计由于涉及的许多技术超出我们讨论范畴只
能割爱。
我们主要讨论功能设计的有关内容。
一,数字系统设计方法
? 数字系统通常是指能完成比较复杂逻辑功能的若干数字电
路的集合。
? 数字系统的规模差异很大，一个大的数字系统（如数字电
子计算机）可以认为是由若干数字系统构成。在许多情况
下，数字系统可由 图 1.1中的信息处理电路和控制电路两
部分构成。
? 信息处理电路主要完成信息的采集、调理、传输、处理等
工作。
? 控制电路的作用是协调和管理各信息处理单元电路的工作，
定时发出控制信号，使各部分电路协调一致地完成系统规
定的任务。
1.1.1 数字系统的设计步骤
一般 数字系统的设计步骤如图 1.2流程图所。
（一）分析／确定系统功能
系统设计首先要做的是必须在仔细分析设计
课题的基础上，明确系统的 任务, 所要达到的技
术性能, 精度指标, 输入输出设备, 应用环境 以
及有哪些特殊要求等。设计者有时接到的课题比
较笼统，上述的技术问题要靠设计者的消化、分
析与理解，特别要和课题提出者、系统使用者反
复磋商，并在应用现场进行实地考察以后才能最
后明确的确定下来。
例 1,1 设计简易数码锁。
设计者必须了解以下技术要求：
1．数码输入方式,是采用拨盘开关设置或采用按键
或拨号盘等输入。
2．使用程序,即除输入数码外是否要设置其它控
制信息（如输入认可键），是否应规定一定的操作顺序。
3．用户送错数码如何处理,肯定应该允许错误数码
输入，那么是否错码输入后只要接着输入正确数码，再按
下认可键，也能开启锁？这样一来认可键的功能应该只承
认在它按下前的几位数码有效。
4．可否由用户自行修改（设置）开启锁的数码？
5．执行部件要求,数码锁输出推动何种执行机构使
锁头动作？
6．供电方式,停电时如何保证数码锁正常工作？能
维持多长时间？
例 1,1 设计简易数码锁（续）
上述问题的明确结果可能是：
（ 1）采用数字按键输入，数码为 6位。
（ 2）开机上电后系统自动复位，处于准备接收数码的
准备状态。
（ 3）设置一只认可键，每次输入数码后必须按认可键。
认可键只承认最后 6位输入数码，若与本锁规定数 码相符
则使执行机构动作。
（ 4）用户不能设置（修改）密码。在制造时一锁一码，
固定不变。
（ 5）锁头机构为电磁铁，电磁线圈电压为 12V，驱动
电流为 100mA。
（ 6）交直流供电。平时交流供电并给蓄电池充电。交
流停电时自动切换为蓄电池供电，并可维持 24小时工作。
（二）确定系统方案
? 明确了系统技术性能以后，应考虑如何实现这些技术功能，
即采用哪种电路来完成它。具体地说是用一 般数字电路
还是用 MCU（ Microcontroller Unit——微控制器，
单片微型计算机）？
? 对于那些功能比较简单的系统可采用 SSI,MSI和 LSI
数字集成电路（或可编程器件）构成，即为纯硬件电路来
实现。
? 考虑到 MCU已成为一种可编程的智能化的 VLSI器件，自
然对那些功能较复杂的系统成为备受设计者青睐的优选对
象。
? 简易数码锁这一课题既可由一般数字电路也可由 MCU完
成。但后者的电路更为简洁。
（三）设计系统方框图
? 上述课题虽然功能并不复杂，但若采用普通数字集
成电路来实现，在输入信号的获取、存储与比较几
个环节的处理上颇费周折，远不如采用 MCU来得
明快简单。实现其功能的 系统方框图如图 1·3所示。
? 图中键 盘可采用矩阵编码输人。 MCU、地址锁存
器和程序存储 器组成单片机最小系统。 MCU的一
根输出口线，经驱动电路带动电磁锁头动作。电源
部分由交流供电，但带有蓄电池以及相应的充放电
切换电路，它供给 MCU以 及锁头电磁铁用电。
? 系统方案的选择与方框图设计往往难分先后，经常
交叉进行。
（四）逻辑功能划分
? 逻辑功能划分是指 根据系统的方框图和工作情况将系统划
分为信息处理和控制电路两部分 。
下面通过 简易频率计的原理方框图 来说明逻辑功能的
划分 。
被测信号 fx在闸门信号 C的控制下通过闸门 G计数器
计数 。 计数结果通过锁存器, 译码器后在显示器中显示 。
该简易频率计的闸门 （ 时基 ） 信号持续时间为 1s,故在
这段时间内计数器计得的数据 N即为被测信号的频率 。 欲
使计数器正常工作必须在每次计数前使计数器复位, 这靠
复位信号 R完成 。 若每次计数后由锁存使能信号 LE将计数
结果予以锁存, 则每次测量结果将被, 记忆, 到下次测量,
闸门 G,计数器, 锁存器, 译码器, 显示器构成信息处理
电路 。 而图 （ C） 中的时钟振荡器, 2分频器, 双稳态触
发器则为控制电路, 它所产生的信号 C,R,LE协调控制
整个频率计的工作 。
（五）信息处理电路的设计
? 首先根据信息处理电路的功能要求将其分成若于
功能模块（如图 1.4中的计数器等）；画出相功
能方框图。然后再按照 图 1.5的流程 根据每一个
功能模块的子任务分别进行设计。
? 这里先要区别模块的类型，即属于组合逻辑电路
还是属于时序逻辑电路，然后分别进行设计并经
测试，肯定其性能符合要求，且无竞争一冒险，
然后转入控制电路设计。
（六）控制电路设计
控制电路是整个数字系统的核心,它根据外部输入信
号及由受其控制的信息处理电路来的状态信号，产生对受
控电路的控制信号，有时也产生外部输出信号。
小型数字系统中常用的控制电路有如下三种：
1．移位型控制器
由移位寄存器或具有延时特性的触发器组成控制电路。
由于一个状态往往需要使用一个触发器，状态时成本较高，
但设计简单。图 1.4简易频率计的控制电路即属于这一类。
2．计数型控制器
由计数器构成控制电路。计数器对时钟脉冲计数，计
数值直与时间有关，在特定的计数值通过译码器输出控制
信号。显然控制状态较多时成本较低。
3,微控制器
是以计算机为核心的一类新型控制器
(七 )系统电路的综合与优化
在信息处理的各功能模块 (单元电路 )和控制电路达到预期要求以后，即
可把上述各部分予以综合和优 化，以构成系统电路。这时应注意以下问题：
1．以信息流通路径为主线
构成系统电路的顺序通常按信息的流通路径为线索进行。综合时注意信
息分流、量程、功能开关的设置，主电路印制板 (PCB)与其它印制板分工与
连线等。
2．电路化简
系统电路构成以后，应审查一下总的逻辑关系，检查是否还有化简的可
能 (特别是组合逻辑 ) 。利用合并、代用的原则尽可能减少集成块的数量，不
论对提高系统可 靠性和减小 PCB体积都是十分有益的。 例如, 某系统内共
含 4个十进位计数器,7个反相器,3个双输入与非门。则整个系统只需采用
2片 CD4518(双重十进制计数器 ),1片 CD4069(六重反相器 ),1片
CD4011(四重双 输入与非门 )即可。其中 4011的一个与非门的两输入端
并联代替反相器。
3．器件间或电路间的电平配合
系统内最好采用同一类型的器件。当采用不同类型器件时要注意处理相
互间的电平配合，不同电源电压的数字电路之间，模拟与数字电路之间更需
要注意电平配合。
(七 )系统电路的综合与优化（续）
4．空闲端处理
尽管标准 TTL输入端悬空相当于输入高电平，但考虑到
悬空输入端易感应干扰信号，故各种门,触发器、计数
器等的未用输入空闲端，不论是 TTL或 CMOS器件都应
当妥善地接至某一固定电平或并联使用。 所接电平的选
择原则是保持原有的逻辑功能。
问题 2：与非门的空闲端应接高电平还是低电平？或非
门呢？未用输出端如何处理？。
５．信号配合
边沿触发器和计数器对触发信号和时钟信号有上升沿和
下降沿二种要求。必须处理好电路间由于这种要求所产生
的配合问题。例如对异步计数器而言这种配合处理错误，
会使加减计数器的功能逆变。
信号配合问题举例
? 例如 某数字钟的秒钟信号 A经分频后产生,B信
号的频率为 1Hz，且在复位信号的控制下准确地
在 0.5s时上升，在 1s时下降。正确的信号配合
应选用下降沿触发的秒计数器。这时秒计数器最
低位的变化如 图 1.8实线所示，正好在 1s时 C＝ 1。
如错选为上升沿的秒计数器，则在 0,5s时 C＝ 1，
如虚线所示，于是在计时的第 1秒钟产生了
O,5s的误差，尽管这种接法不影响第 1秒以后
的计时。
（八）系统性能测试
它包含三部分工作：
1．系统故障诊断与排除
即使信息处理各功能模块及控制电路均已达到预期性
能，但整机综合后仍然可能出现某些由于各种原 因而产
生的故障，这些故障自然必须排除。
2．系统功能测试
检查系统所有规定的功能能否完成。如简易频率计是
否能测频。数字时钟是否能正常计时，是否能设置时间。
3．系统性能指标测试
主要是测试系统的精度、稳定度及其它具体技术指标。
如简易频率计的测频误差，温漂与时漂，电源的拉偏 (即
供电电源变化对指标的影响）。如考虑产品化设计还应进
行器件离散影响等测试。进行此项测量时，所选测量仪器
的精度至少要比系统要求的精度高一个数量级。 若系统
功能或性能指标达不到要求，则必须修改电路设计。
（九）撰写设计文件
应整理撰写的设计文件有：
1.系统详尽的软硬件资料。
2.元器件清单。
3.功能与性能测试结果。
4.使用说明书等。
附图：密码锁设计电路图
1 2 3 4
A
B
C
D
4321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e vi s i o nS i z e
A4
D a t e, 1 5- N o v- 2 00 3 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ p r oj e c t \ 未来科技 \ 电路图 \ 未来科技, D d bD r a w n B y,
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WR
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38
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P S E N
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1
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O U T P U T
R R 1
R R 2
V C C
P 2, 6
P 2, 6
第一章结束
第二章 数字钟电路设计
（ Design of Digital O?clock）
? 数字钟的功能要求
? 数字钟电路系统的组成框图
? 主体电路的设计
? 振荡器的设计
? 分频器的设计
? 时分秒计数器的设计
? 译码显示电路设计
? 校时电路的设计
? 功能扩展电路的设计
? 定时控制电路的设计
? 仿广播电台正点报时电路的设计
? 报整点时数电路的设计
? 整机电路
? MCU控制的数字钟
一、数字钟的功能要求
1、基本功能
? 准确计时，以数字形式显示时、分、
秒的时间；
? 小时的计时要求为, 12翻 1”，分和秒
的计时要求为 60进位；
? 校正时间。
一、数字钟的功能要求 (续 )
2、扩展功能
? 定时控制；
? 仿广播电台正点报时；
? 报整点时数；
? 触摸报整点时数；
? 其他。
二、数字钟电路系统的组成框图
如 图 2.1所示，数字钟电路系统由 主体电路 和 扩展电路
两大部分所组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，
扩展电路完成数字钟的扩展功能。
该系统的工作原理是：
?振荡器产生高稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间
基准（系统时钟），再经分频器输出标准秒脉冲信号。
?秒计数器计满 60后向分计数器进位，分计数器计满 60
后向小时计数器进位，小时计数器按照, 24翻 1”规律
计数。计数器的输出经译码器送显示器。
?计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。
扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功
能扩展。
三、主体电路的设计
? 主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计
这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，
如所有功能部件都采用 TTL集成电路或都采用
CMOS集成电路。
? 整个系统所用的器件种类应尽可能少。
? 下面介绍各功能部件与单元电路的设计。
1．振荡器的设计
? 振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及
频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，
通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来
说，振荡器的频率越高，计时精度越高。
振荡器的设计方案一
? 图 2.2为电子手表集成电路 (如 5C702)
中的晶体振荡器电路，常取晶振的频率
为 32768Hz因其内部有 15级 2分频集
成电路，所以输出端正好可得到 1Hz的
标准脉冲
振荡器的设计方案二
如果精度要求不高也可以
采用的由集成逻辑门与
RC组成的时钟源振荡器
或由集成电路定时器 555
与 RC组成的多谐振荡器。
这里选用 555构成的多谐
振荡器，设振荡频率 f0＝
103Hz，电路参数如图
2.3所示。
图 2.3 555多谐振荡器
555
2．分频器的设计
分频器的功能主要有两个：
? 一是产生标准秒脉冲信号；
? 二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报
时用的 1kHz的高音频信号和 500Hz的低音频信号
等。
? 选用 3片中规模集成电路计数器 74LS90可以完成
上述功能。因每片为 1／ 10分频,3片级联则可获
得所需要的频率信号，即第 1片的 Q0端输出频率为
500HZ，第 2片的 Q3端输出为 10Hz，第 3片的
Q3端输出为 1Hz。
3．时分秒计数器的设计
? 分和秒计数器都是模 M=60的计数器，其计数规律
为,00-01-… -58-59-00… 选 74LS92作十位
计数器,74LS90作个位计数器。再将它们级联组
成模数 M=60的计数器。
? 时计数器是一个, 24进制, 的特殊进制计数器,即
当数字钟运行到 24时 59分 59秒时秒的个位计数器
再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为 00时
00分 00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。
4．译码显示电路设计
74LS47,74LS48为 BCD—7段译码 /驱动器，其中，
74LS47可用来驱动共阳极的发光二极管显示器示器，而
74LS48则用来驱动共阴极的发光二极管显示器。
74LS47为集电极开路输出，用时要外接电阻；而
74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻 (可以直接
与显示器 连接 )。 74LS48的功能表如表 2.4所示，其中，
A3A2AlA0为 8421BCD码输入端,a—g为 7段译码输出
端。
各使能端功能简介如下：
/LT 灯测试输入使能端。 当 LT＝ 0时，译码器各段输出均为高
电平，显示器各段亮，因此,LT＝ 0可用来检查 74LS48和显示器的
好坏。
/RBI 动态灭零输入使能端。 在 LT＝ 1的前提下，当 /RBI＝ 0且
输入 A3A2AlA0＝ 000时，译码器各段输出全为低电平，显示器各
段全灭，而当输人数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和
显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。
/BI 静态灭零输入使能端,只要 BI＝ 0，不论输入 A3A2AlA0为
何种电平，译码器 4段输出全为低电平，显示器灭灯 (此时 /BI／
RBO为输入使能 )。
/ RBO 动态灭零输出端。 在不使用 /BI功能时,BI／ RBO为输
出使能 (其功能是只有在译码器实现动态灭零时 RBO＝ 0，其它时候
RBO＝ 1)。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进
行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的 RBO接到相邻低位的 RBI，
实现小数位的零消隐是将低位的 RBO接到相邻高位的 RBI。
74LS48功能表
74LS48构成的 1000进制计数、译码显示电路
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L e t t e r
D a t e, 2 - D e c - 20 03 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ p r oj e c t \ 未来科技 \ 电路图 \ 未来科技, D d bD r a w n B y,
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5．校时电路的设计
当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间
(或称校时 )。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手
表都具有时、分、秒等校时功能。为使电路简单，这里只进
行分和小时的校时。
? 对校时电路的要求是：
在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不
影响秒和小时的正常计数。
校时方式有, 快校时, 和, 慢校时, 两种,,快校时,
是，通过开关控制，使计数器对 1Hz的校时脉冲计数。, 慢
校时, 是用手动产生单脉冲作校时脉冲。图 2.4为校, 时,,
校, 分, 电路。其中 S1为校, 分, 用的控制开关,S2为校
,时, 用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的 1Hz脉冲，
当 S1或 S2分别为, 0”时可进行, 快校时, 。
图 2.4 校“时”、校“分”电路
需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑
电路，开关 Sl或 S2为,0”或,1”时，可能会产生抖动，
接电容 C1,C2可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖
动开关电路。
四、功能扩展电路的设计
1、定时控制电路的设计
数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路, 闹时, ；
或对某装置的电源进行接通或断开, 控制, 。不管是闹时还是
控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
例 要求上午 7时 59分发出闹时信号，持续时间为 1分钟。
7时 59分对应数字钟的时个位计数器的状态为
(Q3Q2Q1Q0)H1＝ 0111，分十位计数状态为
(Q3Q2Q1Qo)M2＝ 0101，分个位计数器的状态为
(Q3Q2QlQ0)M1＝ 1001。若将上述计算器输出为, 1”的
所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正
好在 7时 59分响，持续 1分钟后 (即 8点时 )停响。所以闹时控
制信号 Z的表达式为,
Z=(Q2Q1Q0)H1
(Q2Q0)M2(Q3Q0)M1
四、功能扩展电路的设计（续）
? 式中,M为上午的信号输出，要求 M＝ 1。
? 如果用与非门实现逻辑功能，则可以将 Z进
行变换,实现上式的逻辑电路 如图 2.6所示，其中
74LS20为 4输入二与非门,74LS03为集电极
开路 (OC门 )的 2输入四与非门，因 OC门的输出
端可以进行, 线与,,使用时在它们的输出端与
电源十 5V端之间应接一电阻 RL，取 RL＝ 3.3k。
如果控制 1kHz高音和驱动音响电路的两级与非
门也采用 OC门，则 RL的值应重新计算。
2．仿广播电台正点报时电
路的设计
仿广播电台正点报时电路的
功能要求是：每当数字钟计时
快要到正点时发出声响，通常
按照 4低音 1高音 的顺序发出间
断声响，以最后一声高音结束
的时刻为正点时刻。 设 4声低音
(约 500Hz)分别发生在 59分 51秒、
53秒,55秒及 57秒，最后一声
高音 (约 1kHz)发生在 59分 59秒，
它们的持续时间均为 1秒。如表
2.2所示。
表 2.2秒个位计算器状态
由 表 2.2可得,Q3S1 =“0” 时 500Hz
输入音响； Q3S1 =“1” 1kHz输入音响。
只有当分十位的 Q2M2Q0M2＝ 11，分个
位的 Q3M1,Q0M1＝ 11。秒十位的
Q2s2Qos2＝ 11及秒个位的 Q0S1＝ 1时，
音响电路才能工作。仿电台正点报时的电
路如 图 2.7所示。这里采用的都是 TTL与
非门，如果用其它器件，则报时电路还会
简单一些。
3．报整点时数电路的设计
报整点时数电路的功能是：每当数字钟计时到整点时发出音响，
且几点响几声。实现这一功能的电路主要由以下几部分组成：
（ 1） 减法计数器 完成几点响几声的功能。即从小时计数器的
整点开始进行减法计数，直到零为止。
（ 2）编码器 将小时计数器的 5个输出端 Q4,Q3,Q2、
Q1,Q0按照,12翻 1”的编码要求转换为减法计数器的 4个输入
端 D3,D2,D1,D0所需的 BCD码。编码器的真值表如 表 2.3
所示。
（ 3）逻辑控制电路 控制减法计数器的清,0”与置数。控
制音响电路的输入信号。
根据以上要求，采用了如 图 2.8所示的报整点时数的电路。
其中编码器是由与非门实现的组合逻辑电路，其输出端的逻辑表
达式由 5变量的卡诺图可得。 D1的逻辑表达式：
减法计数器选用 74LSl91，各控制端
的作用如下：
/LD为置数端 。 当 /LD＝ 0时将小时计
数器的输出经数据输入端 D0D1D2D3的数
据置入。 /RC为溢出负脉冲输出端。当减
计数到,0”时,/RC输出一个负脉冲。
U/D为加减控制器。 U／ D＝ 1时减法计数。
CPA为减法计数脉冲，兼作音响电路的控
制脉冲。
逻辑控制电路 由 D触发器 741S74与多
级与非门组成，如图 2.8所示。
电路的工作原理是：
接通电源后按触发开关 S，使 D触发器清,0”，即 1Q=0。该清
,0”脉冲有两个作用：其一，使 74LSl91的置数端 /LD＝ 0，既将此
时对应的小时计数器输出的整点时数置入 74LSl91：其二，封锁
1kHz的音频信号，使音响电路无输入脉冲。当分十位计数器的进
位脉冲 Q2M2的下降沿来到时，经 G1反相，小时计数器加 1。新的小
时数置人 74LSl91。 Q2M2的下降沿同时又使 74LS74的状态翻转，
1Q经 G3,G4延时后使 /LD＝ 1、此时 74LSl91进行减法计数，计数
脉冲由 CP0提供。 CP0＝ 1时音响电路发出 1kHz声音,CP0＝ 0时
停响。当减法计数到 0时，使 D触发器的 1CP＝ 0，但触发器状态不
变。当 /RC＝ 1时，因 Q2M2仍为 0,CPH＝ 1，使 D触发器翻转复
,0”,74LSl91又回到置数状态，直到下一个 Q2M2的下降沿来到。
实现自动报整点时数的功能。如果出现某些整点数不准确，其主要
原因是逻辑控制电路中的与非门延时时间不够，产生了竞争冒险现
象，可以适当增加与非门的级数或接人小电容进行滤波。
五、整机电路
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F i l e, C, \ D O C U M E ~ 1 \ l w h a i \ L O C A L S ~ 1 \ T e m p \ R a r \ 数字钟, d dbD r a w n B y,
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60 进制
校时脉冲
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M I N U T E
整点报时电路
校时显示电路
时基电路
信号源
5．主体电路的级连及装调
① 由图 2.1所示的数字钟系统组成框图 按照信号的流向 分级
安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能
电路。
②级联时如果出现 时序配合 不同步，或尖峰脉冲干扰，引起
逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变
化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，
可在集成电路器件的电源端 Vcc加滤波电容。通常用几十
微法的大电容与 0.01uF的小电容相并联。
③ 画数字钟的主体逻辑电路图 。经过联调并纠正设计方案中
的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设
计要求。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，如图
2.5所示。如果因实验器材有限，则其中秒计数器的个位
和时计数器的十位可以采用发光二极管指示，因而可以省
去 2片译码器和 2片数码显示器。
六,MCU控制的数字钟
MCU
LED显示器锁存（ 1）
驱动器
译码器锁存（ 2）
键盘
时钟芯片
2、原理框图
1,数字系统的 MCU设计方法
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D
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N u m b e r R e vi s i o nS i z e
B
D a t e, 2 8- M a r - 2 00 6 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ 2 00 6 年 \ 模块电路 \ 单片机控制数字钟 V 1, 0 （ 2 00 60 3 ） \ O C L O C K - V 1, 0, D d bD r a w n B y,
e
1
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2
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7 4L S 13 8
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D S 13 02
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3, 6V
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2 20 U
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0.1
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DQ
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D S 18 20
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P 13
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4, 7K
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+ 5V
3
S I C 1
L M 78 05 C T
S C 1
4 70 U S C 3
4 70 U
S R 1
2K
S L 1
LED
V C C
S D 1
S D 2
S D 3
S D 4
S C K ( P 1 7)
1
GND
2
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3
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NC
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NC
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NC
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P 16
P 17
P 15
P 16
P 17
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4 7U DY3
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DY4
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V C C
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I C 8 C
7 4L S 02
11
12
13
I C 8 D
7 4L S 02
3,MCU控制的数字钟电路
第二章结束
第 章 数码显示、点阵显示和 LCD显示
? 发光二极管显示器
? 动态显示
? 静态显示
? 点阵显示
? LCD显示
3.1 发光二极管显示器
发光二极管显示器分为共阴极和共阳极显示
器图示如下：
3.2 四位静态显示
1 2 3 4
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7 4L S 48
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c1d1e1
g1 f1
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7 4L S 48
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7 4L S 48
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c3d3e3
g3 f3
a3 b3 c3 d3 e3 f3 g3
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7 4L S 48
a4 b4
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a4 b4 c4 d4 e4 f4 g4
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7 4L S 90
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1
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V C C
3.3 八位动态显示
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3.4 点阵显示
——点阵显示块
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B、点阵显示简易控制电路
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B
C
74LS138
IN2
74LS164
RXD
TXDIN1
C、点阵显示扩展电路
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I C 4
1 38
V C C
1
2
J1
1
2
3
4
J2
3.5 单片机与 LCD
——接 口 设 计
任务 1,如何在 LCD的指定位置显示出
指定的字符。
2行 × 16列
A
b
任务 1,如何在 LCD的指定位置显示
出指定的字符。
2行 × 16列
A
b
任务 2,如何在 LCD的指定位置显示字
符串 。
2行 × 16列
Shenzhen
Polytechnic
基本内容
? LCD接口 程序设计 **
? 字符型 LCD模块的使用方法
? 单片机与字符型 LCD模块 接口电路
≈≈≈≈ NOTICE≈≈≈≈
LCD,Liquid Crystal Display
一、字符型 LCD模块
Shenzhen
Polytechnic
?LCD实验模块的连接管脚
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
Vss,+5V电源管脚 (Vcc)
VDD,地管脚 (GND)
Vo,液晶显示驱动电源 (0V～ 5V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
DB0～ DB7,数据线，可以用 8位连接，也可以只用高
4位连接，节约单片机资源，本实验中采用的是八位
连接方法。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
A,背光控制正电源
K：背光控制地
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
?单片机与 LCD模块之间有四种基本操作：
写命令
读状态
写显示数据
读显示数据
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
RS R/W 操作
0 0 写命令 操作（初始化、光标定位
等）
0 1 读状态 操作（读忙标志）
1 0 写数据 操作（要显示内容）
1 1 读数据 操作（可以把显示存储区
中的数据反读出来）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
RS,数据和指令选择控制端,RS=0:命令 /状态； RS=1:数据
R/W,读写控制线,R/W=0:写操作； R/W=1:读操作
E,数据读写操作控制位,E线向 LCD模块发送一个脉冲，
LCD模块与单片机之间将进行一次数据交换
二、单片机与字符型 LCD模块接口 数据线：DB7～ DB0接
单片机的
P1.7 ～ P1.0
控制端：
RS ～ ～ P3.0
R/W ～ ～ P3.1
E ～ ～ P3.2
单片机与 LCD模块硬件连接
? 实验模块,A01,A07
? 连线表：
动手做
A01 A07
连接 1 +5V/GND +5V/GND
连接 2 P1.0-P1.7 DB0-DB7
连接 3 P3.0 RS
连接 4 P3.1 RW
连接 5 P3.2 E
注意,连接时，需要将跳线设置与 E
端接通
三,LCD接口程序设计
? 程序设计
? 功能设置 —— 写命令 子程序
LCD初始化,按一定顺序写命令字
如：写清屏命令字,写 DDRAM光标定位 地址命令字
? 显示数据 —— 写数据 子程序
? 读入状态字 —— 读状态 子程序
1,读状态字
RS R/W 操作
0 0 写命令操作（初始化、光标定位
等）
0 1 读状态操作（读忙标志）
1 0 写数据操作（要显示的内容）
1 1 读数据操作（可以把显示存储区
中的数据反读出来）
? E (P3.2):
? RS （ P3.0） =0;
? R/W（ P3.1） =1;
RS EQU P3.0
RW EQU P3.1
E EQU P3.2
?E(P3.2):
?R/W(P3.1)=1;
?RS(P3.0)=0;
SETB RW ;RW=1
NOP ;3条
CLR RS ;RS=0
NOP ;3条
SETB E ;E=1
NOP ;3条
MOV A,P1 ;读入状态字
NOP ;3条
CLR E ;E=0
NOP ;3条
CLR RW ;RW=0
STAT:
RET
2,写命令字（ 实训教程 P33）
RS R/W 操作
0 0 写命令操作（初始化、光标定位
等）
0 1 读状态操作（读忙标志）
1 0 写数据操作（要显示的内容）
1 1 读数据操作（可以把显示存储区
中的数据反读出来）
? E:
? RS=0; R/W=0;
?采用查询方式,读入状态字,再判断忙标志 ACC.7。
RW=0
RS=1
E=1
命令字 → A,A →P1
E=0
RS=0
返回
写数据
读入状态字 → A
ACC.7=0?
不忙吗？
延时
Y
N
动手做
假定显示数据已
存放到内部 RAM
的 21H单元
3,命令字
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示状态设置 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
清除屏幕，置 AC
为零 —— 01H
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示状态设置 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
设光标移动方向并
指定整体显示是否
移动。
I/D=1：增量方式
I/D=0：减量方式
S=1：移位
S=0：不移位
00000110—— 06H
设整体显示开关
（ D），光标显示
开关（ C），光标
位的字符闪耀（ B）
D=1;C=0;B=0
00001100—— 0cH
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
设接口数据位数
（ DL），显示行数
（ L），及字型（ F）
DL=1,8位 =0,4位
N=1:2行 =0:1行
F=1:5× 10 =0,5× 7
00111000—— 38H
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
设置 DDRAM地
址，为显示定位
4,初始化 LCD
上电
延时 20ms
功能设置
延时 37us
显示状态设置
延时 37us
清屏
延时 1.52ms
输入方式设置
初始化结束
38h
0ch
01h
06h
动手做
5,定位光标位置
把显示数据显示在某个位置，就是把显示数据写在相应的
DDRAM地址中,DDRAM地址占 7位。 Set DDRAM
address命令如下,
row 1 2 3 4 5 …… 14 15 16
line1 00H 01H 02H 03H 04H …… 0dH 0eH 0fH
line2 40H 41H 42H 43H 44H …… 4dH 4eH 4fH
≈≈≈≈ NOTICE≈≈≈≈
?光标定位，写入一个显示字符后,DDRAM地址会 自动加
1或减 1，加或减由输入方式字设置；
? 第 1行 DDRAM地址与第 2行 DDRAM地址 并不连续 。
80H 81H 82H 83H 84H 8dH 8eH 8f
0c0H 0c1H 0c2H 0c3H 0c4H 0cd 0ceH 0cf
6,LCD显示程序设计
main
LCD初始化
光标定位
显示字符
动手做
SJMP $
7,显示数据
对于常用数字、字
母等显示数据为其
ASCII码
1,分析下页中 LCD与单片机的接口电路，并编制
LCD显示字符程序；
2,查找资料，并整理成文档，题目,LCD介绍，内
容包括,LCD的分类、结构、特点及应用等。
单片机与字符型 LCD模块接口 数据总
线双向
驱动器
地址锁
存器
地址译
码器
第三章结束
第四章 简易数字频率计设计
（ 1997年 B 题 ）
?赛题任务书
?题解部分
?测量方法的分析与比较
?多周期同步测量法 ( 倒数计数器法 )
?双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现
电路结构图
赛题任务书
（ 一 ） 任务
设计并制作一台数字显示的简易频率计 。
（ 二 ） 要求
1.基本要求
(1)频率测量
a.测量范围 信号：方波, 正弦波
幅度,0.5V～ 5V[注 ]
频率,1Hz～ 1MHz
b.测试误差 ≤0.1%
(2)周期测量
a.测量范围 信号：方波, 正弦波
幅度,0.5V～ 5V[注 ]
频率,1Hz～ 1MHz
b.测试误差 ≤0.1%
赛题任务书（续）
（ 3） 脉冲宽度测量
a.测量范围 信号：脉冲波
幅度,0.5V～ 5V[注 ]
脉冲宽度 ≥100μs
b.测试误差 ≤0.1%
（ 4） 显示器 十进制数字显示, 显示刷新时间 1～ 10
秒
连续可调, 对上述三种测量功能分别采用不同颜色的
发光二极管指示 。
（ 5） 具有自校功能, 时标信号频率为 1MHz。
（ 6） 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源 。
赛题任务书（续）
2.发挥部分
（ （ 1） 扩展频率测量范围为 0.1Hz～ 10MHz(信号幅度：
0.5V～ 5V[注 ]),测试误差降低为 0.01%（ 最大闸门时间
≤ 10s） 。
（ （ 2） 测量并显示周期脉冲信号 （ 幅度 0.5V～ 5V[注 ],频率
1Hz～ 1KHz） 的占空比, 占空比变化范围为 10%～ 90%,测
试误差 ≤ 1%。
（ 3） 在 1Hz～ 1MHz范围内及测试误差 ≤ 0.1%的条
件下, 进行小信号的频率测量, 提出并实现抗干
扰的措施 。
题 解 部 分
4.1题目分析
4.1.1设计者特定背景知识的自查与准备
4.1.2顶层要求的确认 ——要实现的测量功能以
及测量精度 。 即 明确, 做什么, 以及, 做到何种
程度, —— 即质量的要求：
① 测量功能,测频, 测周期, 测脉冲宽度以及测脉冲的 占空
比 （ 发挥部分 ） 。
② 测频, 测周期, 测脉冲宽度的误差, ≤0.1%；
测占空比的误差,≤ 1%。 (发挥部分 ）
(10-3)
其次, 在顶层设计中应当明确的主要技术指标：
① 被测信号的频率范,1Hz～ 1MHz; 误差 ≤0.1% (基本要求 );
0.1Hz～ 10MHz,误差 ≤0.01%（ 发挥要求 ）
② 被测脉冲信号的宽度, ≥ 100μs
③ 最大闸门时间,10s；显示刷新时间在 1s~10s之间连续可调
还有一些设计要求与技术指标将在设计由顶层向底层过渡之
中逐步予以关注和考虑 。
至此, 对该题, 做什么, 以及, 做到何种程度, ——
即质量的要求 也就明确了 。
下一步工作就转向分析实现该频率计的各项要求所
应当采用的 测量方法 。
4.1.3 测量方法的分析与比较
? 对各种数字化测频, 测周法的 ± 1误差进行比较,
? 1.直接测量法
? （ 1） 直接频率测量
? 直接频率测量是严格按照频率的定义 （ 即：周期性信号在
单位时间 （ 1S） 内变化的次数 ） 来测量的, 其测量的相对误
差公式如下式：
? 直接频率测量的原理方框图 如图 1所示 。
???
?
???
? ?????
s
s
xgx
x
f
f
fTf
f 1
1.直接测量法（续）
（ 1）直接周期测量
? 当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量化误
差引起的测频误差太大，为提高测低频时的准确度，应
先测周期 Tx，然后计算 fx=1/Tx。
? 数字频率计测周期的原理框图如图 3所示。被测信号经
放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，
如 Tx=10ms，则闸门打开的时间也为 10ms，在此
期间内，周期为 Ts的标准脉冲通过闸门进入计数器计
数。若 TS＝ 1uS，则计数器计得的脉冲
N=TX/TS=10000个。若以毫秒 (ms)为单位，则
显示器上的读数为 10.000。
? 以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相
反，即被测信号用来控制闸电路的开通与关闭，标准时
基信号作为计数脉冲。
2.直接与间接测量相结合的方法
当 fx≥ fm时,直接测频,间接测周 ;
? 当 fx≤ fm时,直接测周,间接测频,
11
00
??? K
TTTT
Kf
SS
m
中界频率,
3.多周期同步测量法 ( 倒数计数器法 )
? 双计数器多周期同步法频率测量的 原理框图如图 1所示,预置
的时间和被测信号同时输入到同步电路，在同步电路输出端
得到一个与被测信号同步的闸门信号。闸门信号同时控制闸
门（ A）和闸门（ B）的开启和关闭。在相同的闸门开启时
间内，两个计数器分别对标准信号和被测信号进行计数，其
工作的时序如图 2。假设由计数器（ A）计得的数为，计数
器（ B）计得的数为，则：
sgS fTN ?
xgx fTN ?
根据式（ 2）和式（ 3）可得：
s
s
x
x fN
Nf ?
根据上式，通过计算，便可得到被测信号的频率值。
误差分析
? 由以上分析可知闸门时间和被测信号是同步的，即闸门信号的周期为被
测信号周期的整数倍，所以对被测信号的测量中不存在量化误差（或称
为 ± 1误差）。但闸门信号没有和标准信号同步，所以存在量化误差。
由式（ 4）并根据测量误差的传递公式可得：
s
s
x
s
s
x
x NN
ff
f
ff ?
?
???
?
???
即，
s
s
xx
s
s
x
x NN
fNf
N
Nf ?????
2
根据（ 4）式和（ 6）式可得双计数器多周期同步法频率测
量的相对误差为：
s
s
s
s
x
x
N
N
f
f
f
f ?????
误差分析（续）
? 其中，第一项为标准频率误差，若采用普通的晶振
或温补晶振，其可达 10-5—10-6量级，而对于高稳
定度的石英晶体震荡器（例如，带恒温槽或双层恒
温槽的），其准确度可达 10-8量级；第二项为用直
接频率测量原理测标准频率时所产生的量化误差，
其中为闸门（ A）打开，计数器对计数绝对误差，
其最大误差为 ± 1文献 1，所以再根据式（ 2）和式
（ 7）可得：
sgs
s
x
x
fTf
f
f
f 1????
结 论
? 由以上分析，根据式（ 8）可以得到如下结论：
? （ 1）测量的相对误差与被测信号的频率无关，
只与标准频率误差、标准频率以及闸门时间的大
小有关。
? （ 2）当闸门时间和标准频率确定之后，测量的
相对误差也确定，即在被测信号的整个频段内测
量的精度相同 。
双计数器多周期同步法 频率测量的单片机实现
? 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现电路
结构图如图 3所示，预置信号和被测信号的同步是由
D触发器完成的。被测信号从 D触发器的 CP脉冲端输
入，预置信号由单片机产生，从 D触发器 D端输入。
假设所选用的 D触发器是上升沿触发，其工作的时序
图如图 2所示，在 D触发器的输出 Q便得到与输入信号
同步的闸门信号，闸门信号再输入单片机 INT0和
INT1端，用于控制单片机的计数 T0,T1的计数。标
准信号和被测信号分别输入计数器 T0和 T1计数。单
片机还扩展了 8位动态显示器用于显示测量结果，其
中串口送出待显示的数据的代码,P1口的三根口线
通过译码、驱动后作动态显示的位选线。 P1口的其
它口线由于扩展键盘，用于修改预置时间。
双计数器多周期同步法频率测量的单片
机实现电路结构图
C51单片机定时器的结构与方式字
T0 =1μs
f0=12MHz
尚未涉及的其它问题
? 1） 脉宽测试误差的分析
? 被测 脉宽 ≥100μs,测试误差 ≤0.1%,可以达到 。
? 2） 脉冲占空比测试误差的分析
? 被测脉冲频率 1Hz～ 1KHz,占空比 10%～ 90%,幅度
0.5V～ 5V； 要求误差 ≤1%,可以达到 。
? 3） 被测信号幅度, 频率范围及输入通道放大器
? 自认 0.02V,频率 0.1Hz～ 10MHz,输入电阻 1MΩ
? 4） 稳压电源的设计
? 估计数字电源 ± 5V,1A;模拟电源 ± 5V;± 6～ 15V,均为
200mA
4, 2 设 计 方 案 讨 论
4.2.1 方 案 的 选 择
? 1,测量方法的选择
? 选用多周期同步测量法
? 2,实现技术的选择
? ① 纯 硬 件 实 现 法 （ 可 选 的 器 件 有 通 用 的
SSI/MSI/LSI集成电路, 专用集成电路, 可编程逻
辑器件 ——如 isPLD器件等 ） ；
? ② 纯软件实现法 （ 可选的平台有 PC机, 单片机,
DSP器件等 ） ；
? ③ 软硬件相结合的实现法 （ 由 ①, ② 中选择与组
合 ） 。 ——选此实现技术
4, 3 系 统 级 和 子 系 统 级 设 计
4.3.1 系 统 级 框 图
4.3.2 子 系 统 级 总 体 框 图
1) 频率计子系统的划分
测量控制及
功能切换逻辑
2)各个子系统的主要技术指标及其组成
(1) 输入通道 （ 考虑发挥部分要求时 ）
带宽,0~10MHz; 输入电阻,1M?;
增益,2/0.02=100(用 TTL整形级时 )
(2) 多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑
计数器容量,107～ 108; 工作频率,≥ 10MHz
(3) 单片机子系统 (根据下列要求选用 AT89C51)
① 由 +5V电源 供电, I/O口与 TTL电平兼容, 并有足够数目的 I/O口；
② 要有丰富的四则算术运算和逻辑运算指令, 指令执行速度要快； ③ 片
内除 RAM外还要有 EPROM； ④ 至少有两个 16位的定时器 /计数器；
⑤ 有外部中断输入引脚； ⑥ 具有串行通信口； ⑦ 价格要低廉 。
?第四章结束
第五章 语音数字化存储与回放系统设计 (2)
?5.1 概述
?5.2 电路设计
?5.3 讨论
?5.4 专用语音芯片
5.1 概述
? 目前市场上专用语音芯片的种类较多，使用时电
路简洁，调试方便，但有时总感其缺乏灵活性，
难以满足不同场合的需要，为此设计了一个微处
理器控制的语音数字化存储与回放系统。系统采
用高速 LinCMOS 8位模数转换器 TLC0820AC
完成语音信息的采集，用两片静态 RAM
628128作片外数据存储器，用以存放语音信息，
DAC0832完成语音的回放。该系统对语音信号
的采样频率为 8/4KHz，能对语音进行压缩，回
放音质较好。其原理框图如图 1。
语音数字化存储与回放系统原理框图
从话筒获得的语音信号经放大滤波后，送入 A/D转换进
行模数转换。转换后的数字化语音信号，通过单片机的控
制写入片外数据存储器，完成语音数字化存储。回放时，
单片机从数据存储器中将数据读出，送入并行 D/A转换器，
进行数模转换，转换后的模拟信号经滤波、功率放大后，
实现语音回放。
原理框图
5.2 电路设计
5.2.1 硬件电路部分
(一 ) 前向通道单元电路设计
(1)话筒放大电路设计
为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大，采用两级
高输入阻抗的同相放大器,电路如图 2。
每级放大器的放大倍数按式 2-1和式 2-2计算。
3
1
1 1 R
RA P
V ??
5
2
2 1 R
RA P
V ??
2-1
2-2
(2)带通滤波器电路
? 本电路采用二阶无限增益高、低通滤波器构成
300Hz-3.4KHz带通滤波器，其电路如图 3。
? 参数计算：
? 由二阶无限增益高、低通滤波器设计公式：
CRRc 56
2 1??
3
41
R
RA
V ??
2132
2 1
CCRRC ??
1
3
R
RA
V ??
（ 2-3）
（ 2-4)
（ 2-5）
（ 2-6）
(2)带通滤波器电路 (续 )
? 由二阶无限增益高通滤波器设计公式（ 2-3）、
（ 2-4），截止频率选 300Hz，品质因数 Q取
0.707；对低通滤波器可根据式（ 2-5）、（ 2-6）
进行计算，其中截止频率选取 3.4KHz，品质因数
Q取 0.707,具体设计、计算方法参见文献 1。经
理论计算，再使用 Electronics Workbench
电路分析仿真软件，在电脑上仿真低通及高通滤
波器,最后确定带通滤波器元器件参数如图 3。
? 其幅频特性和相频特性如图 4。
(3)A/D转换电路
? 若采样频率取 8KHZ,所选 A/D转换器转换时间必须小于
125us。我们选用高速 linCMOS 8位模数转换器 TLC0820AC。
TLC0820AC可在整个温度范围内以 1.18us完成 8位 A/D转换。
器件能以高达 100mv/us的斜升速率转换连续模拟信号而无
需外部采样器件。
? 该器件有两种工作方式：读及写读方式。 可以通过 MODE端
选择。当 MODE端处于低电平时，转换器被设为读方式。本
系统将其设计为读方式，单片机只需定时对 A/D转换后的
数据进行读取，采样频率完全由单片机控制，这样有利于
采样频率的调节。由于 TLC0820AC为单极性 A/D转换器，所
以在其输入前加了一级 电平偏移电路,见图 3。 TLC0820AC
与单片机的接口电路见图 6。
(二 ) 主控电路
? 主控电路如图 6所示，该电路核心芯片是 AT89C51，主
要完成 A/D和 D/A转换的控制、数据的存储与读写、语
音信息的处理以及键扫描。
? 两片 628128是 SRAM，用于存储语音信息。 可根据录
音时间的长短即语音的信息量选择 SRAM的容量。该系
统中选择两片 628128共 256K个字节，若采用 8KHZ
的采样频率，可以录取 32s的信息。录音时间可按式 2-9
计算（不考滤压缩情况）。其中 T为录音时间,DRAM为
SRAM的容量（单位为 Bit）,fs为采样频率。
s
R A M
f
DT ?
(2-9)
(三 ) 后向通道单元电路设计：
? D/A转换电路：
数模转换采用 8位 D/A转换器 DAC0832。
DAC0832与微处器完全兼容，其价廉、接口
简单、易于控制，与 单片机接口电路如图 6，由
于 DAC0832为电流输出型 D/A转换器，要获
得模拟电压输出，需要外加转换电路，所以选用
两片 uA741组成具有双极性输出的 I/V转换电
路。
? 带通滤波器及功率放大电路
带通滤波器设计方法与前向通道中的带通滤波器
相同。 功率放大设计采用 TDA2822。
(四 ) 软件设计
? 单片机 AT89C51通过片选方式读 A/D转换数据、
写数据存储器以及将数据送入 D/A转换器 。录
音时 AT89C51通过定时器 T0控制采样频率，定
时将 A/D转换数据存入数据存储器 628128中。
放音时，单片机 AT89C51通过定时器 T0控制，
定时地将数据从数据存储器中取出送往 D/A转换
器进行数模转换。
5.3 讨论
? 3.1音质和信噪比的改善
? 本系统完成了语音拾取、数字化存储及回放功能。
对 300Hz~3.4KHz范围内音频信号进行存储和
回放，低频段效果较好，高频段稍次。如果提高
采样频率，高频段音质可得到改善。
? 带通滤波器矩形系数稍差。如果采用高阶（如四
阶或六阶）带通滤波器，噪音会减少，信噪比能
得以改善。
采样频率的选取
由采样定理,
即,采样频率应为被测信号最高频率的 2倍,本文中由
于带通滤波器的上限频率为 3.4KHz,所以采样频
率选取 8KHz，若上限频率减少则可以适当改变
采样频率。
m a x2 fifs ?
应用探讨
? 可以根据需要，如：在不改变硬件的条件下要延
长录音时间，则可以用软件对语音信息进行语音
压缩,或减少采样频率使其为 4KHz。也可以为满
足某些实际需要对语音信息进行分段录取，然后
再以不同的组合方式进行回放。
补充：专用语音芯片
? ISD2560是 ISD系列单片语音录放集成电路的一种，它
是一种永久记忆型录放语音电路，录音时间为 60s，能重
复录放达 10万次。
? 它采用直接电平存储技术，省去了 A/D,D/A转换器。
ISD2560集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、
定时器、采样时钟、虑波器、自动增益控制、逻辑控制、
模拟收发器、解码器和 480K字节的 EEPROM等等。内
部 EEPROM存储单元，均匀分为 600行，具有 600个地
址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的
地址分辨率为 100ms。 ISD2560控制电平与 TTL电平
兼容，接口简单，使用方便。 管脚排列如图 1（ b）所示。
ISD2560引脚功能说明
? A0-A9为地址线,共有 1024种组合状态。最前面的 600个状态作内部
存储器的寻址用，最后 256个状态作为操作模式（具体使用参见文献 2），
本系统采用对地址直进行操作的方式。
? 微处理器接口端,P/R录放音控制端，此端为高电平时为放音状态，为
低电平时为录音状态； /CE端用于录放音时的启停控制，通常与 P/R端
配合使用。 /EOM端为每段信息结束信号输出端,/EOM为负向信号，
时间为 12.5ms,/EOM上升沿标志信息结束。
? MIC IN是话筒前置放大器输入端,MIC REF为话筒补偿端，与麦克风
连接电路如图 2；
? AGC自动增益控制端 ； ANA IN与 ANA OUT是模拟信号的输入端和输
出端，它们之间连接耦合电容，通常取值为 0.22uF-1uF。
? ISD2560与单片机 GMS97C2051的接口电路 以及外围电路如图 2所
示。单片机的 P1口,P3.4和 P3.5与 ISD2560的地址线相连用以设置
语音段的起始地址。 P3.0-P3.3用以控制录放音状态。 P3.7扩展一录
音键，供录音是使用。
ISD2560与单片机 GMS97C2051的接口电路
2.1 ISD2560内部地址单元寻址
? ISD2560虽然提供了地址输入线，但它的内部信息段的地址确无法
读出。通常使用不需要知道地址的操作模式，但这不能满足实际的不
同需要，一般使用对地址进行直接操作。而要读出 ISD2560内部信
息地址需专用的 ISD开发设备，其价格较昂贵。本系统采用单片机来
控制，不需读出信息地址，而直接设置信息段起始地址。其实现方式
有多种，一种方式为：由于 ISD2560的地址分辨率为 100ms，所以
可用单片机内部定时器定时 100ms，然后再利用一计数器对单片机
定时次数进行计数，则计数器的计数值为语音段所占用的地址单元。
该方式能充分利用 ISD2560内部的 EEPROM，在字段较多时可利用
该方法，该方法的具体使用请参见文献 4。语音字段如果较少，则可
用下面的方式：根据每一字段的内容多少，直接分配地址单元。一般
按每一秒说 3个字计算,60s可说 180个字，再根据 ISD2560的地址
分辨率为 100ms，即可计算出语音段所需的地址单元数。本系统即
采用该方式。
录放音时 GMS97C2051单片机对 ISD2560的控制
? 录音时,按下录音键，单片机通过口线设置语音段的起始
地址，再使 PD端,P/R端和 /CE端为低电平启动录音，
结束时，松开按键，单片机又让 /CE端回到高电平，即完
成一段语音的录制，同样的方法可录取第二段、第三段等
等。值得注意的是，录音时间不能超过预先设定的每段语
音的时间。
? 放音时,根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始
地址，并通过口线送出。再将 P/R端设为高电平,PD端
设为低电平，并让 /CE端产生一负脉冲启动放音，这时单
片机只需等待 ISD2560的信息结束信号，即 EOM的产生。
EOM信号为一负脉冲，在负脉冲的上升沿该段语音才播放
结束，所以单片机必须要检测到 EOM的上升沿才能播放第
二段，否则播放的语音就不连续，而且会产生啪啪声，这
一点在编制软件时一定要注意。录放音程序框图如图 4、
图 5所示。
图 4 录音软件程序框图
图 5 放音软件程序框图
2.3 系统接口源程序
? 下面编制了录取 5段语音信息的录音程序和对这
五段语音进行组合播放的源程序。播放时，可根
据实际情况或实事情况组合回放，实际需要时，
可对该程序进行扩充。 录放音源程序如下 。
第五章 结束
(数字部分 )
物理与电子工程学院
2006年 04月
目录
? 第一章 数字系统设计方法 (4)
? 第二章 数字钟电路设计 (4)
? 第三章 数码显示、点阵显示和 LCD显示 (2)
? 第四章 数字频率计设计
? 第五章 语音数字化存储与回放系统设计
第一章 数字系统设计方法
? 概述
? 数字系统的设计步骤
（ 一） 分析／确定系统功能
（二） 确定系统方案
（三） 设计系统方框图
（四） 逻辑功能划分
（五） 信息处理电路的设计
（六） 控制电路设计
（七） 系统电路的综合与优化
（八） 系统性能测试
（九） 撰写设计文件
概述
本部分是在已对 模拟电子技术、数字电子技术、单片
机、可编程逻辑器件 等有所掌握的基础上，着重从电子线
路设计的角度对数字系统的有关知识加以讲解，同时也简
略介绍一些较新的技术。
数字系统的设计正如一般电子产品一样，它包含：
（ 1）系统功能设计
（ 2）可靠性设计
（ 3）产品化设计
可靠性设计中的故障预防和故障容错设计将在后续章
节中予以简介。
产品化设计由于涉及的许多技术超出我们讨论范畴只
能割爱。
我们主要讨论功能设计的有关内容。
一,数字系统设计方法
? 数字系统通常是指能完成比较复杂逻辑功能的若干数字电
路的集合。
? 数字系统的规模差异很大，一个大的数字系统（如数字电
子计算机）可以认为是由若干数字系统构成。在许多情况
下，数字系统可由 图 1.1中的信息处理电路和控制电路两
部分构成。
? 信息处理电路主要完成信息的采集、调理、传输、处理等
工作。
? 控制电路的作用是协调和管理各信息处理单元电路的工作，
定时发出控制信号，使各部分电路协调一致地完成系统规
定的任务。
1.1.1 数字系统的设计步骤
一般 数字系统的设计步骤如图 1.2流程图所。
（一）分析／确定系统功能
系统设计首先要做的是必须在仔细分析设计
课题的基础上，明确系统的 任务, 所要达到的技
术性能, 精度指标, 输入输出设备, 应用环境 以
及有哪些特殊要求等。设计者有时接到的课题比
较笼统，上述的技术问题要靠设计者的消化、分
析与理解，特别要和课题提出者、系统使用者反
复磋商，并在应用现场进行实地考察以后才能最
后明确的确定下来。
例 1,1 设计简易数码锁。
设计者必须了解以下技术要求：
1．数码输入方式,是采用拨盘开关设置或采用按键
或拨号盘等输入。
2．使用程序,即除输入数码外是否要设置其它控
制信息（如输入认可键），是否应规定一定的操作顺序。
3．用户送错数码如何处理,肯定应该允许错误数码
输入，那么是否错码输入后只要接着输入正确数码，再按
下认可键，也能开启锁？这样一来认可键的功能应该只承
认在它按下前的几位数码有效。
4．可否由用户自行修改（设置）开启锁的数码？
5．执行部件要求,数码锁输出推动何种执行机构使
锁头动作？
6．供电方式,停电时如何保证数码锁正常工作？能
维持多长时间？
例 1,1 设计简易数码锁（续）
上述问题的明确结果可能是：
（ 1）采用数字按键输入，数码为 6位。
（ 2）开机上电后系统自动复位，处于准备接收数码的
准备状态。
（ 3）设置一只认可键，每次输入数码后必须按认可键。
认可键只承认最后 6位输入数码，若与本锁规定数 码相符
则使执行机构动作。
（ 4）用户不能设置（修改）密码。在制造时一锁一码，
固定不变。
（ 5）锁头机构为电磁铁，电磁线圈电压为 12V，驱动
电流为 100mA。
（ 6）交直流供电。平时交流供电并给蓄电池充电。交
流停电时自动切换为蓄电池供电，并可维持 24小时工作。
（二）确定系统方案
? 明确了系统技术性能以后，应考虑如何实现这些技术功能，
即采用哪种电路来完成它。具体地说是用一 般数字电路
还是用 MCU（ Microcontroller Unit——微控制器，
单片微型计算机）？
? 对于那些功能比较简单的系统可采用 SSI,MSI和 LSI
数字集成电路（或可编程器件）构成，即为纯硬件电路来
实现。
? 考虑到 MCU已成为一种可编程的智能化的 VLSI器件，自
然对那些功能较复杂的系统成为备受设计者青睐的优选对
象。
? 简易数码锁这一课题既可由一般数字电路也可由 MCU完
成。但后者的电路更为简洁。
（三）设计系统方框图
? 上述课题虽然功能并不复杂，但若采用普通数字集
成电路来实现，在输入信号的获取、存储与比较几
个环节的处理上颇费周折，远不如采用 MCU来得
明快简单。实现其功能的 系统方框图如图 1·3所示。
? 图中键 盘可采用矩阵编码输人。 MCU、地址锁存
器和程序存储 器组成单片机最小系统。 MCU的一
根输出口线，经驱动电路带动电磁锁头动作。电源
部分由交流供电，但带有蓄电池以及相应的充放电
切换电路，它供给 MCU以 及锁头电磁铁用电。
? 系统方案的选择与方框图设计往往难分先后，经常
交叉进行。
（四）逻辑功能划分
? 逻辑功能划分是指 根据系统的方框图和工作情况将系统划
分为信息处理和控制电路两部分 。
下面通过 简易频率计的原理方框图 来说明逻辑功能的
划分 。
被测信号 fx在闸门信号 C的控制下通过闸门 G计数器
计数 。 计数结果通过锁存器, 译码器后在显示器中显示 。
该简易频率计的闸门 （ 时基 ） 信号持续时间为 1s,故在
这段时间内计数器计得的数据 N即为被测信号的频率 。 欲
使计数器正常工作必须在每次计数前使计数器复位, 这靠
复位信号 R完成 。 若每次计数后由锁存使能信号 LE将计数
结果予以锁存, 则每次测量结果将被, 记忆, 到下次测量,
闸门 G,计数器, 锁存器, 译码器, 显示器构成信息处理
电路 。 而图 （ C） 中的时钟振荡器, 2分频器, 双稳态触
发器则为控制电路, 它所产生的信号 C,R,LE协调控制
整个频率计的工作 。
（五）信息处理电路的设计
? 首先根据信息处理电路的功能要求将其分成若于
功能模块（如图 1.4中的计数器等）；画出相功
能方框图。然后再按照 图 1.5的流程 根据每一个
功能模块的子任务分别进行设计。
? 这里先要区别模块的类型，即属于组合逻辑电路
还是属于时序逻辑电路，然后分别进行设计并经
测试，肯定其性能符合要求，且无竞争一冒险，
然后转入控制电路设计。
（六）控制电路设计
控制电路是整个数字系统的核心,它根据外部输入信
号及由受其控制的信息处理电路来的状态信号，产生对受
控电路的控制信号，有时也产生外部输出信号。
小型数字系统中常用的控制电路有如下三种：
1．移位型控制器
由移位寄存器或具有延时特性的触发器组成控制电路。
由于一个状态往往需要使用一个触发器，状态时成本较高，
但设计简单。图 1.4简易频率计的控制电路即属于这一类。
2．计数型控制器
由计数器构成控制电路。计数器对时钟脉冲计数，计
数值直与时间有关，在特定的计数值通过译码器输出控制
信号。显然控制状态较多时成本较低。
3,微控制器
是以计算机为核心的一类新型控制器
(七 )系统电路的综合与优化
在信息处理的各功能模块 (单元电路 )和控制电路达到预期要求以后，即
可把上述各部分予以综合和优 化，以构成系统电路。这时应注意以下问题：
1．以信息流通路径为主线
构成系统电路的顺序通常按信息的流通路径为线索进行。综合时注意信
息分流、量程、功能开关的设置，主电路印制板 (PCB)与其它印制板分工与
连线等。
2．电路化简
系统电路构成以后，应审查一下总的逻辑关系，检查是否还有化简的可
能 (特别是组合逻辑 ) 。利用合并、代用的原则尽可能减少集成块的数量，不
论对提高系统可 靠性和减小 PCB体积都是十分有益的。 例如, 某系统内共
含 4个十进位计数器,7个反相器,3个双输入与非门。则整个系统只需采用
2片 CD4518(双重十进制计数器 ),1片 CD4069(六重反相器 ),1片
CD4011(四重双 输入与非门 )即可。其中 4011的一个与非门的两输入端
并联代替反相器。
3．器件间或电路间的电平配合
系统内最好采用同一类型的器件。当采用不同类型器件时要注意处理相
互间的电平配合，不同电源电压的数字电路之间，模拟与数字电路之间更需
要注意电平配合。
(七 )系统电路的综合与优化（续）
4．空闲端处理
尽管标准 TTL输入端悬空相当于输入高电平，但考虑到
悬空输入端易感应干扰信号，故各种门,触发器、计数
器等的未用输入空闲端，不论是 TTL或 CMOS器件都应
当妥善地接至某一固定电平或并联使用。 所接电平的选
择原则是保持原有的逻辑功能。
问题 2：与非门的空闲端应接高电平还是低电平？或非
门呢？未用输出端如何处理？。
５．信号配合
边沿触发器和计数器对触发信号和时钟信号有上升沿和
下降沿二种要求。必须处理好电路间由于这种要求所产生
的配合问题。例如对异步计数器而言这种配合处理错误，
会使加减计数器的功能逆变。
信号配合问题举例
? 例如 某数字钟的秒钟信号 A经分频后产生,B信
号的频率为 1Hz，且在复位信号的控制下准确地
在 0.5s时上升，在 1s时下降。正确的信号配合
应选用下降沿触发的秒计数器。这时秒计数器最
低位的变化如 图 1.8实线所示，正好在 1s时 C＝ 1。
如错选为上升沿的秒计数器，则在 0,5s时 C＝ 1，
如虚线所示，于是在计时的第 1秒钟产生了
O,5s的误差，尽管这种接法不影响第 1秒以后
的计时。
（八）系统性能测试
它包含三部分工作：
1．系统故障诊断与排除
即使信息处理各功能模块及控制电路均已达到预期性
能，但整机综合后仍然可能出现某些由于各种原 因而产
生的故障，这些故障自然必须排除。
2．系统功能测试
检查系统所有规定的功能能否完成。如简易频率计是
否能测频。数字时钟是否能正常计时，是否能设置时间。
3．系统性能指标测试
主要是测试系统的精度、稳定度及其它具体技术指标。
如简易频率计的测频误差，温漂与时漂，电源的拉偏 (即
供电电源变化对指标的影响）。如考虑产品化设计还应进
行器件离散影响等测试。进行此项测量时，所选测量仪器
的精度至少要比系统要求的精度高一个数量级。 若系统
功能或性能指标达不到要求，则必须修改电路设计。
（九）撰写设计文件
应整理撰写的设计文件有：
1.系统详尽的软硬件资料。
2.元器件清单。
3.功能与性能测试结果。
4.使用说明书等。
附图：密码锁设计电路图
1 2 3 4
A
B
C
D
4321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e vi s i o nS i z e
A4
D a t e, 1 5- N o v- 2 00 3 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ p r oj e c t \ 未来科技 \ 电路图 \ 未来科技, D d bD r a w n B y,
A
1
B
2
Q0
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31
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9
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17
WR
16
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2
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3
P 13
4
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5
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P 16
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P 17
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39
P 01
38
P 02
37
P 03
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P 05
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33
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P 21
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P 22
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P 24
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P 25
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P 26
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P 27
28
P S E N
29
A L E / P
30
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11
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第一章结束
第二章 数字钟电路设计
（ Design of Digital O?clock）
? 数字钟的功能要求
? 数字钟电路系统的组成框图
? 主体电路的设计
? 振荡器的设计
? 分频器的设计
? 时分秒计数器的设计
? 译码显示电路设计
? 校时电路的设计
? 功能扩展电路的设计
? 定时控制电路的设计
? 仿广播电台正点报时电路的设计
? 报整点时数电路的设计
? 整机电路
? MCU控制的数字钟
一、数字钟的功能要求
1、基本功能
? 准确计时，以数字形式显示时、分、
秒的时间；
? 小时的计时要求为, 12翻 1”，分和秒
的计时要求为 60进位；
? 校正时间。
一、数字钟的功能要求 (续 )
2、扩展功能
? 定时控制；
? 仿广播电台正点报时；
? 报整点时数；
? 触摸报整点时数；
? 其他。
二、数字钟电路系统的组成框图
如 图 2.1所示，数字钟电路系统由 主体电路 和 扩展电路
两大部分所组成。其中，主体电路完成数字钟的基本功能，
扩展电路完成数字钟的扩展功能。
该系统的工作原理是：
?振荡器产生高稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间
基准（系统时钟），再经分频器输出标准秒脉冲信号。
?秒计数器计满 60后向分计数器进位，分计数器计满 60
后向小时计数器进位，小时计数器按照, 24翻 1”规律
计数。计数器的输出经译码器送显示器。
?计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。
扩展电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功
能扩展。
三、主体电路的设计
? 主体电路是由功能部件或单元电路组成的。在设计
这些电路或选择部件时，尽量选用同类型的器件，
如所有功能部件都采用 TTL集成电路或都采用
CMOS集成电路。
? 整个系统所用的器件种类应尽可能少。
? 下面介绍各功能部件与单元电路的设计。
1．振荡器的设计
? 振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及
频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，
通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来
说，振荡器的频率越高，计时精度越高。
振荡器的设计方案一
? 图 2.2为电子手表集成电路 (如 5C702)
中的晶体振荡器电路，常取晶振的频率
为 32768Hz因其内部有 15级 2分频集
成电路，所以输出端正好可得到 1Hz的
标准脉冲
振荡器的设计方案二
如果精度要求不高也可以
采用的由集成逻辑门与
RC组成的时钟源振荡器
或由集成电路定时器 555
与 RC组成的多谐振荡器。
这里选用 555构成的多谐
振荡器，设振荡频率 f0＝
103Hz，电路参数如图
2.3所示。
图 2.3 555多谐振荡器
555
2．分频器的设计
分频器的功能主要有两个：
? 一是产生标准秒脉冲信号；
? 二是提供功能扩展电路所需要的信号，如仿电台报
时用的 1kHz的高音频信号和 500Hz的低音频信号
等。
? 选用 3片中规模集成电路计数器 74LS90可以完成
上述功能。因每片为 1／ 10分频,3片级联则可获
得所需要的频率信号，即第 1片的 Q0端输出频率为
500HZ，第 2片的 Q3端输出为 10Hz，第 3片的
Q3端输出为 1Hz。
3．时分秒计数器的设计
? 分和秒计数器都是模 M=60的计数器，其计数规律
为,00-01-… -58-59-00… 选 74LS92作十位
计数器,74LS90作个位计数器。再将它们级联组
成模数 M=60的计数器。
? 时计数器是一个, 24进制, 的特殊进制计数器,即
当数字钟运行到 24时 59分 59秒时秒的个位计数器
再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为 00时
00分 00秒，实现日常生活中习惯用的计时规律。
4．译码显示电路设计
74LS47,74LS48为 BCD—7段译码 /驱动器，其中，
74LS47可用来驱动共阳极的发光二极管显示器示器，而
74LS48则用来驱动共阴极的发光二极管显示器。
74LS47为集电极开路输出，用时要外接电阻；而
74LS48的内部有升压电阻，因此无需外接电阻 (可以直接
与显示器 连接 )。 74LS48的功能表如表 2.4所示，其中，
A3A2AlA0为 8421BCD码输入端,a—g为 7段译码输出
端。
各使能端功能简介如下：
/LT 灯测试输入使能端。 当 LT＝ 0时，译码器各段输出均为高
电平，显示器各段亮，因此,LT＝ 0可用来检查 74LS48和显示器的
好坏。
/RBI 动态灭零输入使能端。 在 LT＝ 1的前提下，当 /RBI＝ 0且
输入 A3A2AlA0＝ 000时，译码器各段输出全为低电平，显示器各
段全灭，而当输人数据为非零数码时，译码器和显示器正常译码和
显示。利用此功能可以实现对无意义位的零进行消隐。
/BI 静态灭零输入使能端,只要 BI＝ 0，不论输入 A3A2AlA0为
何种电平，译码器 4段输出全为低电平，显示器灭灯 (此时 /BI／
RBO为输入使能 )。
/ RBO 动态灭零输出端。 在不使用 /BI功能时,BI／ RBO为输
出使能 (其功能是只有在译码器实现动态灭零时 RBO＝ 0，其它时候
RBO＝ 1)。该端主要用于多个译码器级联时，实现对无意义的零进
行消隐。实现整数位的零消隐是将高位的 RBO接到相邻低位的 RBI，
实现小数位的零消隐是将低位的 RBO接到相邻高位的 RBI。
74LS48功能表
74LS48构成的 1000进制计数、译码显示电路
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5．校时电路的设计
当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间
(或称校时 )。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手
表都具有时、分、秒等校时功能。为使电路简单，这里只进
行分和小时的校时。
? 对校时电路的要求是：
在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不
影响秒和小时的正常计数。
校时方式有, 快校时, 和, 慢校时, 两种,,快校时,
是，通过开关控制，使计数器对 1Hz的校时脉冲计数。, 慢
校时, 是用手动产生单脉冲作校时脉冲。图 2.4为校, 时,,
校, 分, 电路。其中 S1为校, 分, 用的控制开关,S2为校
,时, 用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的 1Hz脉冲，
当 S1或 S2分别为, 0”时可进行, 快校时, 。
图 2.4 校“时”、校“分”电路
需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑
电路，开关 Sl或 S2为,0”或,1”时，可能会产生抖动，
接电容 C1,C2可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖
动开关电路。
四、功能扩展电路的设计
1、定时控制电路的设计
数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路, 闹时, ；
或对某装置的电源进行接通或断开, 控制, 。不管是闹时还是
控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。
例 要求上午 7时 59分发出闹时信号，持续时间为 1分钟。
7时 59分对应数字钟的时个位计数器的状态为
(Q3Q2Q1Q0)H1＝ 0111，分十位计数状态为
(Q3Q2Q1Qo)M2＝ 0101，分个位计数器的状态为
(Q3Q2QlQ0)M1＝ 1001。若将上述计算器输出为, 1”的
所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正
好在 7时 59分响，持续 1分钟后 (即 8点时 )停响。所以闹时控
制信号 Z的表达式为,
Z=(Q2Q1Q0)H1
(Q2Q0)M2(Q3Q0)M1
四、功能扩展电路的设计（续）
? 式中,M为上午的信号输出，要求 M＝ 1。
? 如果用与非门实现逻辑功能，则可以将 Z进
行变换,实现上式的逻辑电路 如图 2.6所示，其中
74LS20为 4输入二与非门,74LS03为集电极
开路 (OC门 )的 2输入四与非门，因 OC门的输出
端可以进行, 线与,,使用时在它们的输出端与
电源十 5V端之间应接一电阻 RL，取 RL＝ 3.3k。
如果控制 1kHz高音和驱动音响电路的两级与非
门也采用 OC门，则 RL的值应重新计算。
2．仿广播电台正点报时电
路的设计
仿广播电台正点报时电路的
功能要求是：每当数字钟计时
快要到正点时发出声响，通常
按照 4低音 1高音 的顺序发出间
断声响，以最后一声高音结束
的时刻为正点时刻。 设 4声低音
(约 500Hz)分别发生在 59分 51秒、
53秒,55秒及 57秒，最后一声
高音 (约 1kHz)发生在 59分 59秒，
它们的持续时间均为 1秒。如表
2.2所示。
表 2.2秒个位计算器状态
由 表 2.2可得,Q3S1 =“0” 时 500Hz
输入音响； Q3S1 =“1” 1kHz输入音响。
只有当分十位的 Q2M2Q0M2＝ 11，分个
位的 Q3M1,Q0M1＝ 11。秒十位的
Q2s2Qos2＝ 11及秒个位的 Q0S1＝ 1时，
音响电路才能工作。仿电台正点报时的电
路如 图 2.7所示。这里采用的都是 TTL与
非门，如果用其它器件，则报时电路还会
简单一些。
3．报整点时数电路的设计
报整点时数电路的功能是：每当数字钟计时到整点时发出音响，
且几点响几声。实现这一功能的电路主要由以下几部分组成：
（ 1） 减法计数器 完成几点响几声的功能。即从小时计数器的
整点开始进行减法计数，直到零为止。
（ 2）编码器 将小时计数器的 5个输出端 Q4,Q3,Q2、
Q1,Q0按照,12翻 1”的编码要求转换为减法计数器的 4个输入
端 D3,D2,D1,D0所需的 BCD码。编码器的真值表如 表 2.3
所示。
（ 3）逻辑控制电路 控制减法计数器的清,0”与置数。控
制音响电路的输入信号。
根据以上要求，采用了如 图 2.8所示的报整点时数的电路。
其中编码器是由与非门实现的组合逻辑电路，其输出端的逻辑表
达式由 5变量的卡诺图可得。 D1的逻辑表达式：
减法计数器选用 74LSl91，各控制端
的作用如下：
/LD为置数端 。 当 /LD＝ 0时将小时计
数器的输出经数据输入端 D0D1D2D3的数
据置入。 /RC为溢出负脉冲输出端。当减
计数到,0”时,/RC输出一个负脉冲。
U/D为加减控制器。 U／ D＝ 1时减法计数。
CPA为减法计数脉冲，兼作音响电路的控
制脉冲。
逻辑控制电路 由 D触发器 741S74与多
级与非门组成，如图 2.8所示。
电路的工作原理是：
接通电源后按触发开关 S，使 D触发器清,0”，即 1Q=0。该清
,0”脉冲有两个作用：其一，使 74LSl91的置数端 /LD＝ 0，既将此
时对应的小时计数器输出的整点时数置入 74LSl91：其二，封锁
1kHz的音频信号，使音响电路无输入脉冲。当分十位计数器的进
位脉冲 Q2M2的下降沿来到时，经 G1反相，小时计数器加 1。新的小
时数置人 74LSl91。 Q2M2的下降沿同时又使 74LS74的状态翻转，
1Q经 G3,G4延时后使 /LD＝ 1、此时 74LSl91进行减法计数，计数
脉冲由 CP0提供。 CP0＝ 1时音响电路发出 1kHz声音,CP0＝ 0时
停响。当减法计数到 0时，使 D触发器的 1CP＝ 0，但触发器状态不
变。当 /RC＝ 1时，因 Q2M2仍为 0,CPH＝ 1，使 D触发器翻转复
,0”,74LSl91又回到置数状态，直到下一个 Q2M2的下降沿来到。
实现自动报整点时数的功能。如果出现某些整点数不准确，其主要
原因是逻辑控制电路中的与非门延时时间不够，产生了竞争冒险现
象，可以适当增加与非门的级数或接人小电容进行滤波。
五、整机电路
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7 4L S 00
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7 4L S 00
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I C 1 7A
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5 6
I C 1 7C
7 4L S 04
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60 进制
校时脉冲
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M I N U T E
M I N U T E
整点报时电路
校时显示电路
时基电路
信号源
5．主体电路的级连及装调
① 由图 2.1所示的数字钟系统组成框图 按照信号的流向 分级
安装，逐级级联，这里的每一级是指组成数字钟的各功能
电路。
②级联时如果出现 时序配合 不同步，或尖峰脉冲干扰，引起
逻辑混乱，可以增加多级逻辑门来延时。如果显示字符变
化很快，模糊不清，可能是由于电源电流的跳变引起的，
可在集成电路器件的电源端 Vcc加滤波电容。通常用几十
微法的大电容与 0.01uF的小电容相并联。
③ 画数字钟的主体逻辑电路图 。经过联调并纠正设计方案中
的错误和不足之处后，再测试电路的逻辑功能是否满足设
计要求。最后画出满足设计要求的总体逻辑电路图，如图
2.5所示。如果因实验器材有限，则其中秒计数器的个位
和时计数器的十位可以采用发光二极管指示，因而可以省
去 2片译码器和 2片数码显示器。
六,MCU控制的数字钟
MCU
LED显示器锁存（ 1）
驱动器
译码器锁存（ 2）
键盘
时钟芯片
2、原理框图
1,数字系统的 MCU设计方法
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F i l e, E, \ l w h a i \ 2 00 6 年 \ 模块电路 \ 单片机控制数字钟 V 1, 0 （ 2 00 60 3 ） \ O C L O C K - V 1, 0, D d bD r a w n B y,
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3,MCU控制的数字钟电路
第二章结束
第 章 数码显示、点阵显示和 LCD显示
? 发光二极管显示器
? 动态显示
? 静态显示
? 点阵显示
? LCD显示
3.1 发光二极管显示器
发光二极管显示器分为共阴极和共阳极显示
器图示如下：
3.2 四位静态显示
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L8
L E D 8
V T 1V T 2V T 3V T 4V T 5V T 6V T 7V T 8
R1R2R3R4R5R6R7R8
A
7
B
1
C
2
D
6
LT
3
B I / R B O
4
RBI
5
a
13
b
12
c
11
d
10
e
9
f
15
g
14
I C 2
7 4L S 48
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D0 D1
D2D3D4
D5D6 D0 D1
D2D3D4
D5D6
1
2
3
4
J1
D
A
T
A
-
I
N
1
2
3
J2
B
I
T
-
S
E
L
E
C
T
V C C
1
2
J3
P
O
W
E
R
V C C
3.4 点阵显示
——点阵显示块
1 2 3 4
A
B
C
D
4321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e vi s i o nS i z e
L e t t e r
D a t e, 2 - D e c - 20 03 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ p r oj e c t \ 未来科技 \ 电路图 \ 未来科技, D d bD r a w n B y,
D0D1D2D3D4D5D6D7
L0
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
B、点阵显示简易控制电路
1 2 3 4
A
B
C
D
4321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e vi s i o nS i z e
L e t t e r
D a t e, 2 - D e c - 20 03 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ p r oj e c t \ 未来科技 \ 电路图 \ 未来科技, D d bD r a w n B y,
D0D1D2D3D4D5D6D7
L0
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
A
B
C
74LS138
IN2
74LS164
RXD
TXDIN1
C、点阵显示扩展电路
1 2 3 4 5 6
A
B
C
D
654321
D
C
B
A
T i t l e
N u m b e r R e vi s i o nS i z e
B
D a t e, 2 - D e c - 20 03 S he e t o f
F i l e, E, \ l w h a i \ p r oj e c t \ 未来科技 \ 电路图 \ 未来科技, D d bD r a w n B y,
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
D0D1D2D3D4D5D6D7
L1
D Z H E N
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
D0D1D2D3D4D5D6D7
L2
D Z H E N
L1
L2
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L4
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D0D1D2D3D4D5D6D7
L3
D Z H E N
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
D0D1D2D3D4D5D6D7
L4
D Z H E N
A
1
B
2
Q0
3
Q1
4
Q2
5
Q3
6
Q4
10
Q5
11
Q6
12
Q7
13
C
L
K
8
MR
9
I C 1
D Z H E N
A
1
B
2
Q0
3
Q1
4
Q2
5
Q3
6
Q4
10
Q5
11
Q6
12
Q7
13
C
L
K
8
MR
9
I C 2
D Z H E N
A
1
B
2
C
3
E1
4
E2
5
E3
6
Y0
15
Y1
14
Y2
13
Y3
12
Y4
11
Y5
10
Y6
9
Y7
7
I C 3
1 38
A
1
B
2
C
3
E1
4
E2
5
E3
6
Y0
15
Y1
14
Y2
13
Y3
12
Y4
11
Y5
10
Y6
9
Y7
7
I C 4
1 38
V C C
1
2
J1
1
2
3
4
J2
3.5 单片机与 LCD
——接 口 设 计
任务 1,如何在 LCD的指定位置显示出
指定的字符。
2行 × 16列
A
b
任务 1,如何在 LCD的指定位置显示
出指定的字符。
2行 × 16列
A
b
任务 2,如何在 LCD的指定位置显示字
符串 。
2行 × 16列
Shenzhen
Polytechnic
基本内容
? LCD接口 程序设计 **
? 字符型 LCD模块的使用方法
? 单片机与字符型 LCD模块 接口电路
≈≈≈≈ NOTICE≈≈≈≈
LCD,Liquid Crystal Display
一、字符型 LCD模块
Shenzhen
Polytechnic
?LCD实验模块的连接管脚
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
Vss,+5V电源管脚 (Vcc)
VDD,地管脚 (GND)
Vo,液晶显示驱动电源 (0V～ 5V)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
DB0～ DB7,数据线，可以用 8位连接，也可以只用高
4位连接，节约单片机资源，本实验中采用的是八位
连接方法。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
A,背光控制正电源
K：背光控制地
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
?单片机与 LCD模块之间有四种基本操作：
写命令
读状态
写显示数据
读显示数据
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
RS R/W 操作
0 0 写命令 操作（初始化、光标定位
等）
0 1 读状态 操作（读忙标志）
1 0 写数据 操作（要显示内容）
1 1 读数据 操作（可以把显示存储区
中的数据反读出来）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VSS VDD VO RS R/W E DB0 DB1 ADB3DB2 DB5DB4 DB7DB6 K
LCD模块
RS,数据和指令选择控制端,RS=0:命令 /状态； RS=1:数据
R/W,读写控制线,R/W=0:写操作； R/W=1:读操作
E,数据读写操作控制位,E线向 LCD模块发送一个脉冲，
LCD模块与单片机之间将进行一次数据交换
二、单片机与字符型 LCD模块接口 数据线：DB7～ DB0接
单片机的
P1.7 ～ P1.0
控制端：
RS ～ ～ P3.0
R/W ～ ～ P3.1
E ～ ～ P3.2
单片机与 LCD模块硬件连接
? 实验模块,A01,A07
? 连线表：
动手做
A01 A07
连接 1 +5V/GND +5V/GND
连接 2 P1.0-P1.7 DB0-DB7
连接 3 P3.0 RS
连接 4 P3.1 RW
连接 5 P3.2 E
注意,连接时，需要将跳线设置与 E
端接通
三,LCD接口程序设计
? 程序设计
? 功能设置 —— 写命令 子程序
LCD初始化,按一定顺序写命令字
如：写清屏命令字,写 DDRAM光标定位 地址命令字
? 显示数据 —— 写数据 子程序
? 读入状态字 —— 读状态 子程序
1,读状态字
RS R/W 操作
0 0 写命令操作（初始化、光标定位
等）
0 1 读状态操作（读忙标志）
1 0 写数据操作（要显示的内容）
1 1 读数据操作（可以把显示存储区
中的数据反读出来）
? E (P3.2):
? RS （ P3.0） =0;
? R/W（ P3.1） =1;
RS EQU P3.0
RW EQU P3.1
E EQU P3.2
?E(P3.2):
?R/W(P3.1)=1;
?RS(P3.0)=0;
SETB RW ;RW=1
NOP ;3条
CLR RS ;RS=0
NOP ;3条
SETB E ;E=1
NOP ;3条
MOV A,P1 ;读入状态字
NOP ;3条
CLR E ;E=0
NOP ;3条
CLR RW ;RW=0
STAT:
RET
2,写命令字（ 实训教程 P33）
RS R/W 操作
0 0 写命令操作（初始化、光标定位
等）
0 1 读状态操作（读忙标志）
1 0 写数据操作（要显示的内容）
1 1 读数据操作（可以把显示存储区
中的数据反读出来）
? E:
? RS=0; R/W=0;
?采用查询方式,读入状态字,再判断忙标志 ACC.7。
RW=0
RS=1
E=1
命令字 → A,A →P1
E=0
RS=0
返回
写数据
读入状态字 → A
ACC.7=0?
不忙吗？
延时
Y
N
动手做
假定显示数据已
存放到内部 RAM
的 21H单元
3,命令字
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示状态设置 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
清除屏幕，置 AC
为零 —— 01H
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示状态设置 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
设光标移动方向并
指定整体显示是否
移动。
I/D=1：增量方式
I/D=0：减量方式
S=1：移位
S=0：不移位
00000110—— 06H
设整体显示开关
（ D），光标显示
开关（ C），光标
位的字符闪耀（ B）
D=1;C=0;B=0
00001100—— 0cH
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
设接口数据位数
（ DL），显示行数
（ L），及字型（ F）
DL=1,8位 =0,4位
N=1:2行 =0:1行
F=1:5× 10 =0,5× 7
00111000—— 38H
指令名称 控制信号 控制代码
RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
归 home位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B
光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
功能设置 0 0 0 0 1 DL N F * *
CGRAM地址设置 0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0
DDRAM地址设置 0 0 1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
读 BF和 AC 0 1 BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0
写数据 1 0 数 据
读数据 1 1 数 据
设置 DDRAM地
址，为显示定位
4,初始化 LCD
上电
延时 20ms
功能设置
延时 37us
显示状态设置
延时 37us
清屏
延时 1.52ms
输入方式设置
初始化结束
38h
0ch
01h
06h
动手做
5,定位光标位置
把显示数据显示在某个位置，就是把显示数据写在相应的
DDRAM地址中,DDRAM地址占 7位。 Set DDRAM
address命令如下,
row 1 2 3 4 5 …… 14 15 16
line1 00H 01H 02H 03H 04H …… 0dH 0eH 0fH
line2 40H 41H 42H 43H 44H …… 4dH 4eH 4fH
≈≈≈≈ NOTICE≈≈≈≈
?光标定位，写入一个显示字符后,DDRAM地址会 自动加
1或减 1，加或减由输入方式字设置；
? 第 1行 DDRAM地址与第 2行 DDRAM地址 并不连续 。
80H 81H 82H 83H 84H 8dH 8eH 8f
0c0H 0c1H 0c2H 0c3H 0c4H 0cd 0ceH 0cf
6,LCD显示程序设计
main
LCD初始化
光标定位
显示字符
动手做
SJMP $
7,显示数据
对于常用数字、字
母等显示数据为其
ASCII码
1,分析下页中 LCD与单片机的接口电路，并编制
LCD显示字符程序；
2,查找资料，并整理成文档，题目,LCD介绍，内
容包括,LCD的分类、结构、特点及应用等。
单片机与字符型 LCD模块接口 数据总
线双向
驱动器
地址锁
存器
地址译
码器
第三章结束
第四章 简易数字频率计设计
（ 1997年 B 题 ）
?赛题任务书
?题解部分
?测量方法的分析与比较
?多周期同步测量法 ( 倒数计数器法 )
?双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现
电路结构图
赛题任务书
（ 一 ） 任务
设计并制作一台数字显示的简易频率计 。
（ 二 ） 要求
1.基本要求
(1)频率测量
a.测量范围 信号：方波, 正弦波
幅度,0.5V～ 5V[注 ]
频率,1Hz～ 1MHz
b.测试误差 ≤0.1%
(2)周期测量
a.测量范围 信号：方波, 正弦波
幅度,0.5V～ 5V[注 ]
频率,1Hz～ 1MHz
b.测试误差 ≤0.1%
赛题任务书（续）
（ 3） 脉冲宽度测量
a.测量范围 信号：脉冲波
幅度,0.5V～ 5V[注 ]
脉冲宽度 ≥100μs
b.测试误差 ≤0.1%
（ 4） 显示器 十进制数字显示, 显示刷新时间 1～ 10
秒
连续可调, 对上述三种测量功能分别采用不同颜色的
发光二极管指示 。
（ 5） 具有自校功能, 时标信号频率为 1MHz。
（ 6） 自行设计并制作满足本设计任务要求的稳压电源 。
赛题任务书（续）
2.发挥部分
（ （ 1） 扩展频率测量范围为 0.1Hz～ 10MHz(信号幅度：
0.5V～ 5V[注 ]),测试误差降低为 0.01%（ 最大闸门时间
≤ 10s） 。
（ （ 2） 测量并显示周期脉冲信号 （ 幅度 0.5V～ 5V[注 ],频率
1Hz～ 1KHz） 的占空比, 占空比变化范围为 10%～ 90%,测
试误差 ≤ 1%。
（ 3） 在 1Hz～ 1MHz范围内及测试误差 ≤ 0.1%的条
件下, 进行小信号的频率测量, 提出并实现抗干
扰的措施 。
题 解 部 分
4.1题目分析
4.1.1设计者特定背景知识的自查与准备
4.1.2顶层要求的确认 ——要实现的测量功能以
及测量精度 。 即 明确, 做什么, 以及, 做到何种
程度, —— 即质量的要求：
① 测量功能,测频, 测周期, 测脉冲宽度以及测脉冲的 占空
比 （ 发挥部分 ） 。
② 测频, 测周期, 测脉冲宽度的误差, ≤0.1%；
测占空比的误差,≤ 1%。 (发挥部分 ）
(10-3)
其次, 在顶层设计中应当明确的主要技术指标：
① 被测信号的频率范,1Hz～ 1MHz; 误差 ≤0.1% (基本要求 );
0.1Hz～ 10MHz,误差 ≤0.01%（ 发挥要求 ）
② 被测脉冲信号的宽度, ≥ 100μs
③ 最大闸门时间,10s；显示刷新时间在 1s~10s之间连续可调
还有一些设计要求与技术指标将在设计由顶层向底层过渡之
中逐步予以关注和考虑 。
至此, 对该题, 做什么, 以及, 做到何种程度, ——
即质量的要求 也就明确了 。
下一步工作就转向分析实现该频率计的各项要求所
应当采用的 测量方法 。
4.1.3 测量方法的分析与比较
? 对各种数字化测频, 测周法的 ± 1误差进行比较,
? 1.直接测量法
? （ 1） 直接频率测量
? 直接频率测量是严格按照频率的定义 （ 即：周期性信号在
单位时间 （ 1S） 内变化的次数 ） 来测量的, 其测量的相对误
差公式如下式：
? 直接频率测量的原理方框图 如图 1所示 。
???
?
???
? ?????
s
s
xgx
x
f
f
fTf
f 1
1.直接测量法（续）
（ 1）直接周期测量
? 当被测信号的频率较低时，采用直接测频方法由量化误
差引起的测频误差太大，为提高测低频时的准确度，应
先测周期 Tx，然后计算 fx=1/Tx。
? 数字频率计测周期的原理框图如图 3所示。被测信号经
放大整形电路变成方波，加到门控电路产生闸门信号，
如 Tx=10ms，则闸门打开的时间也为 10ms，在此
期间内，周期为 Ts的标准脉冲通过闸门进入计数器计
数。若 TS＝ 1uS，则计数器计得的脉冲
N=TX/TS=10000个。若以毫秒 (ms)为单位，则
显示器上的读数为 10.000。
? 以上分析可见，频率计测周期的基本原理正好与测频相
反，即被测信号用来控制闸电路的开通与关闭，标准时
基信号作为计数脉冲。
2.直接与间接测量相结合的方法
当 fx≥ fm时,直接测频,间接测周 ;
? 当 fx≤ fm时,直接测周,间接测频,
11
00
??? K
TTTT
Kf
SS
m
中界频率,
3.多周期同步测量法 ( 倒数计数器法 )
? 双计数器多周期同步法频率测量的 原理框图如图 1所示,预置
的时间和被测信号同时输入到同步电路，在同步电路输出端
得到一个与被测信号同步的闸门信号。闸门信号同时控制闸
门（ A）和闸门（ B）的开启和关闭。在相同的闸门开启时
间内，两个计数器分别对标准信号和被测信号进行计数，其
工作的时序如图 2。假设由计数器（ A）计得的数为，计数
器（ B）计得的数为，则：
sgS fTN ?
xgx fTN ?
根据式（ 2）和式（ 3）可得：
s
s
x
x fN
Nf ?
根据上式，通过计算，便可得到被测信号的频率值。
误差分析
? 由以上分析可知闸门时间和被测信号是同步的，即闸门信号的周期为被
测信号周期的整数倍，所以对被测信号的测量中不存在量化误差（或称
为 ± 1误差）。但闸门信号没有和标准信号同步，所以存在量化误差。
由式（ 4）并根据测量误差的传递公式可得：
s
s
x
s
s
x
x NN
ff
f
ff ?
?
???
?
???
即，
s
s
xx
s
s
x
x NN
fNf
N
Nf ?????
2
根据（ 4）式和（ 6）式可得双计数器多周期同步法频率测
量的相对误差为：
s
s
s
s
x
x
N
N
f
f
f
f ?????
误差分析（续）
? 其中，第一项为标准频率误差，若采用普通的晶振
或温补晶振，其可达 10-5—10-6量级，而对于高稳
定度的石英晶体震荡器（例如，带恒温槽或双层恒
温槽的），其准确度可达 10-8量级；第二项为用直
接频率测量原理测标准频率时所产生的量化误差，
其中为闸门（ A）打开，计数器对计数绝对误差，
其最大误差为 ± 1文献 1，所以再根据式（ 2）和式
（ 7）可得：
sgs
s
x
x
fTf
f
f
f 1????
结 论
? 由以上分析，根据式（ 8）可以得到如下结论：
? （ 1）测量的相对误差与被测信号的频率无关，
只与标准频率误差、标准频率以及闸门时间的大
小有关。
? （ 2）当闸门时间和标准频率确定之后，测量的
相对误差也确定，即在被测信号的整个频段内测
量的精度相同 。
双计数器多周期同步法 频率测量的单片机实现
? 双计数器多周期同步法频率测量的单片机实现电路
结构图如图 3所示，预置信号和被测信号的同步是由
D触发器完成的。被测信号从 D触发器的 CP脉冲端输
入，预置信号由单片机产生，从 D触发器 D端输入。
假设所选用的 D触发器是上升沿触发，其工作的时序
图如图 2所示，在 D触发器的输出 Q便得到与输入信号
同步的闸门信号，闸门信号再输入单片机 INT0和
INT1端，用于控制单片机的计数 T0,T1的计数。标
准信号和被测信号分别输入计数器 T0和 T1计数。单
片机还扩展了 8位动态显示器用于显示测量结果，其
中串口送出待显示的数据的代码,P1口的三根口线
通过译码、驱动后作动态显示的位选线。 P1口的其
它口线由于扩展键盘，用于修改预置时间。
双计数器多周期同步法频率测量的单片
机实现电路结构图
C51单片机定时器的结构与方式字
T0 =1μs
f0=12MHz
尚未涉及的其它问题
? 1） 脉宽测试误差的分析
? 被测 脉宽 ≥100μs,测试误差 ≤0.1%,可以达到 。
? 2） 脉冲占空比测试误差的分析
? 被测脉冲频率 1Hz～ 1KHz,占空比 10%～ 90%,幅度
0.5V～ 5V； 要求误差 ≤1%,可以达到 。
? 3） 被测信号幅度, 频率范围及输入通道放大器
? 自认 0.02V,频率 0.1Hz～ 10MHz,输入电阻 1MΩ
? 4） 稳压电源的设计
? 估计数字电源 ± 5V,1A;模拟电源 ± 5V;± 6～ 15V,均为
200mA
4, 2 设 计 方 案 讨 论
4.2.1 方 案 的 选 择
? 1,测量方法的选择
? 选用多周期同步测量法
? 2,实现技术的选择
? ① 纯 硬 件 实 现 法 （ 可 选 的 器 件 有 通 用 的
SSI/MSI/LSI集成电路, 专用集成电路, 可编程逻
辑器件 ——如 isPLD器件等 ） ；
? ② 纯软件实现法 （ 可选的平台有 PC机, 单片机,
DSP器件等 ） ；
? ③ 软硬件相结合的实现法 （ 由 ①, ② 中选择与组
合 ） 。 ——选此实现技术
4, 3 系 统 级 和 子 系 统 级 设 计
4.3.1 系 统 级 框 图
4.3.2 子 系 统 级 总 体 框 图
1) 频率计子系统的划分
测量控制及
功能切换逻辑
2)各个子系统的主要技术指标及其组成
(1) 输入通道 （ 考虑发挥部分要求时 ）
带宽,0~10MHz; 输入电阻,1M?;
增益,2/0.02=100(用 TTL整形级时 )
(2) 多周期同步等精度测量控制及功能切换逻辑
计数器容量,107～ 108; 工作频率,≥ 10MHz
(3) 单片机子系统 (根据下列要求选用 AT89C51)
① 由 +5V电源 供电, I/O口与 TTL电平兼容, 并有足够数目的 I/O口；
② 要有丰富的四则算术运算和逻辑运算指令, 指令执行速度要快； ③ 片
内除 RAM外还要有 EPROM； ④ 至少有两个 16位的定时器 /计数器；
⑤ 有外部中断输入引脚； ⑥ 具有串行通信口； ⑦ 价格要低廉 。
?第四章结束
第五章 语音数字化存储与回放系统设计 (2)
?5.1 概述
?5.2 电路设计
?5.3 讨论
?5.4 专用语音芯片
5.1 概述
? 目前市场上专用语音芯片的种类较多，使用时电
路简洁，调试方便，但有时总感其缺乏灵活性，
难以满足不同场合的需要，为此设计了一个微处
理器控制的语音数字化存储与回放系统。系统采
用高速 LinCMOS 8位模数转换器 TLC0820AC
完成语音信息的采集，用两片静态 RAM
628128作片外数据存储器，用以存放语音信息，
DAC0832完成语音的回放。该系统对语音信号
的采样频率为 8/4KHz，能对语音进行压缩，回
放音质较好。其原理框图如图 1。
语音数字化存储与回放系统原理框图
从话筒获得的语音信号经放大滤波后，送入 A/D转换进
行模数转换。转换后的数字化语音信号，通过单片机的控
制写入片外数据存储器，完成语音数字化存储。回放时，
单片机从数据存储器中将数据读出，送入并行 D/A转换器，
进行数模转换，转换后的模拟信号经滤波、功率放大后，
实现语音回放。
原理框图
5.2 电路设计
5.2.1 硬件电路部分
(一 ) 前向通道单元电路设计
(1)话筒放大电路设计
为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大，采用两级
高输入阻抗的同相放大器,电路如图 2。
每级放大器的放大倍数按式 2-1和式 2-2计算。
3
1
1 1 R
RA P
V ??
5
2
2 1 R
RA P
V ??
2-1
2-2
(2)带通滤波器电路
? 本电路采用二阶无限增益高、低通滤波器构成
300Hz-3.4KHz带通滤波器，其电路如图 3。
? 参数计算：
? 由二阶无限增益高、低通滤波器设计公式：
CRRc 56
2 1??
3
41
R
RA
V ??
2132
2 1
CCRRC ??
1
3
R
RA
V ??
（ 2-3）
（ 2-4)
（ 2-5）
（ 2-6）
(2)带通滤波器电路 (续 )
? 由二阶无限增益高通滤波器设计公式（ 2-3）、
（ 2-4），截止频率选 300Hz，品质因数 Q取
0.707；对低通滤波器可根据式（ 2-5）、（ 2-6）
进行计算，其中截止频率选取 3.4KHz，品质因数
Q取 0.707,具体设计、计算方法参见文献 1。经
理论计算，再使用 Electronics Workbench
电路分析仿真软件，在电脑上仿真低通及高通滤
波器,最后确定带通滤波器元器件参数如图 3。
? 其幅频特性和相频特性如图 4。
(3)A/D转换电路
? 若采样频率取 8KHZ,所选 A/D转换器转换时间必须小于
125us。我们选用高速 linCMOS 8位模数转换器 TLC0820AC。
TLC0820AC可在整个温度范围内以 1.18us完成 8位 A/D转换。
器件能以高达 100mv/us的斜升速率转换连续模拟信号而无
需外部采样器件。
? 该器件有两种工作方式：读及写读方式。 可以通过 MODE端
选择。当 MODE端处于低电平时，转换器被设为读方式。本
系统将其设计为读方式，单片机只需定时对 A/D转换后的
数据进行读取，采样频率完全由单片机控制，这样有利于
采样频率的调节。由于 TLC0820AC为单极性 A/D转换器，所
以在其输入前加了一级 电平偏移电路,见图 3。 TLC0820AC
与单片机的接口电路见图 6。
(二 ) 主控电路
? 主控电路如图 6所示，该电路核心芯片是 AT89C51，主
要完成 A/D和 D/A转换的控制、数据的存储与读写、语
音信息的处理以及键扫描。
? 两片 628128是 SRAM，用于存储语音信息。 可根据录
音时间的长短即语音的信息量选择 SRAM的容量。该系
统中选择两片 628128共 256K个字节，若采用 8KHZ
的采样频率，可以录取 32s的信息。录音时间可按式 2-9
计算（不考滤压缩情况）。其中 T为录音时间,DRAM为
SRAM的容量（单位为 Bit）,fs为采样频率。
s
R A M
f
DT ?
(2-9)
(三 ) 后向通道单元电路设计：
? D/A转换电路：
数模转换采用 8位 D/A转换器 DAC0832。
DAC0832与微处器完全兼容，其价廉、接口
简单、易于控制，与 单片机接口电路如图 6，由
于 DAC0832为电流输出型 D/A转换器，要获
得模拟电压输出，需要外加转换电路，所以选用
两片 uA741组成具有双极性输出的 I/V转换电
路。
? 带通滤波器及功率放大电路
带通滤波器设计方法与前向通道中的带通滤波器
相同。 功率放大设计采用 TDA2822。
(四 ) 软件设计
? 单片机 AT89C51通过片选方式读 A/D转换数据、
写数据存储器以及将数据送入 D/A转换器 。录
音时 AT89C51通过定时器 T0控制采样频率，定
时将 A/D转换数据存入数据存储器 628128中。
放音时，单片机 AT89C51通过定时器 T0控制，
定时地将数据从数据存储器中取出送往 D/A转换
器进行数模转换。
5.3 讨论
? 3.1音质和信噪比的改善
? 本系统完成了语音拾取、数字化存储及回放功能。
对 300Hz~3.4KHz范围内音频信号进行存储和
回放，低频段效果较好，高频段稍次。如果提高
采样频率，高频段音质可得到改善。
? 带通滤波器矩形系数稍差。如果采用高阶（如四
阶或六阶）带通滤波器，噪音会减少，信噪比能
得以改善。
采样频率的选取
由采样定理,
即,采样频率应为被测信号最高频率的 2倍,本文中由
于带通滤波器的上限频率为 3.4KHz,所以采样频
率选取 8KHz，若上限频率减少则可以适当改变
采样频率。
m a x2 fifs ?
应用探讨
? 可以根据需要，如：在不改变硬件的条件下要延
长录音时间，则可以用软件对语音信息进行语音
压缩,或减少采样频率使其为 4KHz。也可以为满
足某些实际需要对语音信息进行分段录取，然后
再以不同的组合方式进行回放。
补充：专用语音芯片
? ISD2560是 ISD系列单片语音录放集成电路的一种，它
是一种永久记忆型录放语音电路，录音时间为 60s，能重
复录放达 10万次。
? 它采用直接电平存储技术，省去了 A/D,D/A转换器。
ISD2560集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、
定时器、采样时钟、虑波器、自动增益控制、逻辑控制、
模拟收发器、解码器和 480K字节的 EEPROM等等。内
部 EEPROM存储单元，均匀分为 600行，具有 600个地
址单元，每个地址单元指向其中一行，每一个地址单元的
地址分辨率为 100ms。 ISD2560控制电平与 TTL电平
兼容，接口简单，使用方便。 管脚排列如图 1（ b）所示。
ISD2560引脚功能说明
? A0-A9为地址线,共有 1024种组合状态。最前面的 600个状态作内部
存储器的寻址用，最后 256个状态作为操作模式（具体使用参见文献 2），
本系统采用对地址直进行操作的方式。
? 微处理器接口端,P/R录放音控制端，此端为高电平时为放音状态，为
低电平时为录音状态； /CE端用于录放音时的启停控制，通常与 P/R端
配合使用。 /EOM端为每段信息结束信号输出端,/EOM为负向信号，
时间为 12.5ms,/EOM上升沿标志信息结束。
? MIC IN是话筒前置放大器输入端,MIC REF为话筒补偿端，与麦克风
连接电路如图 2；
? AGC自动增益控制端 ； ANA IN与 ANA OUT是模拟信号的输入端和输
出端，它们之间连接耦合电容，通常取值为 0.22uF-1uF。
? ISD2560与单片机 GMS97C2051的接口电路 以及外围电路如图 2所
示。单片机的 P1口,P3.4和 P3.5与 ISD2560的地址线相连用以设置
语音段的起始地址。 P3.0-P3.3用以控制录放音状态。 P3.7扩展一录
音键，供录音是使用。
ISD2560与单片机 GMS97C2051的接口电路
2.1 ISD2560内部地址单元寻址
? ISD2560虽然提供了地址输入线，但它的内部信息段的地址确无法
读出。通常使用不需要知道地址的操作模式，但这不能满足实际的不
同需要，一般使用对地址进行直接操作。而要读出 ISD2560内部信
息地址需专用的 ISD开发设备，其价格较昂贵。本系统采用单片机来
控制，不需读出信息地址，而直接设置信息段起始地址。其实现方式
有多种，一种方式为：由于 ISD2560的地址分辨率为 100ms，所以
可用单片机内部定时器定时 100ms，然后再利用一计数器对单片机
定时次数进行计数，则计数器的计数值为语音段所占用的地址单元。
该方式能充分利用 ISD2560内部的 EEPROM，在字段较多时可利用
该方法，该方法的具体使用请参见文献 4。语音字段如果较少，则可
用下面的方式：根据每一字段的内容多少，直接分配地址单元。一般
按每一秒说 3个字计算,60s可说 180个字，再根据 ISD2560的地址
分辨率为 100ms，即可计算出语音段所需的地址单元数。本系统即
采用该方式。
录放音时 GMS97C2051单片机对 ISD2560的控制
? 录音时,按下录音键，单片机通过口线设置语音段的起始
地址，再使 PD端,P/R端和 /CE端为低电平启动录音，
结束时，松开按键，单片机又让 /CE端回到高电平，即完
成一段语音的录制，同样的方法可录取第二段、第三段等
等。值得注意的是，录音时间不能超过预先设定的每段语
音的时间。
? 放音时,根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始
地址，并通过口线送出。再将 P/R端设为高电平,PD端
设为低电平，并让 /CE端产生一负脉冲启动放音，这时单
片机只需等待 ISD2560的信息结束信号，即 EOM的产生。
EOM信号为一负脉冲，在负脉冲的上升沿该段语音才播放
结束，所以单片机必须要检测到 EOM的上升沿才能播放第
二段，否则播放的语音就不连续，而且会产生啪啪声，这
一点在编制软件时一定要注意。录放音程序框图如图 4、
图 5所示。
图 4 录音软件程序框图
图 5 放音软件程序框图
2.3 系统接口源程序
? 下面编制了录取 5段语音信息的录音程序和对这
五段语音进行组合播放的源程序。播放时，可根
据实际情况或实事情况组合回放，实际需要时，
可对该程序进行扩充。 录放音源程序如下 。
第五章 结束
