第10章 数字系统设计

分频系数N，从而得到扭环形计数器的位数N／2。
分频器输入脉冲的频率F（或多谐振荡器的输出
频率）。
多路输出正弦波间的相位差角所决定的变量序 列差值M。
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由给定相位差求最小细分系数P
P 360 / 3

求分频系数N以及变量序列差值M
通常取 N12，本方案取12
脉冲发生器的振荡频率F与正弦波的频率f的关
系为（N为分频系数）
F N f
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当要求输出多路正弦波，并要求其相位差为角
时，应如何考虑呢？
计数器的一个循环周期对应正弦波的一个周期，
计数器的N个状态对应阶梯正弦波的N个阶梯，
所以计数器每两个相邻状态相差2/N。
第10章 数字系统的设计
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目 录
10.1 数字系统概述

数字系统的组成
数字系统的研制过程
10.2 数字系统设计的一般方法
10.3 数字系统设计举例

数字波形合成器的设计
浮点频率计的设计
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10.1 数字系统概述
10.1.1 数字系统的组成 数字系统通常包括输入、输出、信息处理与控 制等部分 。
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方案4 电子手表 秒脉冲信号
电路结构非常简单，但要从手表内引出秒脉冲 信号，工艺上有一定困难。 手表电池电压为1.3V，而一般CMOS电路工作 电压为318V，因此，不仅需两种电源供电，而 且引出信号还需增加电平转换电路才能使用。
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选择方案3
方案3 石英晶体 多谐振荡器 多级 分频器 秒脉冲 信号
第10章 数字系统设计
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10.2.4 系统仿真
系统仿真就是利用计算机内的EDA软件对所设
计的电路进行模拟仿真，这样，可以事先验证
设计的正确性，排除错误。 系统仿真可以大大缩短设计时间，减少故障出 现的可能性，提高系统的可靠性。
第10章 数字系统设计
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10.2.5 样机研制
样机研制是设计完成后，按照设计加工制造的
每个框即是一个单元电路，按照系统性能指标要 求，规划出各单元电路所要完成的任务，确定输 出与输入的关系，决定单元电路的结构。
由系统框图到单元电路的具体结构应是多解的， 应该经过较为详细的方案比较和论证，以技术上 的可行性和较高的性能价格比为依据。 最后选定方案。
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N进制 计数/分 频器
三路正 弦加权 DAC
三路 LPF
三路正 弦信号
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（3） 方案实现
1）振荡器。为了获得高的频率稳定性，选用石英
晶体振荡电路，可以满足Δf/f≤10-4的技术要求。
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2）N分频器（计数器）：采用6位扭环形计数器，
即N=12
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6位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合
成原理
若要求相差120，应错开M=4个计数器状态。
若第一路输出采用Q1~ Q6，则第二路输出的第
一个状态便变量应该是Q5，而其后的5个状态变 量依次为，Q6、Q1、Q2、Q3、Q4
第10章 数字系统设计
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设计中首先确定以下3个参数 ：
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要保证各功能块协调一致地工作。
主要通过控制器来完成，控制器通常由移位寄 存器或计数器构成的脉冲分配器（又称节拍发 生器）来组成。
对该控制器的要求是严格的，不允许有竞争冒 险和过渡干扰脉冲出现，以免发生控制失误。 因为这一原因，控制器多采用扭环形计数器来 构成。
张简单的装配图，以确定各元器件的实际位置，这 对于后面的布线和调试工作是十分重要的。
第二步就是把元器件按照装配图指示的位置插入实
验板或实验箱的面板上，然后进行接线。
在接线时，应首先连接各集成块的电源线和地线，
然后插入外围电路各元器件，最后完成各集成块之 间的信号连线。
第10章 数字系统设计 21
第10章 数字系统设计
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10.3 数字系统设计举例 10.3.1 数字波形合成器的设计
任务书：数字波形合成器的设计。 技术指标 设计一个具有高频率稳定度和高相位稳定度的三相正 弦信号源。
f=400MHz。
频率稳定度Δf/f≤10-4。 三相信号A、B、C间相差120。 相位误差Δ≤3。 幅值=5V0.2V。 正弦信号非线性失真系数г<1%。
M N/P4
N的选择原则可归纳为：N必须为正偶数，必
须能被P整除，也必须12。
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求F F=Nf =12400Hz=4.8kHz
本例中采用的石英晶体谐振频率f0=96kHz，所
以振荡器输出还应经过20分频电路才能送扭环
形计数器。
第10章 数字系统设计
拟订性能指标：就是要根据实际的需要，并充分考
虑当前的技术发展状况，提出对系统主要性能指标 的要求。 方案设计：指从接到任务书一直到样机研制成功的 整个过程。
工艺设计：主要包括印制电路板的设计与制作，系
统各部件间的连接设计，接线图以及机箱的加工制 造等。
第10章 数字系统设计 5
样机研制：对整个系统进行安装调试，进一步完
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数字波形合成器总电路图
第10章 数字系统设计
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A相正弦加权DAC
下面介绍电路的工作原理和权电阻的求解方法。
不包括虚线部分的输出电压：
1 1 1 V0 R f VREF ( d1 d2 d3 R1 R2 R3 1 1 1 d4 d5 d6 ) R4 R5 R6
例10-1：试设计一个秒脉冲发生器。 1. 提出方案。4种方案
方案1
交流50Hz 信号 方案2 整形 电路 50分频 器 秒脉冲 信号
RC多谐振荡器
秒脉冲信号
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方案3 石英晶体 多谐振荡器 多级 分频器 秒脉冲 信号
方案4 电子手表 秒脉冲信号
第10章 数字系统设计
电路工作稳定性及精度好，如果集成电路选择
合适，电路结构也很简单。 例如选择15级分频器及频率为32768Hz的石英晶 体，即可方便地构成秒脉冲发生器。
第10章 数字系统设计
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10.2.3 方案实现
数字系统的实现大致有以下几种方法：
1）采用通用的集成逻辑器件组成。
传统的方法，实际应用比较广泛。 2）采用单片微处理器作为核心实现。 所用器件少，使用灵活，也得到广泛应用。 3）采用可编程逻辑器件PLD。
第10章 数字系统来自百度文库计 24
(1) 课题分析
课题分析：在某些场合对于信号的频率、相位以
及失真度要求较高。
实现方案有多种，但是采用石英晶体振荡器、分
频器、D/A转换器构成的数字波形合成方案，是
实现高的频率和相位稳定性的一种较好方案，容 易实现技术指标的要求。
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(2) 方案论证
外部 输入
输入 电路
处理与 控制
输出 电路
对象 负载
第10章 数字系统设计
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10.1.2 数字系统的研制过程
数字系统的研制过程一般如下图所示
选
题
拟 订 性 能 指 标
方 案 设 计
实 验 与 修 改
工 艺 设 计
样 机 研 制
试 生 产
鉴
定
批 量 生 产
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选题：即根据客观需求提出研制课题。
课题 分析
方案 论证
方案 实现
系统 仿真
样机 研制
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10.2.1 课题分析
课题分析：根据技术指标的要求，做好充分的
调查研究，弄清系统所要求的功能和性能指标，
以及目前该领域中类似系统所能达到的水平， 对课题的可行性做出判断。
第10章 数字系统设计
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10.2.2 方案论证
按照系统总的要求，得到系统框图。
第一台设备。它主要包括工艺设计以及安装调
试等内容。学生在实验室大都是在逻辑实验箱 上进行，验证是否达到任务书中各项要求。 安装与调试过程按照先局部后整机的原则。 要注意各信号输入端的正确处理，一般不允许 悬空。
第10章 数字系统设计
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安装调试的第一步，就是根据实验板或实验箱为设
计者提供的使用面积和各元器件体积大小，画出一
图中虚线部分。
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输出应改写为
1 1 1 V0 R f VREF ( d1 d 2 d3 R1 R2 R3 Rf 1 1 1 d 4 d5 d6 ) VEE R4 R5 R6 R0
等于正弦波幅值Vm
第10章 数字系统设计 40
根据各点相位要求及教材（10-20）（10-20）
第10章 数字系统设计 22
最常见的设计错误是对于某些输入端忘记了处 理，从而造成浮空端子。像计数器不计数、寄 存器不寄存信息等问题，常常是设计者对诸如 清零端、置数端、使能端等输入端未加处理而 引入噪声所致。 设计中常见的错误是对于竞争冒险考虑不周。
在一般工程设计中，还要进行工艺设计、样机 制作、鉴定、小批量生产等工作。
第10章 数字系统设计
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若要求两路正弦输出信号相差角，就要求两路
阶梯波对应的阶梯错开M个计数器的状态，即
2 M N
2 M / N
若要求两路相差120，且N=6，则M=2。 两路输出对应阶梯应错开两个计数器状态。
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系统框图
多谐 振荡 器
为1的位权电阻接VREF；为0的位权电阻接地。 VREF实际上就是控制变量的逻辑高电平时的电压 值VOH，也就是电源的值VDD，而地由VOL代替。
第10章 数字系统设计 38
由图可以看到，全0状态必须对应sin90，而全
1状态对应sin(-90) 。
由于含有直流分量，因此增加电平偏移电路。
首先把正弦波的一个周期分为N等分，用具有N
个阶梯的正弦波来逼近所要求的正弦波。
N越大，其逼近程序越好，但同时电路实现也越
复杂。合理选择N值。
合成的阶梯波通过LPF把其中的高次谐波分量 滤除，就获得了所需正弦波。
第10章 数字系统设计
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正弦阶梯波合成器原理框图
脉冲发 生器 计数器 （分频器） 正弦加 权DAC 阶梯正 弦波
二阶低通滤波器
二阶低通滤波器设计属于模拟电子技术内容，
检查接线确定无误后方可通电。通电后如果没有明 显的故障现象，就可以进行电路的调试。 常见的故障：接错线、漏接线和逻辑设计错误。 排除方法可利用“故障点跟踪测试法” ，如发现该 点的信号特征与预期结果不符，则向前一级查找。 漏接线的结果往往使输入端浮空，浮空点的电平将 偏离正常的逻辑电平 。 接错线有时会使器件输出端之间短路，若为TTL电 路则输出电压大约为0.6V。
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2. 4种方案优缺点及可行性分析
1）方案1
交流50Hz 信号 整形 电路 50分频 器 秒脉冲 信号
50Hz信号的引入及其幅值要合适，使用起来不方
便，且工作稳定性及精度较差。
第10章 数字系统设计
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方案2
RC多谐振荡器
秒脉冲信号
电路结构简单，但工作稳定性及精度差。
第10章 数字系统设计
善系统设计。
试生产：样机研制成功后，可根据实际情况试生
产若干台，交使用单位使用，并提出使用意见，
为下一步鉴定工作做准备。 最后才能正式投入生产。
第10章 数字系统设计
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10.2 数字系统设计的一般方法
系统的设计没有一成不变的规定步骤，它往往
与设计者的经验、兴趣、爱好等密切相关。
总体来说可归纳为如图所示的5个步骤。
设计的系统体积小、功耗低、可靠性高、易于进行 修改等，已成为当今实现数字系统设计的首选方案。
4）设计功能完整的数字系统芯片。
第10章 数字系统设计 16
第一种方法的要点是：
熟悉目前数字或模拟集成电路的分类、特点， 合理地选择所用芯片，方便地实现各功能块的 要求，并且工作可靠、价格低廉。
对所选各功能块进行应用性设计时，要根据集 成电路的技术要求和功能块应完成的任务，正 确设计计算外围电路的参数，对于数字集成电 路要特别注意正确处理各功能输入端。
可推出各权电阻之间关系为：
R1 : R2 : R3 : R4 : R5 : R6 1.5 : 0.55 : 0.4 : 0.4 : 0.55 :1.5
具体取值为：1MΩ、370kΩ、270kΩ、270kΩ、 370kΩ、1MΩ。 Rf应取为68kΩ， R0应取为135kΩ。
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