数字电路与EDA技术实验指导书电信实验班.docx
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数字电路与EDA技术实验指导书电信实验班
《数字电路与EDA技术实验》
实验指导书
信息与通信工程学院
2012年9月
第一章实验系统
1.1整体组成
实验室采用NC-EDA-2000C实验系统,整体组成如下图所示。
1.2核心板
实验系统的核心板采用Altera公司的EP1K10TC100-3芯片,位于实验箱组成框图的14所示位置,具有低内核电压、低功耗的特点。
芯片内门电路高达1万门,内部使用RAM作电路结构,速度高达几百MHZ,其输出可用管脚已全部开放。
1.3主要模块
一、显示模块
1、液晶显示模块
实验系统采用进口双排16字符液晶显示模块组成,位于实验系统组成框图的16所示位置。
其输入、输出信号在其下方,由13个连接孔与其它模块连接。
2、8位数码管
位于实验系统组成框图的9所示位置,采用2个共阴高红7段数码管组成,位选信号在数码管的左边由连接孔SEL0、SEL1、SEL2与其它模块连接。
3、8×8LED点阵
位于实验系统组成框图的15所示位置,横排8位显示的控制信号在点阵右边的3-8译码器的下方,由SEL0、SEL1、SEL2连接孔与其它模块连接。
4、8位发光二极管
位于实验系统组成框图的13所示位置。
其输入由位于其下方的8位连接孔与其它模块连接,可以模拟二进制数据输出。
二、接口模块
实验系统有视频接口(VGA)、USB接口、RS232接口、通信模块的接口等几个模块。
VGA接口位于实验组成框图的19所示位置,USB接口位于实验组成框图的24所示位置,RS232接口位于实验组成框图的25所示位置。
其信号输入输出均由位于模块左边的连接孔与其它模块连接。
通信模块的输入输出位于实验系统组成框图的17、18所示位置。
三、输入模块
1、4×4键盘
在实验系统组成框图的22所示位置。
4×4键盘主要是通过编程实现0~F的输入,也可以作为一个控制键。
在其上方的连接孔R1、R2、R3、R4控制横向4位;C1、C2、C3、C4控制纵向4位。
2、8位复位开关
复位开关可以通过手动控制为系统提供脉冲信号。
在系统中一共提供了8位的按键开关,当按下键后其输出为低电平,反之则为高电平。
其输出端是模块上方对应的连接孔K1~K8。
3、8位DIP开关
位于实验系统组成框图中的21所示位置。
主要功能是能保持高低电平,通过手动控制为系统提供稳定的逻辑信号。
系统总共提供了8位拨档开关,当开关的档位在上方时则输出高电平,反之则为低电平。
其输出端是模块上方对应的连接孔S1~S8。
4、24M~2Hz分频电路
在实验系统组成框图的20所示位置。
在这个模块中采用了两个时钟源,一个是24M的高频时钟,另一个是32768Hz能完成二次分频的时钟。
时钟输出通过其上方的四组跳线改变其频率的输出,每一组频率相对独立。
其频率值在电路板上均已标明。
每一组的频率输出端是上方对应的CLK1、CLK2、CLK3、CLK4连接孔。
四、模数转换模块
1、ADC0809芯片
ADC0809芯片是8通道、8位逐次逼近式A/D转换器,位于实验系统组成框图中的3所示位置,完成模/数转换。
CH0~CH7为8个模拟输入通道,其输入端是上方对应的CH0~CH7连接孔。
AD0~AD7为数据输出端,通过其右边对应的D0~D7连接孔与其它模块连接。
其它管脚通过其下方对应的连接孔与控制信号相连。
2、DAC0800芯片
DAC0800芯片是8位分辨率的D/A转换芯片,具有连接简单、转换控制方便、价廉等优点,位于实验系统组成框图中的5所示位置,完成数/模转换。
8位数据输入端由下方的D0~D7连接孔输入,模拟信号输出由LF411下方的Vout连接孔输出。
五、控制模块
1、电梯
在本实验系统中模拟的是1个三层电梯上下的模块。
位于实验系统组成框图的12所示位置。
4个按键如上面标志所示分别表示每层楼上、下的请求信号,信号通过其右边对应的4个连接孔1KU(一楼上信号)、2KD(二楼下信号)、2KU(二楼上信号)、3KD(三楼下信号)与其它模块连接。
在中间有2个黄色的指示灯和2个绿色的指示灯。
黄色的指示灯表示楼层有下的请求信号;绿色的指示灯表示楼层有上的请求信号。
通过其右边对应的4个连接孔1U(一楼上信号)、2U(二楼上信号)、2D(二楼下信号)、3D(三楼下信号)与其它模块连接。
模块最右边的3个红灯表示电梯到达楼层的标志信号,通过其右边对应的3个连接孔与其它模块连接。
2、交通灯
在实验系统组成框图的11所示位置。
由12个红黄绿灯按交通灯方式排列的交通灯模块,可做交通灯或舞台灯光实验。
3、步进电机
位于实验系统组成框图的10所示位置。
通过对模块下方的4个连接孔A、B、C、D输入控制信号来控制步进电机的转动。
六、存储模块
在本系统中采用1个8K×8位的E2PROM2864芯片,通过对其编程,可为其它模块提供波形信号。
在实验系统组成框图的4所示位置。
七、蜂鸣器模块
蜂鸣器在实验系统组成框图中位于6所示位置,由1个蜂鸣器和1个喇叭组成,是为了配合有些实验需要报警发声等要求而设置的。
实验系统可以通过对中间的1个跳线的改变来选择蜂鸣器或喇叭,当跳线帽在左边时选择的是喇叭,反之则选择的是蜂鸣器。
对模块下方的SPEAKER连接孔输入1个时钟信号使蜂鸣器或喇叭发声。
第二章开发平台
2.1QuartusII简介
QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
QuartusII支持Altera的IP核,集成了LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快了设计速度。
对第三方EDA工具也提供良好的支持。
2.2QuartusII开发流程
一、创建工程
1、建立工程目录
新建一个文件夹,作为工程目录。
2、新建工程(File|NewProjectWizard)
(1)指定工程目录、名称和顶层设计实体
(2)选择目标芯片
3、新建设计文件(File|New)
4、保存文件File|SaveAs
二、编译工程(Processing|StartCompilation)
全程编译包括排错、数据网表文件提取、逻辑综合、适配、装配文件生成,以及基于目标器件的工程时序分析等。
如果有错误,可双击错误说明条文,修改源程序,重新编译。
三、时序仿真
1、新建波形文件(File|New)
选择OtherFiles中的VectorWaveformFile
2、保存文件(File|SaveAs)
3、设置仿真时间区域(Edit|EndTime)
4、添加端口(Edit|InsertNodeorBus|NodeFinder)
5、编辑输入波形
6、启动时序仿真(Processing|StartSimulation)
四、观察RTL电路
Tools|RTLViewer
五、引脚分配(Assignments|AssignmentEditor)
当引脚分配后,必须重新编译一次。
六、下载(Tools|Programmer)
1、设置编程器
2、启动编程
七、运行
搭建好外围电路后,观察实验系统运行情况,如果与预期的功能不符,应重新修改源程序。
第三章实验项目
实验1全加器设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握QuaruII软件的开发流程,学会全加器的设计方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、系统方案
利用QuaruII集成的门元件,先设计一个半加器,将半加器生成元件符号后,用两个半加器组成一个全加器。
2、设计半加器
生成元件符号,单击菜单File|Create/Update
3、设计全加器
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
被加数a、加数b和低位进位cin分别连接拨码开关;
和sum、高位进位cout分别连接发光二极管。
3、运行工程
拨动开关,改变被加数、加数和低位进位,观察发光二极管显示的和与高位进位。
五、实验数据记录
仿真波形图
六、思考题
1、如何采用Verilog文本方式实现全加器?
实验2基于LPM的乘法器设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握QuarutusII的宏功能模块设计的应用,学会基于LPM的乘法器设计方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、系统方案
基于存储器模块库中的lpm_rom,构成一个4bit×4bit的无符号数乘法器。
预先计算出两个数的乘积,并放在ROM中,将两个数分别作为ROM地址的高4位和低4位,读取存储单元来得到两数的乘积。
此方法的优点是运算速度快,缺点是ROM需分配较多的存储单元。
2、整体电路
3、新建MIF文件
(1)File|New,选择OtherFiles中的MemoryInitializationFile
(2)设置字数为256,字宽为8
(3)输入乘积数据
表3.17ROM单元格
4、定制lpm_rom元件
(1)引入lpm_rom
新建原理图文件,插入megafunctions|storage中的lpm_rom
(2)设置数据线和地址线宽度
(3)设置控制端口
(4)添加MIF文件
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
clk连接1KHz时钟;
被乘数a和乘数b分别连接拨码开关;
乘积result连接发光二极管。
3、运行工程
拨动开关,改变被乘数和乘数,观察发光二极管显示的乘积。
五、实验数据记录
仿真波形图
六、思考题
1、如何设计基于lpm_rom的4bit×4bit的有符号数乘法器?
实验3译码器设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握译码器的逻辑功能和设计方法,学会数码管的使用。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、3线-8线译码器
3线-8线译码器74HC138的逻辑符号如下。
74HC138的功能表如下。
2、七段显示译码器
七段显示译码器74HC4511的逻辑符号如下。
74HC4511的能表如下。
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
(1)74HC138
使能端和数据输入端连接拨码开关,译码输出端连接发光二极管。
(2)74HC4511
BCD码输入端连接拨码开关,译码输出端连接数码管的段码信号。
3、运行工程
拨动开关,改变输入信号,观察发光二极管或数码管显示的变化。
五、实验数据记录
源程序
六、思考题
1、用74LS138实现逻辑函数L=
+ABC。
实验4触发器设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握D、SR和JK触发器的逻辑功能,学会触发器之间相互转换的方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、D触发器
(1)逻辑符号
(2)特性方程
(3)功能表
2、SR触发器
(1)逻辑符号
(2)特性方程
(3)功能表
3、JK触发器
(1)逻辑符号
(2)特性方程
(3)功能表
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
时钟端clk接1Hz时钟;
数据输入端D、S、R、J、K分别连接拨码开关;
状态输出端Q连接发光二极管。
3、运行工程
拨动开关,改变输入信号,观察发光二极管的变化。
五、实验数据记录
源程序
六、思考题
1、怎么将JK触发器转换成D触发器、T触发器或SR触发器?
实验5计数器设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握集成计数器的逻辑功能和使用方法,学会运用集成计数器构成分频器。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
设计一个模60的8421码加法计数器。
采用1Hz的标准时钟,通过8个发光二极管来显示计数值。
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
时钟端连接1Hz时钟;
复位端连接拨码开关;
计数输出端连接发光二极管。
3、运行工程
拨动开关,观察发光二极管显示的变化。
五、实验数据记录
源程序
六、思考题
1、怎样实现计数器之间的级联?
实验6数字频率计设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握频率测量原理,学会级联计数和数码管动态显示的设计方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、系统方案
设计一个4位10进制频率计,能测出0~9999Hz范围内的信号频率。
采用1Hz的标准时钟,对待测信号的脉冲数进行计数。
通过4位数码管来显示待测信号的频率值。
2、测频模块
控制模块各信号的时序如下所示。
3、显示模块
8位数码管采用动态扫描显示,位选信号SEL0、SEL1、SEL2经过3-8译码后选择1位数码管,段选信号为A、B、C、D、E、F、G、DP。
(1)位选扫描模块
(2)段选扫描模块
(3)显示译码模块
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
测量标准时钟连接1Hz时钟,数码管的扫描时钟接1KHz时钟;
复位信号接拨码开关;
数码管的位码信号分别连接SEL0、SEL1;
数码管的段码信号分别连接A、B、C、D、E、F、G。
3、运行工程
改变待测信号的频率,观察数码管显示的频率值。
五、实验数据记录
源程序
六、思考题
1、怎样扩展为8位10进制频率计?
实验7乐曲演奏设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握乐曲演奏原理,学会音符和节拍的设计方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、系统方案
设计一个乐曲演奏电路,循环演奏一段梁祝乐曲。
输出方波控制蜂鸣器,实现乐曲的演奏,由数码管显示正在演奏的音符。
2、蜂鸣器驱动电路
3、演奏模块
(1)音符控制
音符频率值
低音(Hz)
中音(Hz)
高音(Hz)
1
261.6
1C
523.3
1
1046.5
2
293.7
2D
587.3
2
1174.7
3
329.6
3E
659.3
3
1318.5
4
349.2
4F
698.5
4
1396.9
5
392
5G
784
5
1568
6A
440
6
880
6
1760
7B
493.9
7
987.8
7
1975.5
对6MHz的基准时钟进行分频后,得到相应频率的方波,驱动蜂鸣器演奏乐曲中相应的音符。
(2)节拍控制
取0.25秒代表1个8分音符的时长,将乐曲分割成连续的8分音符序列。
引入4Hz的基准时钟,每经过一个周期,即切换到下一个8分音符,实现乐曲的连续演奏。
4、显示模块
8位数码管采用动态扫描显示,位选信号SEL0、SEL1、SEL2经过3-8译码后选择1位数码管,段选信号为A、B、C、D、E、F、G、DP。
(1)位选扫描模块
(2)段选扫描模块
(3)显示译码模块
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
音符基准时钟连接6MHz,节拍基准时钟连接4Hz;
蜂鸣器的驱动信号speaker连接蜂鸣器;
数码管的位码信号分别连接SEL0、SEL1;
数码管的段码信号分别连接A、B、C、D、E、F、G。
3、运行工程
听蜂鸣器演奏的乐曲,观察数码管显示的音符。
五、实验数据记录
源程序
六、思考题
1、怎样修改程序,演奏其它乐曲?
实验8数字钟设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握数字钟的工作原理,学会级联计数、数码管译码和动态显示、键盘的消抖和有限状态机设计方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
三、实验原理
1、系统方案
设计多功能数字钟,提供计时、校时和报时功能。
数字钟设4个输入端,分别为基准时钟输入、功能选择、时分切换和增加数值按键。
引入4Hz基准时钟来实现计时。
通过功能选择键来切换计时、校时和报时三种运行模式。
在校时和报时模式下,由时分切换键区分当前调整的时间参数。
增加数值键可以让时间参数增1,如果长按则会连续快速增1。
数字钟还具有整点报时和定时闹铃功能,扬声器可引入1KHz的基准时钟。
2、按键模块
由于按键存在机械抖动,可引入1KHz的基准时钟,延时约12ms,等待按键稳定后,再检测其状态。
3、显示模块
8位数码管采用动态扫描显示,位选信号SEL0、SEL1、SEL2经过3-8译码后选择1位数码管,段选信号为A、B、C、D、E、F、G、DP。
(1)位选扫描模块
(2)段选扫描模块
(3)显示译码模块
四、实验步骤
1、建立工程
2、搭建电路
计时基准时钟和闹铃基准时钟连接4Hz;
蜂鸣器的驱动信号speaker连接蜂鸣器;
功能选择键、时分切换键和增加数值键分别连接3个按键;
数码管的位码信号分别连接SEL0、SEL1、SEL2;
数码管的段码信号分别连接A、B、C、D、E、F、G。
3、运行工程
按下按键设置时间,观察数码管显示的时间,听蜂鸣器的报警声。
五、实验数据记录
源程序
六、思考题
1、怎样扩展系统,实现年、月、日的计时和显示?
实验9数字电压表设计
一、实验目的
通过本次实验,掌握电压测量原理,学会A/D采样控制的设计方法。
二、实验仪器
PC机、EDA实验系统。
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