《EDA技术课程设计》实践教学内容及实施安排表.docx
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《EDA技术课程设计》实践教学内容及实施安排表
《EDA技术课程设计》实践教学内容及实施安排表
课程设计名称
EDA技术课程设计
参考教材
或指导书
1.陈忠平,高金定,高见芳.《基于QuartusII的FPGA/CPLD设计与实践》[M].电子工业出版社,2010.
2.潘松等编著.《EDA技术实用教程》[M].科学出版社,2006.
3.Pedroni,VolneiA.《CircuitDesignwithVHDL》[M].MITpress,2005.
4.梁勇,王留奎编著,《EDA技术教程》[M].人民邮电出版社,2010.
5.周立功等编著.《EDA实验与实践》[M].北京航空航天大学出版社,2007.
6.侯建军,郭勇编著.《SOPC技术基础教程》[M].清华大学出版社,2008.
教学任务
一、教学目的
《EDA课程设计》(注:
EDA即电子设计自动化,ElectronicsDesignAutomation)是继《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》、《电子技术基础实验》课程后,电气类、自控类和电子类等专业学生在电子技术实验技能方面综合性质的实验训练课程,是电子技术基础的一个部分,其目的和任务是通过一周的时间,让学生掌握EDA的基本方法,熟悉一种EDA软件(QuartusII),并能利用EDA软件设计一个电子技术综合问题,并在实验板上成功下载,为以后进行工程实际问题的研究打下设计基础。
二、内容及要求
以下课题供学生选择,2人一组,小组间不重复选题,同时学生也可根据自身兴趣爱好自选综合性设计项目,但需将选题情况报指导教师审查批准方可实施。
课题1:
脉冲宽度测量仪电路设计
1.任务
采用EDA技术,设计一个能测量脉冲信号宽度的系统。
系统图如下:
2.要求
(1)脉冲信号宽度的测量精度为±1ms。
(2)脉冲信号宽度的测量范围为0~10s。
(3)调试过程中可以用按键模拟脉冲信号。
(4)测量值用5位数码管显示(可以采用静态显示)。
(5)输入信号为标准TTL电平。
(6)调试中既可以采用正脉冲,也可以采用负脉冲(任选其一)。
(7)必须先进行前仿真,并打印出仿真波形。
(8)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
课题2:
抢答器设计
1.任务
采用EDA技术,设计一个4人抢答器。
系统图如下:
2.要求
(1)1个主持键、4个抢答键。
(2)抢答的键号用一个数码管显示(可以采用静态显示)。
(3)抢答的时间用两位数码管显示(可以采用静态显示),精确到0.1s。
(4)主持键按下,4个抢答键才有效,时间从0.0s开始计时。
(5)当时间到8.8s还没人按抢答键,抢答停止,抢答键无效;当主持键再次按下才有效。
(6)在规定时间内抢答键按下时,显示先按下的键号,时间停止,抢答键无效;当主持键再次按下才有效。
(7)必须先进行前仿真,并打印出仿真波形。
(8)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
课题3:
数字频率计设计
1.任务及要求
(1)设计一个能测量方波信号的频率的频率计。
(2)测量的频率范围是0999999Hz。
(3)结果用十进制数显示。
(4)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2、设计提示:
(1)脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数,其表达式为f=N/T,f为被测信号的频率,N为计数器所累计的脉冲个数,T为产生N个脉冲所需的时间。
所以,在1秒时间内计数器所记录的结果,就是被测信号的频率。
(2)被测频率信号取自实验箱晶体振荡器输出信号,加到主控门的输入端。
(3)再取晶体振荡器的另一标准频率信号,经分频后产生各种时基脉冲:
1ms,10ms,0.1s,1s等,时基信号的选择可以控制,即量程可以改变。
(4)时基信号经控制电路产生闸门信号至主控门,只有在闸门信号采样期间内(时基信号的一个周期),输入信号才通过主控门。
(5)f=N/T,改变时基信号的周期T,即可得到不同的测频范围。
(6)当主控门关闭时,计数器停止计数,显示器显示记录结果,此时控制电路输出一个置零信号,将计数器和所有触发器复位,为新的一次采样做好准备。
(7)改变量程时,小数点能自动移位。
课题4:
出租车自动计费器的设计
1.任务及要求
(1)能实现计费功能,起步费为3.00元,并在车行1km后按1.8/km增加,当计费器达到或超过一定收费(如20元)时,每千米加收50%的车费,车停止计费结束。
(2)能实现预置起步费、每千米收费、车行程加费里。
(3)能实现模拟汽车起动、停止、暂停、车速等状态。
(4)能将车费和路程用数码管显示,并有两位小数。
(5)扩充其它功能。
(6)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2、设计提示:
系统顶层框图:
课题5:
彩灯控制器的设计
1.任务及要求
(1)设计一个彩灯控制器,使彩灯(LED管)能连续发出四种以上不同的显示形式;
(2)随着彩灯显示图案的变化,发出不同的音响声。
(3)扩充其它功能。
(4)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2、设计提示:
(1)彩灯显示的不同形式可由不同进制计数器驱动LED显示完成;
(2)音响由选择不同频率CP脉冲驱动扬声器形成。
课题6:
交通灯控制器的设计
1.任务及要求
(1)设计一个交通信号灯控制器,由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口,在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯,红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行,黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。
(2)红、绿、黄发光二极管作信号灯,用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到来的信号。
(3)主干道处于常允许通行的状态,支干道有车来时才允许通行。
主干道亮绿灯时,支干道亮红灯;支干道亮绿灯时,主干道亮红灯。
(4)主、支干道均有车时,两者交替允许通行,主干道每次放行45秒,支干道每次放行25秒,设立45秒、25秒计时、显示电路。
(5)在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中,要亮5秒黄灯作为过渡,使行驶中的车辆有时间停到禁行线外,设立5秒计时、显示电路。
(6)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2.设计提示
(1)主、支干道用传感器检测车辆到来情况,实验电路用逻辑开关代替。
(2)选择1HZ时钟脉冲作为系统时钟。
(3)45秒、25秒、5秒定时信号可用顺计时,也可用倒计时,计时起始信号由主控电路给出,每当计满所需时间,即向主控电路输出“时间到”信号,并使计数器清零,由主控电路启、闭三色信号灯或启动另一计时电路。
(4)主控电路是核心,这是一个时序电路,其输入信号为:
车辆检测信号(A,B,;45秒、25秒、5秒定时信号(C,D,E),其输出状态控制相应的三色灯。
主控电路可以由两个JK触发器和逻辑门构成,其输出经译码后,控制主干道三色灯R、G、Y和支干道三色灯r、g、y。
设计7:
拔河游戏机设计
1.任务及要求
(1)设计一个能进行拔河游戏的电路。
(2)电路使用7个发光二极管,开机后只有中间一个发亮,此即拔河的中心点。
(3)游戏双方各持一个按钮,迅速地、不断地按动,产生脉冲,谁按得快,亮点就向谁的方向移动,每按一次,亮点移动一次。
(4)亮点移到任一方终端二极管时,这一方就获胜,此时双方按钮均无作用,输出保持,只有复位后才使亮点恢复到中心。
(5)用数码管显示获胜者的盘数。
(6)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2、设计提示
(1)按钮信号即输入的脉冲信号,每按一次按钮都应能进行有效的计数。
(2)用可逆计数器的加、减计数输入端分别接受两路脉冲信号,可逆计数器原始输出状态为0000,经译码器输出,使中间一只二极管发亮。
(3)当计数器进行加法计数时,亮点向右移;进行减法计数时,亮点向左移。
(4)由一个控制电路指示谁胜谁负,当亮点移到任一方终端时,由控制电路产生一个信号,使计数器停止计数。
(5)将双方终端二极管“点亮”信号分别接两个计数器的“使能”端,当一方取胜时,相应的计数器进行一次计数,这样得到双方取胜次数的显示。
(6)设置一个“复位”按钮,使亮点回到中心,取胜计数器也要设置一个“复位”按钮,使之能清零。
设计8:
乒乓球比赛游戏机的设计
1.任务及要求
(1)设计一个由甲、乙双方参赛,有裁判的3人乒乓球游戏机。
(2)用8个LED排成一条直线,以中点为界,两边各代表参赛双方的位置,其中一只点亮的LED指示球的当前位置,点亮的LED依此从左到右,或从右到左,其移动的速度应能调节。
(3)当“球”(点亮的那只LED)运动到某方的最后一位时,参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关,即表示启动球拍击球。
若击中,则球向相反方向移动;若未击中,则对方得1分。
(4)一方得分时,电路自动响铃3秒,这期间发球无效,等铃声停止后方能继续比赛。
(5)设置自动记分电路,甲、乙双方各用2位数码管进行记分显示,每计满21分为1局。
(6)甲、乙双方各设一个发光二极管,表示拥有发球权,每隔5次自动交换发球权,拥有发球权的一方发球才有效。
(7)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2、设计提示
(1)用双向移位寄存器的输出端控制LED显示来模拟乒乓球运动的轨迹,先点亮位于某一方的第1个LED,由击球者通过按钮输入开关信号,实现移位方向的控制。
(2)也可用计数译码方式实现乒乓球运动轨迹的模拟,如利用加/减计数器的2个时钟信号实现甲、乙双方的击球,由表示球拍的按钮产生计数时钟,计数器的输出状态经译码驱动LED发亮。
(3)任何时刻都保持一个LED发亮,若发亮的LED运动到对方的终点,但对方未能及时输入信号使其向相反方向移动,即失去1分。
(4)控制电路决定整个系统的协调动作,必须严格掌握各信号之间的关系。
设计9:
乐曲演奏电路的设计
1.任务及要求
(1)设计一乐曲演奏电路,能控制播放“梁祝”、“两只老虎”、“浏阳河”等曲子。
(2)具备顺序播放的功能。
(3)具备按键选择播放曲子的功能。
(4)具备LED彩灯闪烁功能。
(5)其他功能。
(6)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2.设计提示
(1)音乐硬件演奏电路基本原理:
声音的频谱范围约在几十到几千赫兹,若能利用程序来控制FPGA芯片某个引脚输出一定频率的矩形波,接上扬声器就能发出相应频率的声音。
乐曲中的每一音符对应着一个确定的频率,要想FPGA发出不同音符的音调,实际上只要控制它输出相应音符的频率即可。
乐曲都是由一连串的音符组成,因此按照乐曲的乐谱依次输出这些音符所对应的频,就可以在扬声器上连续地发出各个音符的音调。
而要准确地演奏出一首乐曲,仅仅让扬声器能够发生是不够的,还必须准确地控制乐曲的节奏,即乐曲中每个音符的发生频率及其持续时间是乐曲能够连续演奏的两个关键因素。
(2)音符频率的获得:
多个不同频率的信号可通过对某个基准频率进行分频器获得。
由于各个音符的频率多为非整数,而分频系数又不能为小数,故必须将计算机得到的分频系数四舍五入取整。
若基准频率过低,则分频系数过小,四舍五入取整后的误差较大。
若基准频率过高,虽然可以减少频率的相对误差,但分频结构将变大。
实际上应该综合考虑这两个方面的因素,在尽量减少误差的前提下,选取合适的基准频率。
(3)简谱中音名与频率的关系:
音名
频率(HZ)
音名
频率(HZ)
音名
频率(HZ)
低音1
261.63
中音1
523.25
高音1
1046.50
低音2
293.67
中音2
587.33
高音2
1174.66
低音3
329.63
中音3
659.25
高音3
1381.51
低音4
349.23
中音4
698.46
高音4
1396.92
低音5
391.99
中音5
783.99
高音5
1567.98
低音6
440
中音6
880
高音6
1760
低音7
439.88
中音7
987.76
高音7
1975.52
设计10:
脉冲按键电话显示器的设计
1.任务及要求
(1)设计一个具有8位显示的电话按键显示器;
(2)能准确地反映按键数字;
(3)显示器显示从低位向高位前移,逐位显示按键数字,最低位为当前输入位;
(4)设置一个“重拨”键,按下此键,能显示最后一次输入的电话号码;
(5)挂机2秒后或按熄灭按键,熄灭显示器显示。
(6)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2.设计提示
(1)利用计数器的预置数功能可以实现不同的按键对应不同的数字;
(2)设置一个计数器记录按键次数,从而实现数字显示的移位。
设计11:
洗衣机控制器的设计
1.任务及要求
(1)设计一个电子定时器,控制洗衣机作如下运转:
定时启动正转20秒暂停10秒反转20秒暂停10秒定时未到回到“正转20秒暂停10秒……”,定时到则停止;
(2)若定时到,则停机发出音响信号;
(3)用两个数码管显示洗涤的预置时间(分钟数),按倒计时方式对洗涤过程作计时显示,直到时间到停机;洗涤过程由“开始”信号开始;
(4)三只LED灯表示“正转”、“反转”、“暂停”三个状态。
(5)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2.设计提示
(1)1、设计20秒、10秒定时电路。
(2)2、电路输出为“正转”、“反转”、“暂停”三个状态。
(3)3、按照设计要求,用定时器的“时间到”信号启动相应的下一个定时器工作,直到整个过程结束。
设计12:
VGA彩色信号发生器的设计
1.任务及要求
(1)用FPGA实现VGA的彩条信号显示通过按键实现横纹、竖纹、方格图案的变化并能进一步设计出文字、图像的显示。
显示图像分辩率为640×480刷新率为60Hz。
(2)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2.设计提示
(1)VGA显示原理:
当显示屏分辩率为640×480时,整个屏上有640×480=307200个点(也称为像素),每个点的位置由其所在行和列确定,一幅图像就由这样的点阵来显示,像素点点亮的方式为从左到右,从上到下一行一行地扫描,当一屏扫完也就完成了一帧图像的显示,一秒钟扫60帧图像,其刷新率为60Hz。
设计的关键在于:
1、显示某一颜色的位置;2、如何由二进制代表颜色。
(2)应当注意,VGA显示器每扫描完一行,再扫描一下行时会花一定时间来准备,因此要满足时序要求。
VGA行扫描时序图
(3)同样每扫描完一帧,再扫描下一帧行时也会花一定时间来准备,因此也要满足其时序要求。
VGA场扫描时序图
显示的颜色用三位二进制表示,共可以显示八种颜色,对应关系如下表所示:
颜色编码表
颜色
黑
蓝
绿
品
红
青
黄
白
R
0
0
0
0
1
1
1
1
G
0
0
1
1
0
0
1
1
B
0
1
0
1
0
1
0
1
设计13:
数字电压表的设计
1.任务及要求
(1)使用FPGA控制ADC0809,设计一个量程为5V的数字电压表。
要求采用3位数码管显示电压值,可以显示小数点的后两位。
(2)按《湖南涉外经济学院课程设计管理办法》要求提交课程设计报告。
2.设计提示
ADC0809采样控制可采样状态机来完成,具体参考ADC0809采样时序及特性表。
本课程设计时间2周,主要用到EDA技术实验室,所有项目必须在实验箱或开发板上实现。
设计14:
其余任选综合性设计项目
选题前须经指导教师审核批准。
专业班级
电子信息工程1001、1002、1004班;电子信息科学与技术1001
学生人数
103
分组安排
共分为6组:
电子信息工程1001班分为两组,电子信息工程1002班分为两组,电子信息工程1004班一组,电子信息科学与技术1001班一组。
指导教师
每组安排一位指导教师,共六位教师,具体安排见附件。
时间
从6月17日至6月28日,小计:
10天2周(法定节假日除外)
教学地点
6教209等教室,具体安排见附件。
日常考核及成绩评定标准
1、日常考核
由指导老师做好每日学生考勤工作,并对学生的课程设计进度、学习态度、动手能力等方面的表现做好相关记录。
2、成绩组成
(1)平时考核(满分10分)
主要考查学生到课情况,学习态度等。
(2)实践考核(满分40分)
a、具有优秀的实践动手能力,完成设计任务,并能认真分析问题,独立解决问题(40分)
b、具有较好的实践动手能力,能独立完成实践项目(30~40分)
c、具有一定的实践动手能力,能认真参加实践(20~30分)
d、能基本完成实践项目,但动手能力需进一步加强(15~20分)
e、不能基本完成实践项目,动手能力较差(15分以下)
(3)答辩及课程设计报告考核(满分50分)
a、课程设计报告(35分)
b、答辩(15分)
对学生的要求
1、按时到达指定的教室集合,集中开展EDA技术课程设计实践教学环节,不得迟到、早退、无故缺席;
2、根据教学日历有计划、有步骤的完成课题,提前完成教学内容的同学经指导老师验收批准后可以酌情调整教学安排。
教学日历
日期(月/日)
教学内容
教学形式
备注
6月17日
星期一
课题介绍,布置设计任务,学生选题
实践教学
6月18日
星期二
学生查阅资料、设计方案论证
实践教学
6月19日
星期三
程序设计与调试
实践教学
6月20日
星期四
程序设计与调试
实践教学
6月21日
星期五
程序设计与调试
实践教学
6月24日
星期一
硬件调试与测试、撰写课程设计报告
实践教学
6月25日
星期二
硬件调试与测试、撰写课程设计报告
实践教学
6月26日
星期三
硬件调试与测试、撰写课程设计报告
实践教学
6月27日
星期四
硬件调试与测试、撰写课程设计报告
实践教学
6月28日
星期五
答辩
实践教学
附件:
课程设计地点
班级分组及人数
指导教师
实验老师
时间
6-209
上午:
电信本201001学号前20人
上午:
黄科
欧阳娣
17、18周
下午:
电信本201001学号后20人
下午:
廖亦凡
6-112
(调试在6-209)
上午:
电信本201002学号前18人
上午:
王景芳
杨灿杨珍珍
17、18周
下午:
电信本201002学号后18人
下午:
曹铁军
6-111
(调试在6-209)
上午:
电科本20100117人
上午:
高金定
冯劼
下午:
电信本20100412人
下午:
李晋
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