数字电路与EDA技术实验指导书(2011级电信实验班).doc

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月目 录第一章 实验系统11.1 整体组成11.2 核心板11.3 主要模块1第二章 开发平台52.1 Quartus II简介52.2 Quartus II开发流程5第三章 实验项目9实验1 全加器设计9实验2 基于LPM的乘法器设计11实验3 译码器设计14实验4 触发器设计16实验5 计数器设计18实验6 数字频率计设计19实验7 乐曲演奏设计21实验8 数字钟设计24实验9 数字电压表设计26I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、88LED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、44键盘在实验系统组成框图的22所示位置。44键盘主要是通过编程实现0F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K1K8。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S1S8。4、24M2Hz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。CH0CH7为8个模拟输入通道，其输入端是上方对应的CH0CH7连接孔。AD0AD7为数据输出端，通过其右边对应的D0D7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D0D7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8K8位的E2PROM 2864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2.1 Quartus II简介Quartus II是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、Verilog HDL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。Quartus II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。2.2 Quartus II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 | New Project Wizard）（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 | Save As二、编译工程（Processing | Start Compilation） 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Other Files中的Vector Waveform File2、保存文件（File | Save As）3、设置仿真时间区域（Edit | End Time）4、添加端口（Edit | Insert Node or Bus | Node Finder）选择波形翻转局部波形全屏视图查找节点未初始化强制低电平高阻抗无关计数值任意值对齐网格弱低电平添加注释缩放视图替换节点强制未知强制高电平弱未知翻转波形时钟信号随机值排序弱高电平5、编辑输入波形6、启动时序仿真（Processing | Start Simulation） 四、观察RTL电路Tools | RTL Viewer五、引脚分配（Assignments | Assignment Editor） 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Quaru II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Quaru II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/Update3、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Quarutus II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4bit4bit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Other Files中的Memory Initialization File（2）设置字数为256，字宽为8（3）输入乘积数据表3.17 ROM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4bit4bit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）74HC4511BCD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LABC。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09999Hz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）1261.61 C523.311046.52293.72 D587.321174.73329.63 E659.331318.54349.24 F698.541396.953925 G784515686 A4406880617607 B493.97987.871975.5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