数字电子技术课程设计中国石油大学

12026/8/28一、课程设计的目的了解数字系统的组成，学习数字系统的设计方法。熟悉现代数字系统的实现方法：用PLD器件取代传统的中规模集成器件实现数字电路与系统。学习分层次化实现数字电路与系统的方法。学习使用硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage）对数字电路与系统进行建模、仿真、综合与实现的方法。22026/8/28二、数字系统的设计方法简介1、数字系统的组成2、数字系统的设计方法3、现代数字系统的实现方法32026/8/281、数字系统的组成数字系统通常由三部分组成：输入/输出接口、数据处理器和控制器，如图所示。输入输出接口是用来将模拟量转化为数字量，或数字量转化为模拟量的模块。控制器的作用是控制系统内各部分模块的工作，使它们按一定顺序进行操作。处理器的作用是完成信息的存储和加工处理。42026/8/282、数字系统的设计方法分类：自下而上的设计方法自上而下的设计方法自下而上的设计方法数字系统自下而上的设计是一种试探法。设计者根据自己的经验将规模大、功能复杂的数字系统按逻辑功能划分成若干子模块，一直分到这些子模块可以用经典的方法和标准的逻辑功能部件进行设计，最后将整个系统安装、调试达到设计要求。52026/8/28自下而上设计方法的特点：这种设计方法没有明显的规律可循，主要依靠设计者的实践经验和熟练的设计技巧，用逐步试探的方法最后设计出一个完整的数字系统。系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。如果系统设计存在比较大的问题，也有可能要重新设计，使得设计周期加长、资源浪费也较大。62026/8/28自上而下的设计方法自上而下的设计方法是，将整个系统从逻辑上划分成控制器和处理器两大部分。如果控制器和处理器仍比较复杂，可以在控制器和处理器内部多重地进行逻辑划分，然后选用适当的器件以实现各子系统，最后把它们连接起来，得到所要求的数字系统。

自上而下的设计方法一般要遵循下列几个步骤：明确所要设计系统的逻辑功能。确定系统方案与逻辑划分，画出系统方框图。采用某种算法描述系统。设计控制器和处理器，并组合成所需要的数字系统。72026/8/283、现代数字系统的实现方法数字系统的实现方法也经历了由分立元件、小规模、中规模到大规模、超大规模，直至今天的专用集成电路(ASIC)。现在的ASIC芯片规模已经达到几百万个元件。一个复杂的数字系统只要一片或几片ASIC即可实现。FPGA或CPLD属于ASIC电路的一类。具有现场可编程的特性。用户可将所设计的电路通过计算机和开发工具，生成关于阵列连接的信息文件，并将信息文件通过编程器“编程”到芯片上。如果采用在系统编程器件，不需要编程器，直接将芯片装在所设计的系统或电路板上，通过编程电缆直接对其编程或修改。82026/8/284.数字系统的设计举例设计任务：设计一个数字频率计，其技术要求如下：

(1) 测量频率范围：1Hz~100kHz。(2) 准确度

fx/fx2%。(3) 测量信号：方波，峰峰值为3V~5V。92026/8/28（1）明确所要设计的系统的逻辑功能根据被测信号频率范围，有两种测量方法，即测频率和测周期。所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s)内变化的次数。若在一定时间间隔T内测得这个周期信号的重复变化次数为N，则其频率可表示为

f=N/T当被测信号的频率较低时，采用测频方法由量化误差引起的测频误差太大，为此应先测周期Tx，然后计算fx=1/Tx。102026/8/281、测量频率系统框图如图所示,系统由控制器和处理器组成，控制器接收外部标准时钟和系统复位信号。处理器由计数器和锁存器和显示器组成。（2）确定系统方案并画出结构框图。112026/8/28COUNT_CLR信号用于在每次测量开始时，对计数模块复位，以清除上次测量的结果。该复位信号高电平有效，持续半个时钟周期的时间。

COUNT_EN信号为计数允许信号，高电平有效。在信号的上升沿开始，对输入信号的频率进行测量。计数器开始对被测信号的脉冲数进行计数，即为信号的频率。锁存器的功能是使显示的数据稳定，不会由于周期性的清零信号而不断闪烁。（2）确定系统方案并画出结构框图。122026/8/282、测量周期的系统框图如图所示,将待测信号用于生成控制使能信号，对标准时钟信号进行计数显示，最后转换为待测信号的频率。（2）确定系统方案并画出结构框图。132026/8/28（3）设计控制器和受控电路

通过分析,测量频率法的控制系统主要由分频系统、闸门电路及定时器构成。受控电路由计数器、锁存器、译码器及显示电路组成，如图所示。142026/8/28（3）设计控制器和受控电路

152026/8/28（3）设计控制器和受控电路

测量周期法的控制器和受控电路如图所示。162026/8/28三、用PLD实现数字系统的方法简介一般PLD器件的开发需要使用集成软件开发系统。软件开发系统用两种方式建立输入文件。一种是图形设计输入；另一种是硬件描述语言输入，或两种输入的混合方式。计算机对输入文件进行编译、综合、优化、适配等操作，最后生成供编程用的数据文件，就可编程到芯片中。有标准的HDL语言：ABEL、Verilog和VHDL。用HDL设计数字电路与系统，常称为高层次设计。

172026/8/28四、设计任务实现设计的方法

16×16汉字点阵显示比如显示“中国石油大学华东”或者你的姓名，

学号信息，要求循环显示采用原理图设计和硬件描述语言两种方式混合的方法。背景说明应用：公共场合发布信息，LED点阵滚动显示汉字很方便传统的汉字滚动显示器：单片机、存储器和逻辑电路进行PCB板级的系统集成，优点是有单片机软件支持较为灵活，缺点是受硬件资源限制，未来设计变更和升级困难新型汉字滚动显示采用EDA技术，基于FPGA和CPLD可编程器件进行系统芯片集成设计方法，代替了基于PCB板的传统设计方式。182026/8/28设计思路利用VHDL或者VerilogHDL语言设计举例说明：EDA实验箱上16×16点阵，列选信号SEL0，SEL1，SEL2，SEL3，列选信号由SEL[3..0]控制；行选信号为H0-H15，每一行由单独的一个信号来控制。192026/8/28设计思路循环显示的两种分类：

1.简单：一定时间间隔内只显示一个字，且

字是固定位置；

2.复杂：按照一定的时间间隔，字向左或者

向右移动。202026/8/28设计思路控制器主要控制所要显示的字，通过设置16X16的LED状态显示字符；计数器每个字显示时间（字固定在同一位置的时间）的长短；LED用来显示字。212026/8/28设计思路原理图Enable为使能端，CLK为时钟脉冲输入，SEL[3..0]为列选信号输出端，H8[7..0]和H0[7..0]为行选信号输出端222026/8/28设计思路编写程序

VHDL语言或者V