数字电路课程设计指导书.doc

数字电路课程设计指导书一、 教学目标（一）课程性质课程设计。（二）课程目的训练学生综合运用学过的数字电路的基本知识，独立设计比较复杂的数字电路的能力。二、教学内容基本要求及学时分配（一） 课程设计题目题目见附录I，原则上每人一题。（二） 设计内容拿到题目后首先进行电路设计。然后在微机上进行原理图输入、编译和软件仿真，如满足设计要求，再进行下载和硬件实验。如硬件实验结果不满足要求，则修改设计，直到满足要求为止。（三） 设计要求（1） 按题目要求的逻辑功能进行设计，电路各个组成部分须有设计说明；（2） 必须采用原理图输入法；（3） 软件仿真完成后，必须经教师允许方可进行下载；（四） 使用的硬件和软件硬件为可编程逻辑器件EPM7128S；软件为MAX+PLUSII。见附录。三、主要教学环节（一）设计安排1. 课程设计时间为两周，每人一台微机；2. 第1、2天讲授设计需要的硬件和软件、设计的要求、布置设计题目；3. 第38天学生进行设计；4. 第9、10天教师验收，然后学生撰写和打印设计报告。（二）指导与答疑每天都有教师现场答疑，学生有疑难问题可找教师答疑。学时应充分发挥主观能动性，不应过分依赖教师。（三）设计的考评设计全部完成后，须经教师验收。验收时学生要讲述自己设计电路的原理、仿真情况，还要演示硬件实验结果。教师根据学生设计全过程的表现和验收情况给出成绩。四、课程设计报告的内容和要求（一）课程设计报告的内容按附录中给出 的报告模板进行编写，用A4纸打印，左侧装订。（二）课程设计报告编写的基本要求（1）按设计指导书中要求的格式书写，所有的内容一律打印；（2）报告内容包括设计过程、软件仿真的结果及分析、硬件仿真结果及分析；（3）要有整体电路原理图、各模块原理图；(4) 软件仿真包括各个模块的仿真和整体电路的仿真，对仿真必须要有必要的说明；(5) 硬件仿真要给出各个输入信号的具体波形和输出信号的测试结果。附录I EDA课程设计参考题目注：在以下设计中只可以用一个参考时钟一、数码管显示控制器要求：1能自动一次显示出数字 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9（自然数列），1、3、5、7、9(奇数列)， 0、2、4、6、8（偶数列），0、1、2、3、4、5、6、7、0、1(音乐符号序列)；然后再从头循环；2打开电源自动复位，从自然数列开始显示。 二、乒乓球游戏机要求：1用8个发光二极管表示球；用两个按钮分别表示甲乙两个球员的球拍；2一方发球后，球以固定速度向另一方运动（发光二极管依次点亮），当球达到最后一个发光二极管时，对方击球（按下按钮）球将向相反方向运动，在其他时候击球视为犯规，给对方加1分；都犯规，各自加1分；3甲、乙各有一数码管计分；4裁判有一个按钮，是系统初始化，每次得分后， 按下一次。三、智力竞赛抢答器要求：1五人参赛每人一个按钮，主持人一个按钮， 按下就开始；2每人一个发光二极管，抢中者灯亮；3有人抢答时，喇叭响两秒钟；4答题时限为10秒钟，从有人抢答开始，用数码管倒计时间，0、9、81、0；倒计时到0的时候，喇叭发出两秒声响。四、数字钟要求：1输入10HZ的时钟；（提示：对已有kHz频率时钟进行分频）2能显示时、分、秒，24小时制；4时和分有校正功能；5整点报时，喇叭响两秒；6可设定夜间某个时段不报时； 注意：硬件资源的节约，否则器件内资源会枯竭。五、交通灯控制器要求：1东西方向为主干道，南北方向为副干道；2主干道通行40秒后，若副干道无车，仍主干道通行，否则转换；4换向时要有4秒的黄灯期；5南北通行时间为20秒，到时间则转换，若未到时，但是南北方向已经无车，也要转换。6附加：用数码管显示计时。六、双钮电子锁要求：1 有两个按钮A和B，开锁密码可自设，如（3、5、7、9）；2 若按B钮，则门铃响；（滴、嗒）；3 开锁过程：按3下A，按一下B，则3579中的“3”即被输入；接着按5下A，按一下B，则输入“5”；依此类推，直到输入完“9”，按B，则锁被打开用发光管KS表示；4 报警：在输入3、5、6、9过程后，如果输入与密码不同，则报警；用发光管BJ表示，同时发出“嘟、嘟的报警声音；5 用一个开关表示关门（即闭锁）。七、彩灯控制器二要求：1有十只LED，L0L92显示方式先奇数灯依次灭再偶数灯依次灭再由L0到L9依次灭3显示间隔0.5S，1S可调。八、速度表要求：1显示汽车Km/h数；2车轮每转一圈，有一传感脉冲；每个脉冲代表1m的距离；3采样周期设为10S；4要求显示到小数点后边两位；5用数码管显示；6，最高时速小于300Km/h。九、彩灯控制器一要求：1有八只LED，L0L72显示顺序如下表3显示间隔为0.25S，0.5S，1S，2S可调。序号L0L1L2L3L4L5L6L701111111010111111121011111131101111141110111151111011161111101171111110181111111091111111110011111111100111111120001111113000011111400000111150000001116000000011700000000181000000019110000002011100000211111000022111110002311111100241111111025100000002601000000270010000028000100002900001000300000010031000000103200000001十、出租车计价器要求：15 Km起计价，起始价5元，每公里1.2元；2传感器输出脉冲为0.5m/个；3每0.5km改变一次显示，且提前显示（只显示钱数）。十一、八音电子琴要求：1能发出1、2、3、4、5、6、7、1八个音；2用按键作为键盘；3C调到B调对应频率为。调频率（HZ）261.63*2B493.88A440.00G392.00F349.23E329.63D293.66C261.63十二、自动奏乐器一要求：1开机能自动奏一个乐曲，可以反复演奏；2速度可变。1 1 5 5 6 6 5 4 4 3 3 2 2 1 5 5 4 4 3 3 2 5 5 4 4 3 3 2 3附加：显示乐谱。十三、自动奏乐器二要求：1开机能自动奏一个乐曲，可以反复演奏；2速度可变。1 3 1 3 5 6 5 6 6 6 5 6 6 6 5 5 3 1 2 2 3 2 1 3附加：显示乐谱。十四、自动打铃器要求：1有数字钟功能；（不包括校时等功能）2可设置六个时间，定时打铃；3响铃5秒钟。十五、 数字频率计要求：1输入为矩形脉冲，频率范围099MHz；2用五位数码管显示；只显示最后的结果，不要将计数过程显示出来；3单位为Hz和KHz两档，自动切换。 十六、算术运算单元ALU的设计要求：1进行两个四位二进制数的运算。2算术运算：A+B,A-B,A+1,A-13逻辑运算：A and B,A or B,A not, A xor B注意：从整体考虑设计方案，优化资源的利用十七、游戏机，有三位数码管显示07之间的数码，按下按钮，三个数码管循环显示，抬起按钮，显示停止，当显示内容相同时，为赢要求：1三个数码管循环显示的速度不同2停止时的延迟时间也要不同3如果赢了游戏时，要有数码管或LED的花样显示或声音提示。十八、路数显报警器要求：1设计16路数显报警器，16路中某一路断开时（可用高低电平表示断开和接通），用十进制数显示该路编号，并发出声音信号；2报警时间持续10秒钟；3当多路报警时，要有优先级，并将低优先级的报警存储，处理完高优先级报警后，再处理之（附加）。十九、脉冲按键电话按键显示器要求：1设计一个具有八位显示的电话按键显示器；2能准确反映按键数字；3显示器显示从低位向高位前移，逐位显示，最低位为当前输入位；4重按键时，能首先清除显示；5摘下话机后才能拨号有效，挂机后熄灭显示。二十、病房呼叫系统要求：1用15个开关模拟5个病房的呼叫输入信号，1号优先级最高；15优先级依次降低；2用一个数码管显示呼叫信号的号码；没信号呼叫时显示0；又多个信号呼叫时，显示优先级最高的呼叫号（其它呼叫号用指示灯显示）；3凡有呼叫发出5秒的呼叫声；4对低优先级的呼叫进行存储，处理完高优先级的呼叫，再进行低优先级呼叫的处理（附加）。二十一、自动电子钟要求：1用24小时制进行时间显示；2能够显示小时、分钟；3每秒钟要有秒闪烁指示；4上电后从“00：00”开始显示。二十二、具有数字显示的洗衣机时控电路要求：1洗衣机工作时间可在115分钟内任意设定（整分钟数）；2规定电动机运行规律为正转20s、停10s、反转20s、停10s、再正转20s，以后反复运行；3要求能显示洗衣机剩余工作时间，每当电机运行一分钟，显示计数器自动减1，直到显示器为“0”时，电机停止运转；4电机正转和反转要有指示灯指示。二十三、篮球比赛数字计分牌要求：1分别记录两队得分情况；2进球得分加2分，罚球进球得分加1分；3纠正错判得分减2分或1分；4分别用三个数码管显示器记录两队的得分情况。二十四、电子日历要求：1能显示年、月、日，星期；2例如：“01.11.08 6”，星期日显示“8”；3年月日，星期可调；4不考虑闰年。二十五、用电器电源自动控制电路要求：1控制电路能使用电器的电源自动开启30s，然后自动关闭30s，如此周而复始的工作，要有工作状态指示；2当电源接通时，可随时采用手动方式切断电源；当电源切断时，可随时采用手动方式接通电源；3若手动接通，可由定时信号断开，然后进入自动运行状态，反之亦然4定时范围0分60分，要有分秒的倒计时显示。二十六、设计模拟中央人民广播电台报时电路要求：1当计时器运行到59分49秒开始报时，每鸣叫1s就停叫1s，共鸣叫6响；前5响为低音，频率为750Hz；最后1响为高音，频率为1KHz；2至少要有分秒显示。二十七、数字跑表要求：1具有暂停/启动功能；2具有重新开始功能；3用6个数码管分别显示百分秒、秒和分钟。二十八、数字电压表要求：105V输入；2用3个数码管显示；有小数点的显示；显示小数后两位数，如0.01；只显示最后结果，不要显示中间结果。提示：实验箱提供了8bits的DAC AD558和比较器LM358N。附录II EDA设计报告书模板赣南师院EDA课程设计报告书（试行版）姓名： 班级： 学号： 时间： 设计题目设计要求设计过程(包括：设计方案、上机设计与仿真结果、硬件实验方案及实验结果、收获和体会)成绩评定(包括：指导教师评语和课程设计等级)注：可加附页附录III EDA技术简介和软件使用说明书第一章 EDA技术综述随着电子系统设计复杂程度的不断增加，仅靠手工进行电子系统的设计己经无法满足要求，迫切需要更高级、更快速和更有效的电子设计自动化EDA(Electronic Design Automation)工具，所谓电子设计自动化就是指设计者可以利用计算机以及相关应用软件完成设计工作。EDA工具是以计算机的硬件和软件为基本工作平台，集数据库、图形学、图论与拓扑逻辑、计算数学、优化理论等多学科最新成果研制的计算机辅助设计通用软件包。EDA技术是电子设计的发展趋势，利用EDA工具可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作，EDA工具从数字系统设计的单一领域，发展到今天，应用范围己涉及模拟、微波等多个领域，可以实现各个领域电子系统设计的测试、设计仿真和布局布线等。设计者只要完成对电子系统的功能描述，就可以利用计算机和EDA工具，进行设计处理，最终得到设计结果。一、 EDA发展回顾 EDA技术伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计CAD(Computer Assist Design)、计算机辅助工程设计CAE(Computer Assist Engineering Design)和电子系统设计自动化ESDA(Electronic System Design Automation)三个发展阶段。1.70年代的计算机辅助设计CAD阶段早期的电子系统硬件设计采用的是分立元件，随着集成电路的出现和应用，硬件设计进入到发展的初级阶段。初级阶段的硬件设计大量选用中小规模标准集成电路，人们将这些器件焊接在电路板上，做成板级电子系统，对电子系统的调试是在组装好的PCB(Printed Circuit Board)板上进行的。与分立元件为基础的早期设计阶段不同，初级阶段硬件设计的器件选择是各种逻辑门、触发器、寄存器和编码译码器等集成电路，设计师只要熟悉各种集成电路制造厂家提供的标准电路产品的说明书，并掌握PCB布图工具和一些辅助性的设计分析工具，就可以从事设计活动。由于设计师对图形符号使用数量能力有限，传统的手工布图方法又无法满足产品复杂性的要求，更不能满足工作效率的要求。这时，人们开始将产品设计过程中高重复性的繁杂劳动，如布图布线工作用二维图形编辑与分析的CAD工具替代，最具代表性的产品就是美国ACCEL公司开发的Tango布线软件。EDA技术发展初期，PCB布图布线工具受到计算机工作平台的制约(PC机问世才不久，从71年的微处理器4004到79年的16位微处理器68000)，能支持的设计工作有限且性能比较差。 2. 80年代的计算机辅助工程设计CAE阶段 初级阶段的硬件设计是用大量不同型号的标准芯片实现电子系统设计。随着微电子工艺的发展，相继出现了集成上万只晶体管的微处理器、集成几十万直到上百万存储单元的随机存储器和只读存储器。此外，支持定制单元电路设计的硅编辑、掩膜编程的门阵列，如标准单元的半定制设计方法以及可编程逻辑器件（PAL和GAL)等一系列微结构和微电子学的研究成果都为电子系统的设计提供了新天地。因此，可以用少数几种通用的标准芯片实现电子系统设计。伴随计算机和集成电路的发展，EDA技术进入到计算机辅助工程设计阶段。80年代初，推出的EDA工具则以逻辑模拟、定时分析、故障仿真、自动布局和布线为核心，重点解决电路设计没有完成之前的功能检验等问题。利用这些工具，设计师能在产品制作之前预知产品的功能与性能、能生成产品制造文件，在设计阶段对产品性能的分析前进了一大步。3. 90年代电子系统设计自动化ESDA阶段为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片，让他们把想设计的电路直接设计在自己的专用芯片上。微电子技术的发展，特别是可编程逻辑器件的发展，微电子厂家可以为用户提供各种规模的可编程逻辑器件，使设计者通过设计芯片实现电子系统功能。EDA的工具发展，又为设计师提供了全线电子系统设计自动化ESDA工具。这个阶段发展起来的ESDA工具，目的是在设计前期将设计师从事的许多高层次设计由工具来做，如可以将用户要求转换为设计技术规范；有效地处埋可用的设计资源与理想的设计目标之间的矛盾；按具体的硬件、软件和算法分解设计等。由于微电子技术和ESDA工具的发展，设计师可以在不太长的时间内使用EDA工具，通过一些简单标准化的设计过程，利用微电子厂家提供的设计库完成数万门ASIC和集成系统的设计与验证。90年代，设计师逐步从使用硬件转向设计硬件，从电路级电子产品开发转向系统级电子产品开发(即芯片上的系统一System on a chip)。因此ESDA工具是以系统级设计为核心，包括系统行为级描述与结构级综合，系统仿真与测试验证，系统划分与指标分配，系统决策与文件生成等一整套的电子系统设计自动化工具。ESDA工具不仅具有电子系统设计的能力，而且能提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高级抽象的设计构思手段。例如，提供方框图、状态图和流程图的编辑能力，具有适合层次描述和混合信号描述的硬件描述语言(如VHDL、AHDL或Verilog-HDL)，同时含有各种工艺的标准元件库。只有具备上述功能的EDA工具，才有可能使电子系统工程师在不熟悉各种半导体厂家和各种半导体工艺的情况下，完成电子系统的设计。二、 EDA系统构成EDA技术研究的对象是电子设计的全过程，有系统级、电路级和物理级各个层次的设计：涉及的电子系统从低频、高频到微波，从线性到非线性，从模拟到数字，从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究的范畴相当广泛。如果从专用集成电路ASIC开发与应用角度看，EDA系统应当包含以下子模块:设计输入子模块、设计数据库子模块、分析验证子模块、综合仿真子模块、布局布线子模块等。l设计输入子模块该模块接受用户的设计描述，并进行语义正确性、语法规则的检查，检查通过后，将用户的设计描述数据转换为EDA软件系统的内部数据格式，存入设计数据库备其它子模块调用。设计输入子模块不仅能接受图形描述输入、硬件描述语言(HDL)描述输入，还能接受图文混合描述输入。该子模块一般包含针对不同描述方式的编辑器，如图形编辑器、文本编辑器等，同时包含对应的分析器。2设计数据库子模块该模块存放系统提供的库单元以及用户的设计描述和中间设计结果。3分析验证子模块该模块包括各个层次的模拟验证、设计规则的检查、故障诊断等。4综合仿真子模块该模块包括各个层次的综合工具，理想的情况是:从高层次到低层次的综合仿真全部由EDA工具自动实现。5布局布线子模块该模块实现由逻辑设计到物理实现的映射，因此与物理实现的方式密切相关。例如，最终的物理实现可以是门阵列、可编程逻辑器件等。由于对应的器件不同，因此各自的布局布线工具会有很大的差异。三、 EDA工具发展趋势1设计输入工具的发展趋势早期EDA工具设计输入普遍采用原理图输入方式，由元件符号和连线组成。这种以文字和图形作为设计载体的文件，可以将设计信息加载到后续的EDA工具，完成设计分析工作。原理图输入方式的优点是直观，能满足以设计分析为主的一般要求，但是原理图输入方式不适于用EDA综合工具。80年代末，电子设计开始采用新的综合工具，设计描述开始由原理图设计描述转向以各种硬件描述语言为主的编程方式。用硬件描述语言描述设计，更接近系统行为描述，且便于综合，更适于传递和修改设计信息，还可以建立独立于工艺的设计文件，不便之处是不太直观，要求设计师学会编程。很多电子设计师都具有原理图设计的丰富经验，不具有编程经验，所以仍然希望继续在比较熟悉的符号与图形环境中完成设计，而不是利用编程完成设计。为此，EDA公司在90年代相继推出一批图形化免编程的设计输入工具，它们允许设计师用他们最方便并熟悉的设计方式，如框图、状态图、真值表和逻辑方程建立设计文件，然后由EDA工具自动生成综合所需的硬件描述语言文件。例如，ALTA Group的设计工具，以框图编辑器作为设计输入工具，然后可以生成“C”和“VHDL”源代码。“C”代码可送数字信号处理器DSP相关的开发系统，“VHDL”代码则送EDA综合工具。2具有混合信号处理能力的EDA工具目前，数字电路设计的EDA工具远比模拟电路的EDA工具多，模拟集成电路EDA工具开发的难度较大，但是，由于物理量本身多以模拟形式存在，所以实现高性能的复杂电子系统的设计离不开模拟信号。因此，90年代以来EDA工具厂商都比较重视数/模混合信号设计工具的开发。对数字信号的语言描述IEEE己经制定了VHDL标准，对模拟信号的语言描述正在制定AHDL标准，此外还提出了对微波信号的MHDL描述语言。3发展更为有效的仿真工具通常，可以将电子系统设计的仿真过程分成两个阶段：即设计前期的系统级仿真和设计过程中的电路级仿真。系统级仿真主要验证系统的功能；电路级仿真主要验证系统的性能，决定怎样实现设计所需的精度。在整个电子设计过程中仿真是花费时间最多的工作，也是占用EDA工具资源最多的一个环节。通常设计活动的大部分时间在做仿真，验证设计的有效性、测试设计的精度、处理和保证设计要求等。仿真过程中仿真收敛的快慢同样是关键因素之一。提高仿真的有效性一方面是建立合理的仿真算法，另一方面是系统级仿真中系统级模型的建模，电路级仿真中电路级模型的建模。预计在下一代EDA工具中，仿真工具将有一个较大的发展。4开发更为理想的设计综合工具今天，电子系统和电路的集成规模越来越大，几乎不可能直接面向版图做设计，若要找出版图中的错误，更是难上加难。将设计者的精力从繁琐的版图设计和分析中转移到设计前期的算法开发和功能验证上，这是设计综合工具要达到的目的。高层次设计综合工具可以将低层次的硬件设计一直转换到物理级的设计，实现不同层次和不同形式的设计描述转换，通过各种综合算法实现设计目标所规定的优化设计。当然，设计者的经验在设计综合中仍将起到重要的作用，自动综合工具将有效地提高优化设计的效率。设计综合工具由最初的只能实现逻辑综合，逐步发展到可以实现设计前端的综合直至设计后端的版图综合以及测试综合的理想且完整的综合工具。设计前端的综合工具也称高层次综合工具，可以实现从算法级的行为描述到寄存器传输级结构描述的转换，给出满足约束条件的硬件结构。在确定寄存器传输结构描述后，由逻辑综合工具完成硬件的门级结构描述。逻辑综合的结果将作为版图综合的输入数据，进行版图综合。版图综合则是将门级和电路级的结构描述转换成物理版图的描述，版图综合时将通过自动交互的设计环境，实现按面积、速度和功率完成布局布线的优化，实现最佳的版图设计。人们希望将设计测试工作尽可能地提前到设计前期，以便缩短设计周期，减少测试费用，因此测试综合贯穿在设计过程的始终。测试综合可以消除设计中的冗余逻辑、诊断不可测的逻辑结构、自动插入可测性结构、生成测试向量，当整个电路设计完成时，测试设计也随之完成。面对当今飞速发展的电子产品市场，电子设计人员需要更加实用、快捷的EDA工具，使用统一的集成化设计环境，改变优先考虑具体物理实现方式的传统设计思路，而将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优化设计等方面，以最快的速度开发出性能优良、质量一流的电子产品。今后的EDA工具将向着功能强大、简单易学、使用方便的方向发展。15