EDA实验报告.pdf
实验一：QUARTUS II 软件使用及 组合电路设计仿真 实验目的：学习 QUARTUS II 软件的使用，掌握软件工程的建立，VHDL源文件的设计和波形仿真等根本内容。实验内容：1.四选一多路选择器的设计 根本功能及原理：选择器常用于信号的切换，四选一选择器常用于信号的切换，四选一选择器可以用于 4 路信号的切换。四选一选择器有四个输入端a,b,c,d，两个信号选择端 s(0)和 s(1)及一个信号输出端 y。当 s 输入不同的选择信号时，就可以使 a,b,c,d 中某一个相应的输入信号与输出 y 端接通。逻辑符号如下：程序设计：软件编译：在编辑器中输入并保存了以上四选一选择器的 VHDL 源程序后就可以对它进行编译了，编译的最终目的是为了生成可以进行仿真、定时分析及下载到可编程器件的相关文件。仿真分析：仿真结果如下列图所示 分析：由仿真图可以得到以下结论：当 s=0(00)时 y=a;当 s=1(01)时 y=b；当 s=2(10)时 y=c；当 s=3(11)时 y=d。符合我们最开始设想的功能设计，这说明源程序正确。2.七段译码器程序设计 根本功能及原理：七段译码器是用来显示数字的，7 段数码是纯组合电路，通常的小规模专用 IC，如 74 或 4000 系列的器件只能作十进制 BCD 码译码，然而数字系统中的数据处理和运算都是 2 进制的，所以输出表达都是16 进制的，为了满足 16 进制数的译码显示，最方便的方法就是利用VHDL 译码程序在 FPGA 或 CPLD 中实现。本项实验很容易实现这一目的。输出信号的 7 位分别接到数码管的 7 个段，本实验中用的数码管为共阳极的，接有低电平的段发亮。数码管的图形如下 七段译码器的逻辑符号：程序设计：软件编译：在编辑器中输入并保存了以上七段译码器的 VHDL 源程序后就可以对它进行编译了，编译的最终目的是为了生成可以进行仿真、定时分析及下载到可编程器件的相关文件。仿真分析：仿真结果如下列图所示:分析:由仿真的结果可以得到以下结论：当 a=0(0000)时 led7=1000000 此时数码管显示 0；当 a=1(0001)时 led7=1111001 此时数码管显示 1；当 a=2(0010)时 led7=0100100 此时数码管显示 2；当 a=3(0011)时 led7=0110000 此时数码管显示 3；当 a=4(0100)时 led7=0011001 此时数码管显示 4；当 a=5(0101)时 led7=0010010 此时数码管显示 5；当 a=6(0110)时 led7=0000010 此时数码管显示 6；当 a=7(0111)时 led7=1111000 此时数码管显示 7；当 a=8(1000)时 led7=0000000 此时数码管显示 8；当 a=9(1001)时 led7=0010000 此时数码管显示 9；当 a=10(1010)时 led7=0001000 此时数码管显示 A；当 a=11(1011)时 led7=0000011 此时数码管显示 B；当 a=12(1100)时 led7=1000110 此时数码管显示 C；当 a=13(1101)时 led7=0100001 此时数码管显示 D；当 a=14(1110)时 led7=0000110 此时数码管显示 E；当 a=15(1111)时 led7=0001110 此时数码管显示 F；这完全符合我们最开始的功能设计，所以可以说明源 VHDL 程序是正确的。实验心得：通过这次实验，我根本掌握了 QUARTUS II 软件的使用，也掌握了软件工程的建立，VHDL 源文件的设计和波形仿真等根本内容。在实验中，我发现 EDA 这门课十分有趣，从一个器件的功能设计到程序设计，再到编译成功，最后得到仿真的结果，这其中的每一步都需要认真分析，一遍又一遍的编译，修改。当然，中间出现过错误，但我依然不放弃，一点一点的修改，验证，最终终于出现了正确的仿真结果，虽然有一些毛刺，但是总的来说，不影响整体的结果。实验二：计数器设计与显示 实验目的：1熟悉利用 QUARTUS II 中的原理图输入法设计组合电路，掌握层次化的设计方法；2学习计数器设计，多层次设计方法和总线数据输入方式的 仿真，并进行电路板下载演示验证。实验内容:1.完成计数器设计 根本功能及原理：本实验要设计一个含有异步清零和计数使能的 4 位二进制加减可控计数器，即有一个清零端和使能端，当清零端为 1 时异步清零，即所有输出值都为 0，当使能端为 0 时，计数器停止工作，当使能端为 1 时，正常工作，由时钟控制。另外，还应该有一个控制端，当控制端为 0 时，进行减法运算，当控制端为 1 时，进行加法运算。输出端有输出值和进位端，当进行加法运算时，输出值递增，当减法运算时，输出值递减，同时进位端进行相应的变化。4 位二进制加减计数器的逻辑符号：程序设计：软件编译：在编辑器中输入并保存了以上 4 位二进制加减计数器的 VHDL 源程序后就可以对它进行编译了，编译的最终目的是为了生成可以进行仿真、定时分析及下载到可编程器件的相关文件。仿真分析：仿真结果如下:分析：由仿真图可以得到以下结论：当 enable 端为 0 时，所有数值都为 0，当 enable 端为 1 时，计数器正常工作；当 reset 端为 1 时，异步清零，所有输出数值为 0，当 reset端为 0 时，正常工作；当 updown 端为 0 时，进行减法运算，当 updown为 1 时，进行加法运算；另外，当程序进行减法运算时，出现借位时，co 为 1，其余为 0，当进行加法运算时，出现进位时，co 为 1，其余为 0。图中所有的功能与我们设计的完全一样，所以说明源程序正确。2.50M 分频器的设计 根本功能及原理：50M 分频器的作用主要是控制后面的数码管显示的快慢。即一个模为 50M 的计数器，由时钟控制，分频器所有的端口根本和上述 4 位二进制加减计数器的端口一样，原理也根本相同。分频器的进位端 co用来控制加减计数器的时钟，将两个器件连接起来。50M 分频器的逻辑符号如下：程序设计：软件编译：在编辑器中输入并保存了以上 50M 分频器的 VHDL 源程序后就可以对它进行编译了，编译的最终目的是为了生成可以进行仿真、定时分析及下载到可编程器件的相关文件。仿真分析：结果如下：上图为仿真图的一局部，由于整个图太大，所以显示一局部即可，其余局部如图以上图规律一直递增，直到 50M 为止，然后再重复，如此循环。上图是局部输出的显示，由于整个图太大，所以只显示局部，其余局部如图递增。分析：由仿真图可以看出，当 reset 为 0，enable 为 1 时因为本实验中计数器的模值太大，为了尽可能多的观察出图形，可让 reset 一直为 0，enable 一直为 1，即一直正常工作，输出值由 0 一直递增到 50M，构成一个加法计数器，与我们设计的功能一致。3.七段译码器程序设计 根本功能及原理：七段译码器是用来显示数字的，7 段数码是纯组合电路，通常的小规模专用 IC，如 74 或 4000 系列的器件只能作十进制 BCD 码译码，然而数字系统中的数据处理和运算都是 2 进制的，所以输出表达都是16 进制的，为了满足 16 进制数的译码显示，最方便的方法就是利用VHDL 译码程序在 FPGA 或 CPLD 中实现。本项实验很容易实现这一目的。输出信号的 7 位分别接到数码管的 7 个段，本实验中用的数码管为共阳极的，接有低电平的段发亮。七段译码器的逻辑符号：程序设计：软件编译：在编辑器中输入并保存了以上七段译码器的 VHDL 源程序后就可以对它进行编译了，编译的最终目的是为了生成可以进行仿真、定时分析及下载到可编程器件的相关文件。仿真分析：仿真结果如下列图所示:分析：具体分析与实验一中七段译码器的分析相同，在此不再赘述。计数器和译码器连接电路的顶层文件原理图：原理图连接好之后就可以进行引脚的锁定，然后将整个程序下载到已经安装好的电路板上，即可进行仿真演示。实验心得：经过本次试验，我学到了很多。首先，我加强了对 QUARTUS II 软件的掌握；其次，我掌握了电路图的顶层文件原理图的连接，学会了如何把自己设计的程序正确的转化为器件，然后正确的连接起来，形成一个整体的功能器件；最后，我学会了如何安装以及如何正确的把完整的程序下载到电路板上，并进行演示验证。实验三：大作业设计 循环彩灯控制器 实验目的：综合应用数字电路的各种设计方法，完成一个较为复杂的电路设计。实验内容：流水灯循环彩灯的设计 设计任务：设计一个循环彩灯控制器，该控制器可控制 10 个发光二极管循环点亮，间隔点亮或者闪烁等花型。要求至少三种以上花型，并用按键控制花型之间的转换，用数码管显示花型的序号。根本原理：该控制器由两局部组成，一局部是一个 50M 的分频器，其主要用来控制花色变化的快慢；另一局部是一个彩灯控制器，该彩灯控制器可由两个开关控制花型的序号，10 个输出分别控制 10 个发光二极管的亮暗，当输出为 1 时，该发光二极管亮，输出为 0 时，该二极管灭。将分频器的 co 端用来控制彩灯控制器的时钟，将两个器件连接起来。1.分频器的设计 50M 分频器与实验二中的分频器一样，这里不再赘述。2.彩灯控制器的设计 根本原理：该彩灯控制器由时钟控制，reset 异步清零，enable 当做使能端，由两个开关 do(0-1)来控制选择不同的花型，10 个输出端 lig(0-9)来控制 10 个 LED 灯的亮灭。因为用了两个开关来控制花型，所以一共有 4 种花色。彩灯控制器的逻辑符号：程序设计：3.七段译码器的设计 七段译码器是用来显示不同花型的序号的，其设计与实验一中的设计一样，这里不再赘述。循环彩灯控制器的原理图：仿真波形如下：第一种花型：第二种花型：第三种花型：第四种花型：仿真分析：将以上仿真波形图和源程序比照，我们可以看到，仿真出来的波形和我们设计的功能一致，这说明源 VHDL 程序是正确的。实验心得：本次试验是在没有老师指导的情况下自己完成的，我在参考了网上的程序的情况下，最终成功的设计并正确的演示出了循环彩灯的不同花型。通过本次试验，我真正的体会到了 DEA 这门课的乐趣，也发现它对我们的学习和生活带来很大的方便。
