数字电压表设计 课程设计.docx

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1、数字电压表设计 课程设计 东北石油大学课程设计 东北石油大学课程设计任务书 课程硬件课程设计 题目数字电压表设计 专业计算机科学与技术学院 姓名 学号 主要内容、基本要求等 一、主要内容： 利用EL教学实验箱、微机和Quartus软件系统，使用VHDL语言和层次设计方法，完成硬件设计和功能仿真。最后在EL教学实验箱中予以实现。 二、基本要求： 本实验中所要求设计的数字电压表为4位，由三大部分组成，每一部分又包含了若干子电路，将各电路组合起来，就构成了一个整体。 1、A/D转换接口电路的设计，负责对ADC0809的控制。 2、编码转换电路设计，负责把从ADC0809数据总线中读出的电压转换成BC

2、D码。 3、输出七段显示电路的设计，负责将BCD码用7段数码管显示出来。 三、参考文献 1 潘松.EDA技术实用教程M.北京：科学出版社, 2022.11-13. 2 包明.EDA技术与数字系统设计.北京航天航空大学出版社. 2022. 3 EDA先锋工作室.Altera FPGA/CPLD设计M.北京：人民邮电出版社2022.32-33. 4 潘松.SOPC技术实用教程M .清华大学出版社.2022.1-15. 完成期限：2周 指导教师： 专业负责人：2022年6月10日 东北石油大学课程设计成绩评价表 指导 摘要 本文介绍了利用EDA-V硬件系统和微机上的Quartus7.2-II等软件系

3、统。VHDL 的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版）之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL 接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。 本文设计主要利用VHDL

4、语言在EDA平台上设计一个电子数字钟，它的计时周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，另外还具有校时功能和闹钟功能。总的程序由几个各具不同功能的单元模块程序拼接而成，其中包括分频程序模块、时分秒计数和设置程序模块、比较器程序模块、三输入数据选择器程序模块、译码显示程序模块和拼接程序模块。并且使用Quartus7.2-II软件进行电路波形仿真，下载到EDA实验箱进行验证。 关键词：EDA（电子设计自动化）；VHDL（硬件描述语言），电压表。 目录 第1章概述 . 错误！未定义书签。 1.1EDA的概念. 错误！未定义书签。 1.2EDA集成化开发环境. 错误！未定义书签。第2章数字电压表

5、的设计. 错误！未定义书签。 2.1芯片ADC0809的控制时序. 错误！未定义书签。 2.2实验原理. 错误！未定义书签。 2.3.状态机的设计. 错误！未定义书签。 2.4数据转化BCD码. 错误！未定义书签。第3章数字电压表的测试与运行及下载. 错误！未定义书签。 3.1数字电压表的编译. 错误！未定义书签。 3.3实验连线. 错误！未定义书签。 3.4实验结果. 错误！未定义书签。结论 . 错误！未定义书签。参考文献 . 错误！未定义书签。 第1章概述 1.1 EDA的概念 EDA在通信行业（电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业

6、的特征，进行了框架和层级的划分。EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，

7、从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。现在对EDA的概念或范畴用得很宽1。包括在机械、

8、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。 1.1.1 EDA技术及应用 电子设计的必由之路是数字化，这已成为共识。在数字化的道路上，我国的电子技术经历了一系列重大的变革。从应用小规模集成电路构成电路系统，到广泛地应用微控制器或单片机(MCU)，在电子系统设计上发生了具有里程碑意义的飞跃。电子产品正在以前所未有的速度进行着革新，主要表现在大规模可编程逻辑器件的广泛应用。特别在当前，半导体工艺水平已经达到深亚微米

9、，芯片的集成高达到干兆位，时钟频率也在向干兆赫兹以上发展，数据传输位数达到每秒几十亿次，未来集成电路技术的发展趋势将是SOC片上系统。从而实现可编程片上系统芯片CPU(复杂可编程逻辑器件)和5PGA(现场可编程门阵列)必将成为今后电子系统设计的一个发展方向。所以电子设计技术发展到今天，又将面临另一次更大意义的突破，5PGA在EDA(电子设计自动化)基础上的广泛应用。 从高性能的微处理器、数字信号处理器一直到彩电、音响和电子玩具电路等，EDA 技术不单是应用于前期的计算机模拟仿真、产品调试，而且也在后期的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、器件的制作过程等有重要作用。 EDA技术的概念:

10、EDA是电子设计自动化的由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA 技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。EDA技术是伴随着计算机、

11、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。大致可以分为三个发展阶段。 可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电路板设计阶段，可以使用EDA中电路板设计工具设计多层电路板3。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。有专家认为，21世纪将是四A技术的高速发展期，EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。 EDA技术的基本特征:EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，利用EDA

12、工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB 版图的整个过程在汁算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的”自顶向下”的全新设计方法，这种设汁方法首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行驶证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路(ASIC)。由于现代电子产品的复杂度和集成度的日益提高，一般分离的中小规模集成电路组合已不能满足要

13、求，电路设计逐步地从中小规模芯片转为大规模、超大规模芯片，具有高速度、高集成度、低功耗的可编程朋IC器件。 1.1.2 EDA技术发展趋势 面对当今飞速发展的电子产品市场，设计师需要更加实用、快捷的EDA工具，使用统一的集成化设计环境，改变传统设计思路，将精力集中到设计构思、方案比较和寻找优化设计等方面，需要以最快的速度，开发出性能优良、质量一流的电子产品，对EDA技术提出了更高的要求。未来的EDA技术将在仿真、时序分析、集成电路自动测试、高速印刷电路板设计及开发操作平台的扩展等方面取得新的突破，向着功能强大、简单易学、使用方便的方向发展4。 1.2 EDA集成化开发环境 Quartus II

14、是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）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 I I可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点.包含了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工具的良

15、好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具5。此外，Quartus II通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体，是一种综合性的开发平台。 第2章数字电压表的设计 2.1芯片ADC0809的控制时序 2.2实验原理 实验原理图2-1ADC0809 图2-1ADC0809接口电路原理图 当CS 和WR同时为高电平时，ADC0809开始转换，当转换完成后，在INT脚输出高电平，等待读数据；当CS和RD同时为高电平

16、时，通过数据总线D7.0从ADC0809是读出数据。 2.3.状态机的设计 状态机就是控制ADC0809转换过程的控制器。根据ADC0809的工作时序，就可以设计出状态机。该组状态机由以下几个部分组成，其VHDL语言描述如下。 P1: process(present_state,next_state,INT) begin case present_state is when idle = CS CS CS CS CS CS CS CS=1; WR=1; RD=1; DATOUT=dout4; next_state=write; end case; end process P1; 进程1是组合进

17、程，当CS=1; WR=0; RD=0时，ADC0809被设为空位，由控制器发出信号要求ADC0809开始进行模/数信号的转换。当CS=1; WR=1; RD=0时，往ADC0809里写数据ADC0809进行转换动作，转换完毕后INT将低电位。当CS=0; WR=0; RD=0时，如果此时INT=1，说明转换结束，由控制器发出信号以读取ADC0809的转换资料，如果此时INT=0，说明转换没结束，继续转换。当CS=1; WR=0; RD=1时，由控制器读取数据总线上的数字转换资料。当接下来的几个状态（disp1,disp2,disp3,disp4）是控制制输出的。 end process P2;进程2是时序进程，当RESET=0时， datain=00000000（数据信号转化为模拟信号）当时钟上升沿一来时，如果此时present_state=read，说明转换结束，datain=D（数据信号转化为模拟信号）。 图2-2采样状态机结构框图