数字电路与数字逻辑实验指导书DE2版本.docx
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1、数字电路与数字规律试验指导书- 1 -目 录试验一:Quartus II 软件操作3试验二:数据选择器和译码器功能验证15试验三:数据选择器和译码器应用18试验四:触发器的应用20试验五:计数器的功能验证22试验六:计数器的应用23试验七:存放器的功能验证24附录:错误!未定义书签。- 2 -试验一:Quartus II 软件操作试验目的和要求:1、了解并把握 QuartusII 软件的使用方法。2、了解并把握仿真功能仿真准时序仿真方法及验证设计正确性。3、了解并把握 EDA QuartusII 中的原理图设计方法。试验内容:本试验通过简洁的例子介绍FPGA开发软件QuartusII的使用流程
2、,包括图形输入法的设计步骤和仿真验证的使用以及最终的编程下载。图形编辑输入法也称为原理图输入设计法。用Quartus II的原理图输入设计法进展数字系统设计时,不需要了解任何硬件描述语言学问,只要把握数字规律电路根本学问,就能使用QuartusII供给的EDA平台设计数字电路或系统。QuartusII的原理图输入设计法可以与传统的数字电路设计法接轨,即把传统方法得到的设计电路的原理图,用EDA平台完成设计电路的输入、仿真验证和综合,最终编程下载到可编程规律器件(FPGA/CPLD)或专用集成电路(ASIC)中。试验步骤:在QuartusII中通过原理图的方法,使用与门和异或门实现半加器。第1步
3、:翻开QuartusII软件。第2步:建一个空工程。选择菜单File-New Project Wizard,进入建工程向导。如以下图所示,填入工程的名称“hadder”,默认工程保存路径在Quartus安装下,也可修改为其他地址,视具体状况而定。- 3 -第3步:单击Next按钮,进入向导的下一页进展工程内文件的添加操作,假设没有文件需要添加进工程,则直接点击Next按钮既可。第4步:选择CPLD/FPGA器件,如以下图所示,选择芯片系列为“Cyclone II”, 型号为“EP2C35F672C6”。- 4 -第5步:向导的后面几步不做更改,直接点击 Next即可,最终点击Finish完毕向
4、导。到此即完成了一个工程的建工作。第6步:建一个图形文件。选择File-New命令,选择“Diagram/Schematic File”,点击OK按钮完成。将该图形文件另存为hadder.bdf。图形编辑窗口如以下图 所示,窗口左边是图形编辑工具条。- 5 -第7步:在图形编辑窗口的空白处双击,翻开符号库窗口,如左以下图所示。开放符号库“c:/./libraries/”,可以看到有三个类别,分别是“megafunctions”表示具有宏功能的符号,“others”主要是一些常用的集成电路符号, “primitives”主要是一些根本门电路符号、引脚和接地、电源符号等。窗口中的“name”框可快
5、速检索到需要的符号,例如当输入型号“7408”,符号库马上找到相应集成电路的符号,如右以下图所示。第8步:选择好需要的符号后,单击OK按钮,界面将回到原理图编辑界面, 然后单击左键即在窗口内放置该符号。再用同样的方法,在“ name”框中输入“xor”即可找到异或门的符号;如以下图所示。- 6 -第9步:在图形编辑窗口中分别放置与门“7408”和异或门“xor”,如以下图所示。第10步:再次翻开符号,在“name”栏中输入“input”,符号库自动在库中找到输入“input”符号如左以下图所示,并选中“Repeat-insert mode”点击OK按钮,可反复在编辑窗口中放入输入符号,直单击右
6、键取消放置为止。由于输入信号一共有2个,所以需要放入2个输入符号,并将2个输入符号命名为a和b。用同样的方法放置2个输出“output”符号,并分别命名为s、cout。再选择工具栏中的 按钮,将各符号连接起来,结果如右以下图所示。- 7 -第11步:保存图形文件,进展语法检查和编译。通过快捷按钮 ,对上面的代码进展语法检查和综合,同时在信息Messages窗口中显示检查结果,如程序中有错误,也将指出错误的地方以便修正。假设没有错误,则使用快捷按钮进展编译。编译完毕后会自动翻开一个编译报告Compilation Report窗口,如下图。第12步:仿真。在开发板上实现该电路之前,可以先在Quar
7、tus软件中对电路进展功能仿真,以测试电路规律的正确性。在仿真之前,先要建立一个矢量波形文件,包含输入信号的波形,并指定需要观看的输出信号。执行File-New命令, 选择“Other Fil选es项”页中Vector Waveform File,并单击OK按钮,翻开矢量波形编辑器窗口,如以下图所示。- 8 -第13 步:另存矢量波形文件为hadder.vwf。执行Edit-Insert Node or Bus命令,将需要仿真的输入和输出节点参加到波形中来。其窗口如以下图所示。可以在Name框中直接输入节点的名称,也可点击Node Finder按钮,翻开节点搜寻窗口,如以下图所示。在Filte
8、r下拉框中选择所要查找的节点类型,这里选择“Pins:all”,点击List按钮,在Nodes Found框中列出全部的引脚。- 9 -第14步:选择全部引脚,单击 按钮,将全部引脚添加到Selected Nodes框中,再按OK按钮返回波形编辑器窗口,如以下图所示。选择波形工具栏中的按钮,在波形图上左击或右击分别进展波形的放大和缩小。第15步:编辑a和b的输入波形,再由仿真器输出y的波形。首先选中需要编辑的波形区间,再选择波形工具栏中的 按钮,对选中区间进展置1或0。最终的输入波形如以下图所示,保存矢量波形文件。第16步:功能仿真。选择Processing-Simulator Tool,窗口
9、如以下图所示。选择仿真模式Simulator mode为“Functiona,l”并选择hadder.vwf文件作为仿真输入Simulation input波形文件。点击Generate Functional Simulation Netlist按钮,生成仿真网表。然后- 10 -点击Start按钮,开头仿真。在仿真完成后,点击Report按钮即可观看仿真的结果, 如以下图所示。从波形可以看出,程序的规律功能与半加器相符。第17步:引脚安排。通常,假设用户不对引脚进展安排,Quartus软件会自动随机为设计安排引脚,这一般无法满足需求。在开发板上,FPGA与外部器件的连接是确定的,其连接关系可
10、参看附录。假设选择数码开关SW0和SW1分别代表输入信号a和b、- 11 -LEDR0和LEDR1代表输出信号s和cout,则通过附录查表可知它们分别对应CPLD的引脚PIN_N25、PIN_N26、PIN_AE23和PIN_AF23。选择Assignments-Pins命令,翻开引脚规划器Pin Planner,如以下图所示。接着双击信号a的Location栏,在下拉框中选择PIN_N25,其他信号通过一样的方法进展安排。第18步:在仿真正确,并锁定自定引脚后,通过按钮第19步:时序仿真。对工程再次编译。时序仿真不仅可以仿真其规律功能是否正确,同时可以仿真出信号之间的时间延迟。时序仿真又称后
11、仿真,通常是在编译完成后进展。再次选择Processing-Simulator Tool,并将仿真模式设为“Timing,”然后点击Start按钮。最终点击Report按钮查看仿真结果,结果如以下图。与功能仿真结果图相比较,可以看出时序仿真的输出带有肯定的延迟。- 12 -第20步:程序下载。1) 用USB连接线连接DE2和电脑,选择Tools-Programmer命令,翻开配置窗口,如以下图所示。2) 图中第一列显示“No Hardware,”说明未指定硬件设备,单击Hardware Setup按钮,翻开硬件设置窗口,如以下图所示。双击列表框中的 USB-Blaster,然后点击Close按
12、钮,完成硬件设置。- 13 -3) 从以下图可以看出,硬件已经设置完成,而且待配置的文件也已经在文件 列表中。然后选中Program/Config选项,单击Start按钮,开头编程。编程完毕后, 即可在开发板上验证。试验报告与要求:1. 总结QuartusII软件设计的过程及步骤。2. 画出试验中的两张仿真波形。分析功能仿真和时序仿真的不同。- 14 -试验二:数据选择器和译码器功能验证试验目的和要求:1、使用 EDA 软件验证集成组合电路。2、了解集成组合电路的内部电路构造及其功能。试验内容:1. 优先104编码器74147的功能测试74147instENCODER1) 画出如以下图所示的原
13、理图。n1INPUT1NVCCn2INPUT2NVCCn3INPUT3NVCCn4INPUT4NANOUTPUTaVCCn5INPUT5NBNOUTPUTbVCCn6INPUT6NCNOUTPUTcVCCn7INPUT7NDNOUTPUTdVCCn8INPUT8NVCCn9INPUT9NVCC2) 预备如以下图所示的仿真波形。3) 画出仿真结果,并为74147画一张功能表。2. 译码显示电路功能测试742481) 画出如以下图所示的原理图。- 15 -RBONOAOUTPUToaOBOUTPUTobOCOUTPUTocODOUTPUTodOEOUTPUToeOFOUTPUTofOGOUTPUT
14、og74248a b cdINPUT VCCINPUT VCCINPUT VCCINPUT VCCVCCA B C DRBIN BINLTNinstBCD TO 7SEG2) 按下表进展引脚安排。输入端引脚SW输出端引脚数码管aPIN_N25SW0oaPIN_AF10HEX00bPIN_N26SW1obPIN_AB12HEX01cPIN_P25SW2ocPIN_AC12HEX02dPIN_AE14SW3od oe ofogPIN_AD11 PIN_AE11 PIN_V14PIN_V13HEX03 HEX04 HEX05HEX063) 下载到开发板。观看数码管上显示的字形,并填写下表。DCBA字
15、形DCBA字形00001000000110010010101000111011010011000101110101101110011111113. 数据选择器功能验证74151输出WN输入A2A1A0GNYXXX1000000100100011074151是一个8选1的数据选择器,画一张数据选择器的验证原理图,并进展仿真,完成下面的功能表。- 16 -10001010110011104. 全加器功能验证74183174183有2个独立的1位全加器,先画出一张1位全加器的验证原理图,再进 行仿真,并画出仿真波形图。2试用74183实现2位串行进位的全加器,画出原理图,并验证其功能。思考题:可否将
16、编码器74147和译码器74248结合使用,然后在电路板上验证。注 意凹凸电平有效,电路中间需要一些非门转换。试验报告与要求:1. 完成试验内容中要求的各项任务。2. 分析译码器74248的三个引脚RBIN、BIN、LTN的功能是什么?用仿真分析并证明。3. 依据要求画出所需的原理图、功能表和波形图。- 17 -试验三:数据选择器和译码器应用试验目的和要求:1、了解并把握集成组合电路的使用方法。2、了解并把握仿真功能仿真准时序仿真方法及验证设计正确性。3、使用数据选择器和译码器实现特定电路。试验内容:1. 要求用数据选择器74153和根本门设计用3个开关掌握一个电灯的电路,转变任何一个开关的状
17、态都能掌握电灯由亮变暗或由暗变亮。 提示:用变量A、B、C表示三个开关,0、1表示通、断状态;用变量L表示灯,0、1表示灯灭、亮状态。画出电路的原理图,将电路下载到开发板进展验证。AABBABABOO2. 人的血型有A,B,AB和O这4种,试用数据选择器74153和根本门设计一个规律电路,要求推断供血者和受血者关系是否符合以下图的关系提示:可用两个变量的4种组合表示供血者的血型,用另外两个变量的4种组合表示受血者的血型, 用Y表示推断的结果。画出电路的原理图,通过仿真进展验证。4. 试用集成译码器74LS138和根本门实现1位全加器,画出电路连线图,并通过仿真验证其功能。5. 试用数据选择器
18、74151 实现 1 位全加器电路,画出电路连线图,并通过仿真验证其功能。- 18 -试验报告与要求:1. 完成试验内容中要求的各项任务。2. 分析用数据选择器和译码器设计电路时,方法有什么不同。2.依据要求画出所需的原理图和波形图,并描述观看到的试验现象。- 19 -试验四:触发器的应用试验目的和要求:1、了解并把握各种触发器的功能及其原理。2、了解并把握触发器的使用方法。试验内容:CLKDPRNCLRNQQN结论或说明XX00XX01XX100X110111111. 验证边沿D触发器7474的功能。画一张验证电路的原理图,通过仿真完成下面的功能表。2. 用JK触发器74LS112与反相器7
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