EDA专业技术基础

1、实验一 EDA工具基本操作与应用说明:本书将以实验一为例详细介绍altera公司max+plusll及QUARTUSII软件的基本应用， 其它实验将不再赘述。读者在通过本实验后将对max+plusll软件及CPLD/FPGA的设讣与应 用有一个比较完整的概念和思路。此书因篇幅有限，仅仅介绍了 max+pkisll及QUARTUSII 软件的最基本、最常用的一些基本功能，相信读者在熟练使用本软件以后，你泄会发现该软 件还有好多非常方便、快捷、灵活的设计技巧与开发功能。一、实验目的1通过一个简单的D触发器的设计，让学生掌握QUARTUSII设计工具进行电子设 计的基本流程。2、初步了解可编程器件设

2、计的全过程。二、主要仪器设备EDA实验系统一台，EDA/SOPC实验系统一台三、实验步骤QUARTUSII软件的基本操作与应用1、运行QUARTUSII软件。2、选择 File/New Project Wizard,新建一个工程，并点击 Next。图：1-183、指定工作目录及工程顶层设计实体剑称，如图1-18所示，并点击2次Next。4、选择FPGA器件，如图119所示，并点击Finish,工程文件建立结束。eT Project Tizard: Family & Device Settings page 3 of 5S elect the Family and device you want

3、 to large I for compilation.CucloneFamily:Target deviceC Auto device selected by the Fitter from the Available devices* listQ Specific device selected in Available devices* listAvailable devices:-Companion deviceHardCopy II:I_ BackNextFiiii sh取消图:1-195、点击File/New,新建一个VHDL文件，如图1-20所示。F Limit DSP & RA

4、M to HardCopy II device resourcesIU： 1-206、点击Ok,并保存，无需任何修改，点击Ok即可。7、按昭自己的想法在新建的VHDL文件中编写VHDL程序，如D触发器程序代码，如 图1-21所示。图:1-218、代码书写结朿后，选择Processing/Start Compilation对编写的程序代码进行编译，直 至编译通过，否则对程序代码进行修改。9、编译通过后，选择File/New,在弹出的对话框中点击Other Files,选择Vector Waveform File,并点击OK,建立一个波形文件，如图122所示，保存波形文件。图：-2210、在波形文

5、件加入输入输出端口，如图123所示。图:1-2311、对加入到波形文件中的输入端口进行初始值设置，并点击Processing/Start Simuliation 进行仿真。査看仿真结果是否符合要求。12、仿真无误后，选择Assignments/Assing Pins对实验中用到的管脚进行绑左分配，如 图124所示。图 1-2413、对于复用的引脚，需做进一步处理，使其成为通用I/O。14、最后再编译一次，编译无误后，用下载电缆通过JTAG接口将对应的dff2.sof文件下 载到FPGA中。15、在实验系统中正确连线，观察实验结果是否与仿真结果相吻合。四、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包

6、括两种EDA工具的设讣流程，仿真结果及分析等内容。实验二计数器设计一、实验目的1、加深对计数器的认识2、了解用VHDL语言实现计数器的过程3、掌握EDA开发的基本流程二、主要仪器设备EDA实验系统1台PC机三、实验内容1、运用VHDL设计1个4位二进制计数器，计数范用从0000计到llllo2、在1的基础上增加时钟使能作用及异步淸零功能3、在2的基础上实现计数器的计数范围控制,如从0000计到1001 o四、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设汁，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验三8421 BCD码计数器设计及显示一、实验目的1、掌握8421BCD码计数器的设计方法

7、2、会用VHDL语言完成数码显示工作二、主要仪器设备EDA实验系统1台PC机三. 实验内容1、运用VHDL设计1个模为23的8421 BCD码加法计数器。2、将讣数结果在数码管上显示四. 实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设计，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验四移位寄存器设计一、实验目的1、掌握移位寄存器的设计方法2、掌握VDDL的简单控制实现二、主要仪器设备EDA实验系统1台PC机三、实验内容运用VHDL设计1个带并行置数功能可以循环左移和右移的8位移位寄存器。四、实验报告根据以上实验内容写岀实验报告，包括程序设计，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验

8、五四人抢答器设计一、实验目的1、熟悉四人抢答器的工作原理2、加深对VHDL语言的理解二、主要仪器设备EDA实验系统一台三、实验原理抢答器在各类竞赛性质的场合得到了广泛地应用，它的岀现，消除了原来由于人眼的误 差而未能正确判断最先抢答的人的情况。抢答器的原理比较简单，首先必须设置一个抢答允许标志位，目的就是为了允许或者禁 上抢答者按按钮:如果抢答允许位有效，那么第一个抢答者按下的按钮就将允许标志位淸除, 同时记录按钮的序号，也就是对应的按按钮的人，这样做的目的是为了禁止后面再而有人按 下按钮的情况岀现。总的说来，抢答器的目的就是在抢答允许位有效后，第一个按下按钮的 人将英淸除以禁I匕再有按钮按下

9、，同时记录淸除抢答允许位的按钮的序号并显示岀来，这就 是抢答器的基本原理。四、实验内容本实验的任务就是用VHDL语言设汁一个四人抢答器，用按键如S1做抢答允许位按钮, 用S2-S5来表示1号到4号抢答者，同时LED模块分别表示抢答者对应的位子。具体要 求是按下一次S1,允许一次抢答，这时S2-S5中第一个按下的按键将抢答允许位淸除，同 时将对应的LED点亮，用来表示对应的按键抢答成功。五、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设讣，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验六有限状态机的设计一、实验目的1、掌握有限状态机设计方法2、掌握多进程描述方法二、主要仪器设备EDA实验系统

10、1台PC机三、实验内容运用VHDL设计1个含至少4个状态的有限状态机，可以是MEALY或MOORE型的 状态机，状态图自行设计。四、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设计，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验七DDS信号源的设计一、实验目的1、熟悉DDS的基本工作原理2、了解DDST作原理，设计岀一个频率可变的DDS信号源。3、掌握波形信号产生、调制变换、D/A的方法。二、主要仪器设备EDA/SOPC实验系统1台，示波器1台 三、实验原理DDS即Direct Digital Synthesizer直接数字合成器，是一种新型的频率合成技术。 具有较髙的频率分辨率，可以实现

11、快速的频率切换，并且在频率改变时能够保持相位的连续, 很容易实现频率、相位及幅度的数控调制。因此，在现代电子系统及设备的频率源设计中, 尤其在通信领域，直接数字频率合成器的应用越来越广泛。以下介绍DDS的基本原理。对于一个正弦信号发生器，它的输出可以用下式来描述：S(Hlt = Asin cot = Asin(2,M/)公式(8-1)英中S刨是指该信号发生器的输出信号波形，氏”指输出信号对应的频率。上式表明信 号对于时间是连续的，为了用数字逻辑实现该表达式，必须进行离散化处理，用基准时钟 elk进行抽样，令正弦信号的相位：& = 2或/公式(8-2)在一个elk周期匚攸，相位&的变化量为： 0

12、 = 2或“几=字公式(8-3)英中几是指elk的频率对于2/r可以理解成“满”相位，为了对&进行数字量化, 把2龙切割成2“份，由此每个elk周期的相位增量&用量化值3,来表达：a nB、严J,且3乂为整数，与式8-3联立，可得：B” = 2如fclk公式(8-4)显然，信号发生器的输出可描述为：Sou,=Asin(.1+A) = Asin 茅(暮 + 兀)=仏区(+%) 公式(8-5)其中4指前一个elk周期的相位值，得出：Be a亘2卅公式(8-6 )由上而的推导可知，只要对相位的量化值进行简单的累加运算，就可得到正弦信号的当 前相位值，而用于累加的相位增量量化值决左了信号的输岀频率/，

13、并呈线性关系。 直接数字频率合成器就是根据上述基本原理而设计的数字控制频率合成器。如图8-1所示为基本DDS结构，由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表、D/A构 成。相位累加器是整个DDS的核心，完成相位累加运算。相位累加器的输入是相位增量又由于Bp与输出频率fola呈线性关系:斫2.卜J elk,因此相位累加器的输入又可称为频率字输入。相位调制器接收相位累加器的相位输出，加上一个相位偏移星:，用于信号的相位调制， 不用时可以去掉，或者加一固定值。正弦ROM查找表完成/sin(Bj的査表转换，也就是相位到幅度的转换，它的输入是相位 调制器的输出，事实上就是ROM的地址。图8-1 DDS原

14、理框图四、实验内容1、本实验要完成任务就是设计一个DDS信号源，用VHDL设计出同步寄存器、相位 累加器、相位调制器等，正弦ROM查找表建议采用定制器件的方法完成，正弦ROW1数据 文件可以用C代码完成。2、改变ROM存放数据格式，使之为方波或三角波，设计出可以输出包括正弦、三角 及方波的DDS信号源。五、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括仿真结果及分析、硬件实现、硬件测试等内容。实验八交通灯控制器设计一、实验目的1、了解交通灯的燃灭规律。2、了解交通灯控制器的工作原理。3、熟悉VHDL语言编程，了解实际设计中的优化方案。二、主要仪器设备EDA/SOPC实验系统1台三、实验原理交通灯的

15、显示有很多方式，如十字路口、丁字路口等，而对于同一个路口又有很多不同 的显示要求，比如十字路口，车子如果只要东西和南北方向通行就很简单，而如果车子可以 左右转弯的通行就比较复杂，本实验仅针对最简单的南北和东西直行的情况。要完成本实验，首先必须了解交通路灯的燃火规律。本实验需要用到实验箱上交通灯模 块中的发光二极笛，即红、黄、绿各三个。依人们的交通常规，“红灯停，绿灯行，黄灯提 醒”。英交通灯的燃火规律为：初始态是两个路口的红灯全亮，之后，东四路口的绿灯亮， 南北路口的红灯亮，东西方向通车，延时一段时间后，东西路口绿灯火，黄灯开始闪烁。闪 烁若干次后，东西路口红灯亮，而同时南北路口的绿灯亮，南北

16、方向开始通车，延时一段时 间后，南北路口的绿灯灭，黄灯开始闪烁。闪烁若干次后，再切换到东西路口方向，重复上 述过程。在实验中使用8个七段码管中的任意两个数码管显示时间。东四路和南北路的通 车时间均设定为20so数码管的时间总是显示为19、18、172、1、0、19、18。在 显示时间小于3秒的时候，通车方向的黄灯闪烁。四、实验内容本实验要完成任务就是设汁一个简单的交通灯控制器，交通灯显示用实验箱的交通灯模 块和七段码管中的任意两个来显示。系统时钟选择时钟模块的lKHz时钟，黄灯闪烁时钟 要求为2Hz,七段码管的时间显示为1Hz脉冲，即每Is中递减一次，在显示时间小于3秒 的时候，通车方向的黄灯

17、以2Hz的频率闪烁。系统中用S1按键进行复位。五、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设计，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验九数字钟设计一、实验目的1、了解数字钟工作原理，设计出一个具有时、分、秒并可调时的数字钟。2、进一步熟悉用VHDL语言编写驱动七段码管显示的代码。二、主要仪器设备EDA/SOPC实验系统1台三、实验原理多功能数字钟应该具有的功能有：显示时一分一秒、整点报时、小时和分钟可调等基本 功能。首先要知逍钟表的工作机理，整个钟表的工作应该实在1Hz信号的作用下进行，这 样每来一个时钟信号，秒增加1秒，当秒从59秒跳转到00秒时，分钟增加1分，同时当 分钟从

18、59分跳转到00分时，小时增加1小时，但是需要注意的是，小时的范用是从0 23时。在实验中为了显示的方便，由于分钟和秒钟显示的范围都是从059,所以可以用一个 3位的二进制码显示十位，用一个四位的二进制码（BCD码）显示个位，对于小时因为它 的范围是从023,所以可以用一个2位的二进制码显示十位，用4位二进制码（BCD码） 显示个位。实验中由于七段码管是扫描的方式显示，所以虽然时钟需要的是1Hz时钟信号，但是 扫描确需要一个比较髙频率的信号，因此为了得到准确的1Hz信号，必须对输入的系统时 钟进行分频。对于报警信号，由于实验箱上只有一个小的扬声器，而要使扬声器发生，必须给其一定 频率的信号进行

19、驱动，频率越高，声音越尖。另外由于人耳的听觉范囤是300Hz-lOKHz左 右，所以设计时也要选择恰当的发声频率。四、实验内容本实验的任务就是设计一个多功能数字钟，要求显示格式为小时一分钟一秒钟，整点 报时，报时时间为10秒，即从整点前10秒钟开始报警，且前五次报警的声音频率较低， 最后一次报警声音的频率较高，类似于收音机整点报时，即从xx-59-50秒开始，依次为 嘀、嘀、嘀、嘀、嘀、嗒。系统时钟选择时钟模块的lOKHz,要得到1Hz时钟信号，必须 对系统时钟进行10.000次分频。调整时间的的按键用按键模块的S1和S2, S1调节小时， 每按下一次，小时增加一个小时，S2调整分钟，每按下一

20、次，分钟增加一分钟。报时的喇 叭采用实验箱的扬声器模块，整点报时时嘀声用1.25KHZ （对lOKHz信号进行8分频）， 嗒声用2.5KHZ （对lOKHz信号进行4分频）。另外用S8按键作为系统时钟复位，复位后 全部显示00 00 00。五、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设讣，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验十出租车计费器设计一、实验目的1. 了解出租车计费器的工作原理。2. 学会用VHDL语言编写正确的七段码管显示程序。3. 数量掌握用VHDL编写复杂功能模块。4. 掌握电机测速、显示电器、计数电路的设计方法。5. 熟悉状态机在数字系统设计中的应用二、主要仪

21、器设备EDA/SOPC实验系统1台三、实验原理出租车计费器一般都是按公里计费，通常是起步价XX元（XX元可以行走2公里），然 后再是xx元/公里。所以要完成一个岀租车计费器，就要有两个计数单位，一个用来计公里, 期外一个用来计费用。通常在岀租车的轮子上都有传感器，用来记录车轮转动的圈数，而车 轮子的周长是固左的，所以知道了圈数自然也就知逍了里程。在这个实验中，就要模拟出租 车汁费器的工作过程，用直流电机模拟出租车轮子，通过传感器，可以得到电机每转一周输 出一个脉冲波形。结果的显示用8个七段码管，前四个显示里程，后四个显示费用。在设计VHDL程序时，首先在复位信号的作用下将所有用到的寄存器进行淸

22、零，然后 开始设左到起步价记录状态，在此状态时，在起步价规左的里程里都一直显示起步价，直到 路程超过起步价规龙的里程时，系统转移到每公里计费状态，此时每增加一公里，计费器增 加相应的费用。为了便于显示，在编写过程中的数据用BCD码来显示，这样就不存在数据格式转换的问题。比如表示一个三位数，那么就分别用四位二进制码来表示，当个位数字累加大于9 时，将其淸零，同时十位数字加1,依此类推。四、实验内容本实验要完成的任务就是设计一个简单的出租车计费器，要求是起步价3元，准行1公 里，以后1元/公里。显示部分的七段码管扫描时钟选择时钟模块的lKHz,电机模块的跳 线选择GND端，这样通过旋钮电机模块的电

23、位器，即可达到控制电机转速的目的。列外用 按键模块的S1来作为整个系统的复位按钮，每复位一次，汁费器从头开始计费。直流电机 用来模拟出租车的车轮子，没转动一圈认为是行走1M,所以每旋转1000圈，认为车子前 进1公里。系统设计是需要检测电机的转动情况，每转一周，计M汁数器增加1。七段码 管显示要求为前4个显示里程，后3个显示费用。五、实验报告根据以上实验内容写出实验报告，包括程序设讣，软件编译，仿真结果及分析，硬件测 试等内容。实验十一频率计的设计一、实验目的1. 了解频率计的工作原理。2. 体会FPGA在数字系统设讣方而的灵活性。3. 掌握VHDL在测量模块设计方而的技巧。二、主要仪器设备E