数字电子技术课程设计1中国石油大学.pptx

1 12024/4/20 2024/4/20 周六周六一、课程设计的目的一、课程设计的目的了解数字系统的组成，学习数字系统的设计方法。了解数字系统的组成，学习数字系统的设计方法。了解数字系统的组成，学习数字系统的设计方法。了解数字系统的组成，学习数字系统的设计方法。熟悉现代数字系统的实现方法：用熟悉现代数字系统的实现方法：用熟悉现代数字系统的实现方法：用熟悉现代数字系统的实现方法：用PLDPLD器件取代传器件取代传器件取代传器件取代传统的中规模集成器件实现数字电路与系统。统的中规模集成器件实现数字电路与系统。统的中规模集成器件实现数字电路与系统。统的中规模集成器件实现数字电路与系统。学习分层次化实现数字电路与系统的方法。学习分层次化实现数字电路与系统的方法。学习分层次化实现数字电路与系统的方法。学习分层次化实现数字电路与系统的方法。学习使用硬件描述语言（学习使用硬件描述语言（学习使用硬件描述语言（学习使用硬件描述语言（Hardware Description Hardware Description LanguageLanguage）对数字电路与系统进行建模、仿真、对数字电路与系统进行建模、仿真、对数字电路与系统进行建模、仿真、对数字电路与系统进行建模、仿真、综合与实现的方法。综合与实现的方法。综合与实现的方法。综合与实现的方法。2 22024/4/20 2024/4/20 周六周六二、数字系统的设计方法简介二、数字系统的设计方法简介1、数字系统的组成、数字系统的组成 2、数字系统的设计方法、数字系统的设计方法 3、现代数字系统的实现方法、现代数字系统的实现方法3 32024/4/20 2024/4/20 周六周六1、数字系统的组成、数字系统的组成数数字字系系统统通通常常由由三三部部分分组组成成：输输入入/输输出出接接口口、数数据处理器和控制器，如图所示。据处理器和控制器，如图所示。输入输出接口是用来将模拟量转化为数字量，或数字量转化输入输出接口是用来将模拟量转化为数字量，或数字量转化为模拟量的模块。为模拟量的模块。控制器的作用是控制系统内各部分模块的工作，使它们按一控制器的作用是控制系统内各部分模块的工作，使它们按一定顺序进行操作。定顺序进行操作。处理器的作用是完成信息的存储和加工处理。处理器的作用是完成信息的存储和加工处理。4 42024/4/20 2024/4/20 周六周六2、数字系统的设计方法、数字系统的设计方法分类：分类：n自下而上的设计方法自下而上的设计方法n自上而下的设计方法自上而下的设计方法自下而上的设计方法自下而上的设计方法n数数字字系系统统自自下下而而上上的的设设计计是是一一种种试试探探法法。设设计计者者根根据据自自己己的的经经验验将将规规模模大大、功功能能复复杂杂的的数数字字系系统统按按逻逻辑辑功功能能划划分分成成若若干干子子模模块块，一一直直分分到到这这些些子子模模块块可可以以用用经经典典的的方方法法和和标标准准的的逻逻辑辑功功能能部部件件进进行行设设计计，最最后后将将整整个个系系统统安安装装、调调试试达到设计要求。达到设计要求。5 52024/4/20 2024/4/20 周六周六自下而上设计方法的特点：自下而上设计方法的特点：n这种设计方法没有明显的规律可循，主要依靠这种设计方法没有明显的规律可循，主要依靠设计者的实践经验和熟练的设计技巧，用逐步设计者的实践经验和熟练的设计技巧，用逐步试探的方法最后设计出一个完整的数字系统。试探的方法最后设计出一个完整的数字系统。n系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。如果系统设计存在比较大的问题，也析测试。如果系统设计存在比较大的问题，也有可能要重新设计，使得设计周期加长、资源有可能要重新设计，使得设计周期加长、资源浪费也较大。浪费也较大。6 62024/4/20 2024/4/20 周六周六自上而下的设计方法自上而下的设计方法n自上而下的设计方法是，将整个系统从逻辑上划分自上而下的设计方法是，将整个系统从逻辑上划分成控制器和处理器两大部分。如果控制器和处理器成控制器和处理器两大部分。如果控制器和处理器仍比较复杂，可以在控制器和处理器内部多重地进仍比较复杂，可以在控制器和处理器内部多重地进行逻辑划分，然后选用适当的器件以实现各子系统，行逻辑划分，然后选用适当的器件以实现各子系统，最后把它们连接起来，得到所要求的数字系统。最后把它们连接起来，得到所要求的数字系统。自上而下的设计方法一般要遵循下列几个步骤：自上而下的设计方法一般要遵循下列几个步骤：n明确所要设计系统的逻辑功能。明确所要设计系统的逻辑功能。n确定系统方案与逻辑划分，画出系统方框图。确定系统方案与逻辑划分，画出系统方框图。n采用某种算法描述系统。采用某种算法描述系统。n设计控制器和处理器，并组合成所需要的数字系统设计控制器和处理器，并组合成所需要的数字系统。7 72024/4/20 2024/4/20 周六周六3、现代数字系统的实现方法、现代数字系统的实现方法数字系统的实现方法也经历了由分立元件、小规模、数字系统的实现方法也经历了由分立元件、小规模、中规模到大规模、超大规模，直至今天的专用集成中规模到大规模、超大规模，直至今天的专用集成电路电路(ASIC)。现在的现在的ASIC芯片规模已经达到几百万个元件。一个芯片规模已经达到几百万个元件。一个复杂的数字系统只要一片或几片复杂的数字系统只要一片或几片ASIC即可实现。即可实现。FPGA或或CPLD属于属于ASIC电路的一类。具有现场可编电路的一类。具有现场可编程的特性。用户可将所设计的电路通过计算机和开程的特性。用户可将所设计的电路通过计算机和开发工具，生成关于阵列连接的信息文件，并将信息发工具，生成关于阵列连接的信息文件，并将信息文件通过编程器文件通过编程器“编程编程”到芯片上。到芯片上。如果采用在系统编程器件，不需要编程器，直接将如果采用在系统编程器件，不需要编程器，直接将芯片装在所设计的系统或电路板上，通过编程电缆芯片装在所设计的系统或电路板上，通过编程电缆直接对其编程或修改。直接对其编程或修改。8 82024/4/20 2024/4/20 周六周六4.数字系统的设计举例数字系统的设计举例设计任务：设计任务：设计一个数字频率计，其技术要求如下：设计一个数字频率计，其技术要求如下：(1)测量频率范围：测量频率范围：1Hz100kHz。(2)准确度准确度 fx/fx 2%。(3)测量信号：方波，峰峰值为测量信号：方波，峰峰值为3V5V。9 92024/4/20 2024/4/20 周六周六（1）明确所要设计的系统的逻辑功能）明确所要设计的系统的逻辑功能根根据据被被测测信信号号频频率率范范围围，有有两两种种测测量量方方法法，即测频率和测周期。即测频率和测周期。所谓频率，就是周期性信号在单位时间（所谓频率，就是周期性信号在单位时间（1s)内变化的次数。若在一定时间间隔内变化的次数。若在一定时间间隔 T内测得内测得这个周期信号的重复变化次数为这个周期信号的重复变化次数为N，则其频则其频率可表示为率可表示为 f=N/T当被测信号的频率较低时，采用测频方法由当被测信号的频率较低时，采用测频方法由量化误差引起的测频误差太大，为此应先测量化误差引起的测频误差太大，为此应先测周期周期Tx，然后计算然后计算fx=1/Tx。10102024/4/20 2024/4/20 周六周六1 1、测测测测量量量量频频频频率率率率系系系系统统统统框框框框图图图图如如如如图图图图所所所所示示示示,系系系系统统统统由由由由控控控控制制制制器器器器和和和和处处处处理理理理器器器器组组组组成成成成，控控控控制制制制器器器器接接接接收收收收外外外外部部部部标标标标准准准准时时时时钟钟钟钟和和和和系系系系统统统统复复复复位位位位信信信信号号号号。处处处处理器由计数器和锁存器和显示器组成。理器由计数器和锁存器和显示器组成。理器由计数器和锁存器和显示器组成。理器由计数器和锁存器和显示器组成。（2 2）确定系统方案并画出结构框图。确定系统方案并画出结构框图。11112024/4/20 2024/4/20 周六周六COUNT_CLR信信号号用用于于在在每每次次测测量量开开始始时时，对对计计数数模模块块复复位位，以以清清除除上上次次测测量量的的结结果果。该该复复位位信信号号高高电电平平有有效效，持持续续半半个个时时钟周期的时间。钟周期的时间。COUNT_EN信信号号为为计计数数允允许许信信号号，高高电电平平有有效效。在在信信号号的的上上升升沿沿开开始始，对对输输入入信信号号的的频频率率进进行行测测量量。计计数数器器开开始始对对被被测测信信号的脉冲数进行计数，即为信号的频率。号的脉冲数进行计数，即为信号的频率。锁锁存存器器的的功功能能是是使使显显示示的的数数据据稳稳定定，不不会会由由于于周周期期性性的的清清零零信信号而不断闪烁。号而不断闪烁。（2 2）确定系统方案并画出结构框图。确定系统方案并画出结构框图。12122024/4/20 2024/4/20 周六周六2、测测量量周周期期的的系系统统框框图图如如图图所所示示,将将待待测测信信号号用用于于生生成成控控制制使使能能信信号号，对对标标准准时时钟钟信信号号进进行行计计数显示，最后转换为待测信号的频率。数显示，最后转换为待测信号的频率。（2 2）确定系统方案并画出结构框图。确定系统方案并画出结构框图。13132024/4/20 2024/4/20 周六周六（3）设计控制器和受控电路）设计控制器和受控电路 通通通通过过过过分分分分析析析析,测测测测量量量量频频频频率率率率法法法法的的的的控控控控制制制制系系系系统统统统主主主主要要要要由由由由分分分分频频频频系系系系统统统统、闸闸闸闸门门门门电电电电路路路路及及及及定定定定时时时时器器器器构构构构成成成成。受受受受控控控控电电电电路路路路由由由由计计计计数数数数器器器器、锁锁锁锁存存存存器、译码器及显示电路组成，如图所示。器、译码器及显示电路组成，如图所示。器、译码器及显示电路组成，如图所示。器、译码器及显示电路组成，如图所示。14142024/4/20 2024/4/20 周六周六（3）设计控制器和受控电路）设计控制器和受控电路 15152024/4/20 2024/4/20 周六周六（3）设计控制器和受控电路）设计控制器和受控电路 测量周期法的控制器和受控电路如图所示。测量周期法的控制器和受控电路如图所示。测量周期法的控制器和受控电路如图所示。测量周期法的控制器和受控电路如图所示。16162024/4/20 2024/4/20 周六周六三三、用、用PLD实现数字系统的方法简介实现数字系统的方法简介一般一般PLD器件的开发需要使用集成软件开发系统。器件的开发需要使用集成软件开发系统。软软件件开开发发系系统统用用两两种种方方式式建建立立输输入入文文件件。一一种种是是图图形形设设计计输输入入；另另一一种种是是硬硬件件描描述述语语言言输输入入，或或两两种种输入的混合方式。输入的混合方式。计计算算机机对对输输入入文文件件进进行行编编译译、综综合合、优优化化、适适配配等等操操作作，最最后后生生成成供供编编程程用用的的数数据据文文件件，就就可可编编程程到到芯片中。芯片中。有标准的有标准的HDL语言：语言：ABEL、Verilog和和VHDL。用用HDL设计数字电路与系统，常称为高层次设计。设计数字电路与系统，常称为高层次设计。17172024/4/20 2024/4/20 周六周六四、设计任务四、设计任务实现设计的方法实现设计的方法 1616汉字点阵显示汉字点阵显示 比如显示比如显示“中国石油大学华东中国石油大学华东”或者你的姓名，或者你的姓名，学号信息，要求循环显示学号信息，要求循环显示 采采用用原原理理图图设设计计和和硬硬件件描描述述语语言言两两种种方方式式混混合合的的方法。方法。背景说明背景说明应用：公共场合发布信息，应用：公共场合发布信息，LED点阵滚动点阵滚动显示汉字很方便显示汉字很方便传统的汉字滚动显示器：单片机、存储器传统的汉字滚动显示器：单片机、存储器和逻辑电路进行和逻辑电路进行PCB板级的系统集成，优板级的系统集成，优点是有单片机软件支持较为灵活，缺点是点是有单片机软件支持较为灵活，缺点是受硬件资源限制，未来设计变更和升级困受硬件资源限制，未来设计变更和升级困难难新型汉字滚动显示采用新型汉字滚动显示采用EDA技术，基于技术，基于FPGA和和CPLD可编程器件进行系统芯片集可编程器件进行系统芯片集成设计方法，代替了基于成设计方法，代替了基于PCB板的传统设板的传统设计方式。计方式。18182024/4/20 2024/4/20 周六周六设计思路设计思路利用利用VHDL或者或者Verilog HDL语言设计语言设计举例说明：举例说明：EDA实验箱上实验箱上1616点阵，列选点阵，列选信号信号SEL0，SEL1，SEL2，SEL3，列选信，列选信号由号由SEL3.0控制；行选信号为控制；行选信号为H0-H15，每一行由单独的一个信号来控制。每一行由单独的一个信号来控制。19192024/4/20 2024/4/20 周六周六设计思路设计思路循环显示的两种分类：循环显示的两种分类：1.简单：一定时间间隔内只显示一个字，且简单：一定时间间隔内只显示一个字，且 字是固定位置；字是固定位置；2.复杂：按照一定的时间间隔，字向左或者复杂：按照一定的时间间隔，字向左或者 向右移动。向右移动。20202024/4/20 2024/4/20 周六周六设计思路设计思路控制器主要控制所要显示的字，通过设置控制器主要控制所要显示的字，通过设置16X16的的LED状态显示字符；状态显示字符；计数器每个字显示时间（字固定在同一位计数器每个字显示时间（字固定在同一位置的时间）的长短；置的时间）的长短；LED用来显示字。用来显示字。21212024/4/20 2024/4/20 周六周六设计思路设计思路原理图原理图Enable 为使能端，为使能端，CLK为时钟脉冲输入，为时钟脉冲输入，SEL3.0为列选信号输出端，为列选信号输出端，H87.0和和H07.0为行选信号输出端为行选信号输出端22222024/4/20 2024/4/20 周六周六设计思路设计思路编写程序编写程序 VHDL语言或者语言或者Verilog HDL语言语言 软件：软件：Quartus II 步骤：先设计原理图，编写模块程序，软步骤：先设计原理图，编写模块程序，软 件编译，波形仿真，封引脚，下载件编译，波形仿真，封引脚，下载 到硬件中执行观察结果。到硬件中执行观察结果。23232024/4/20 2024/4/20 周六周六设计思路设计思路波形仿真图波形仿真图24242024/4/20 2024/4/20 周六周六25252024/4/20 2024/4/20 周六周六五、课程设计报告五、课程设计报告 1.课程设计题目课程设计题目2.设计内容及要求设计内容及要求3.系统框图（或系统框图（或ASM图）及每个模块的说明图）及每个模块的说明4.具体模块的实现及程序清单具体模块的实现及程序清单5.错误分析及实验总结错误分析及实验总结