1、復(fù)雜可編程邏輯器件及數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)王曉飛 編著北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院電子信息工程系二零零四年六月實(shí)驗(yàn)一 熟悉軟硬件環(huán)境及使用一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)Quartus 軟件的基本操作；2 學(xué)習(xí)原理圖和VHDL兩種設(shè)計(jì)輸入方法；3 初步掌握器件設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真、下載的過(guò)程；4 學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)要求 選用課上或書(shū)中的例題，按照第二章所述練習(xí)Quartus 軟件的使用：分別選用原理圖輸入方式和VHDL輸入方式進(jìn)行電路功能設(shè)計(jì)；掌握CPLD的開(kāi)發(fā)步驟設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證；按照附錄所述了解實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理和使用方法。實(shí)驗(yàn)二 組合邏輯電路的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 設(shè)計(jì)8段譯碼器、兩路4位二進(jìn)

2、制比較器，并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2 學(xué)習(xí)用VHDL語(yǔ)句進(jìn)行邏輯描述。二、實(shí)驗(yàn)要求 用VHDL設(shè)計(jì)8段譯碼器、兩路4位二進(jìn)制比較器，對(duì)CPLD器件進(jìn)行配置及下載來(lái)驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證電路的外圍器件可選用按鍵輸入、指示燈輸出。8段譯碼器的邏輯功能輸入輸出in3.0dpgfedcba000111111100000110201011011301001111401100110501101101601111101700000111801111111901101111A01110111B01111100C00111001D01011110E01111001F01110001兩路4位二進(jìn)制比較器邏輯

3、功能輸入輸出a3.0b3.0HLEa3.0> b3.0100a3.0< b3.0010a3.0= b3.0001實(shí)驗(yàn)三 時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)8位鎖存器、60分頻器，并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2了解時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)要求 用原理圖輸入方式設(shè)計(jì)8位鎖存器、用VHDL輸入方式設(shè)計(jì)60分頻器。驗(yàn)證電路的外圍器件可選用按鍵輸入、數(shù)碼管輸出。思考題：如何消除險(xiǎn)象競(jìng)爭(zhēng)？實(shí)驗(yàn)四 數(shù)字電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)交通燈控制器一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易交通燈控制器，并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2學(xué)習(xí)層次化設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)要求位于十字路口的交通燈，在A方向和B方向各有紅

4、、黃、綠三盞燈，亮滅順序如表所示，1表示亮，0表示滅，假設(shè)燈亮滅時(shí)間均為1S。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)輸入方法、驗(yàn)證器件不限，最終需建立一個(gè)元件符號(hào)。A方向B方向紅燈黃燈綠燈紅燈黃燈綠燈100001100010010010010100001100010100010010100010思考題：如何實(shí)現(xiàn)各燈亮滅時(shí)間可調(diào)？實(shí)驗(yàn)五 數(shù)字電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)方波信號(hào)輸出電路一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)一個(gè)方波信號(hào)產(chǎn)生電路，并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2建立自頂向下的設(shè)計(jì)思路。二、實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)占空比為20、周期為1S的方波信號(hào)，并用末位數(shù)碼管進(jìn)行指示當(dāng)方波信號(hào)為高電平時(shí)，數(shù)碼管顯示2；當(dāng)方波信號(hào)為低電平時(shí)，數(shù)碼管顯示8。

5、實(shí)驗(yàn)六 數(shù)字電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)兩人擲骰子比較點(diǎn)大小的游戲電路一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)一個(gè)游戲電路并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2建立自頂向下的設(shè)計(jì)思路。二、實(shí)驗(yàn)要求A、 B兩人玩擲骰子的游戲，當(dāng)A的點(diǎn)數(shù)大于B的點(diǎn)數(shù)時(shí)，輸出H=“1”、L=E=“0”；當(dāng)A的點(diǎn)數(shù)小于B的點(diǎn)數(shù)時(shí)，輸出L=“1”、H=E=“0”；當(dāng)A的點(diǎn)數(shù)等于B的點(diǎn)數(shù)時(shí)，輸出E=“1”、H=L=“0”；并同時(shí)用兩個(gè)數(shù)碼管顯示A、B兩人的點(diǎn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)七 數(shù)字電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)CPU計(jì)數(shù)比較系統(tǒng)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)比較系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2建立自頂向下的設(shè)計(jì)思路。二、實(shí)驗(yàn)要求cp1和cp2為兩個(gè)時(shí)鐘輸入端，keep

6、=1時(shí)啟動(dòng)2個(gè)8位計(jì)數(shù)器，keep=0時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)并保持當(dāng)前計(jì)數(shù)值。/R=0時(shí)，CPU讀入數(shù)據(jù)。C=0時(shí)，CPU讀入A口值；C=1時(shí)，CPU讀入B口值。完成虛框以外的電路的設(shè)計(jì)。 思考題：1.若CPU的寫(xiě)信號(hào)參與控制，并口的D70將成為雙向口，如何設(shè)計(jì)？ 2不讀不寫(xiě)時(shí)如何使并口的D70呈高阻態(tài)？實(shí)驗(yàn)八 數(shù)字電路系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)CPU接口電路一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?設(shè)計(jì)一個(gè)CPU接口電路，并在實(shí)驗(yàn)裝置上驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2了解CPU接口電路的工作原理；3掌握自頂向下的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)要求 如圖示一個(gè)微機(jī)系統(tǒng)接口電路芯片：D7D0與CPU數(shù)據(jù)線相連，A、RD、WR來(lái)自CPU控制線。當(dāng)RD=0時(shí)，CPU

7、通過(guò)D7D0讀入IN7IN0的數(shù)據(jù)；當(dāng)WR=O時(shí)，CPU通過(guò)D7D0將數(shù)據(jù)寫(xiě)入OUT7OUT0。當(dāng)A=0時(shí)，輸出OUT7OUT0呈高阻態(tài)。設(shè)計(jì)框內(nèi)電路。 思考題：三態(tài)門(mén)、緩沖器、鎖存器的使用場(chǎng)合？實(shí)驗(yàn)九 狀態(tài)機(jī)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握建立狀態(tài)機(jī)的邏輯模型的方法。2、掌握狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)和多個(gè)狀態(tài)機(jī)的組合使用方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與要求1、微機(jī)一臺(tái)。2、FPGA實(shí)驗(yàn)箱。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 設(shè)計(jì)跑馬燈電路，采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)發(fā)光二極管亮1秒。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)并進(jìn)行仿真。2、控制發(fā)光二極管循環(huán)點(diǎn)亮。五、思考與體會(huì)1、增加外部控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)跑馬燈的啟動(dòng)和停止。2、如何設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)使其代碼簡(jiǎn)潔、易于維護(hù)？第五章

8、CPLD實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)CPLD實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：下載電路用于將計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制位碼流文件下載至CPLD芯片中，以使CPLD按照所設(shè)計(jì)的電路功能工作；系統(tǒng)的輸入時(shí)鐘、鍵、A/D等；系統(tǒng)的輸出指示燈、數(shù)碼管、LCD、D/A等；CPU接口。 51 下載電路圖5.1.1 下載電路 如圖5.1.1所示，左側(cè)為PC機(jī)的并口，74LS244為驅(qū)動(dòng)芯片，右側(cè)為與CPLD連接的接插件，注意接插件上的電源VCC和GND要與74LS244驅(qū)動(dòng)芯片及CPLD的供電電源一致。52 CPLD管腳的分配 本節(jié)以FLEX10K10TC144為例，介紹CPLD與外圍其它元器件的連接，連接的元器件種類(lèi)繁多，主要包括

9、鍵自鎖按鍵、撥碼開(kāi)關(guān)、脈沖按鍵、小鍵盤(pán)；指示燈紅黃綠發(fā)光二極管、點(diǎn)陣式顯示器；數(shù)碼管；LCD顯示器；聲報(bào)警蜂鳴器；時(shí)鐘輸入電路；單片機(jī)8051；A/D和D/A等。圖5.2.1為FLEX10K10TC144管腳對(duì)外圍電路的分配。圖5.2.1 FLEX10K10TC144管腳連接圖53 開(kāi)關(guān)輸入該電路包含8個(gè)帶指示燈的自鎖按鍵和16個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)。按鍵沒(méi)有按下時(shí)，指示燈處于熄滅狀態(tài)，表明輸入CPLD的電平為“0”，按鍵按下時(shí)，指示燈發(fā)光，表明輸入CPLD的電平為“1”。撥碼開(kāi)關(guān)撥至“OFF”時(shí)，輸入CPLD的電平為“0”；撥碼開(kāi)關(guān)撥至“ON”時(shí)，輸入CPLD的電平為“1”。圖5.3.1 開(kāi)關(guān)電路54

10、脈沖輸入 PS1PS4為四個(gè)帶指示燈的復(fù)位按鍵。PS1、PS2沒(méi)有按下時(shí)，對(duì)應(yīng)于按鍵的指示燈發(fā)光，輸入到CPLD中的PS1點(diǎn)和PS2點(diǎn)的電位由上拉電阻嵌位在高電平；當(dāng)按鍵按下時(shí)，指示燈熄滅，CPLD中的PS1點(diǎn)和PS2點(diǎn)的電位為低電平；放開(kāi)按鍵后，該點(diǎn)電位又變成低電平，至此為CPLD輸入了一個(gè)負(fù)脈沖。同樣的道理，使用PS3和PS4會(huì)為CPLD輸入正脈沖。DOWN、UP為不帶指示燈的復(fù)位按鍵，工作原理同上。圖5.4.1 脈沖輸入電路55 鍵盤(pán) 通常狀態(tài)下，CPLD回讀鍵盤(pán)的列線值為“111”。由CPLD依次掃描輸出C1C2C3C4=“0111”、“1011”、“1101”、“1110”，當(dāng)某行線

11、為“0”，回讀某列線也為“0”時(shí)，即可知道此鍵的位置。比如CPLD輸出C1C2C3C4=“1011”、而回讀列線RK2為“0”時(shí)，表明鍵“2”按下。圖5.5.1 鍵盤(pán)電路56 指示燈電路CPLD輸出管腳通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)電路和限流電阻接指示燈的陽(yáng)極端，這里指示燈的陰極端同樣受CPLD的控制，當(dāng)然也可直接接地。12345678161514131211109RS1100L26GREENL25GREENL24GREENL23GREENL22GREENL21GREENL20GREENL13REDL19REDL18REDL17REDL16REDL15REDL14REDL12GREENL11YELLOWL10R

12、EDL9GREENL8YELLOWL7REDL6GREENL5YELLOWL4REDL3GREENL2YELLOWL1REDR2100R3100R311KBLED1BLED2BLED3BLED4BLED5BLED6BLED7BLED8BLED13BLED9BLED14BLED10SINK3BLED11BLED1BLED12BLED2BLED3BLED4BLED5BLED6BLED7BLED14BLED8BLED9BLED10BLED11BLED12BLED13BLED12SINK1SINK2BLED11BLED10BLED9BLED8BLED7BLED6BLED5BLED4BLED3BLED2

13、BLED1SINK4SINK5DIR1A12A23A34A45A56A67A78A89G19B118B217B316B415B514B613B712B811U174HCT245DIR1A12A23A34A45A56A67A78A89G19B118B217B316B415B514B613B712B811U274HCT245L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14SINK3SINK4SINK556U3C2003A89U3D2003A1011U3E2003AR301KSINK1SINK2RG EN12U3A2003A34U3B2003ABAR_ENSINK1SINK2RG

14、ENBAR_ENLED1.14指示燈的14個(gè)指示燈紅黃綠燈的BARLEDsEWSNStatus LEDs13572468RS3100 4R/8P陰極共用端陰極共用端圖5.6.1 指示燈電路57 8×8點(diǎn)陣式發(fā)光二極管該發(fā)光二極管陣列由8個(gè)紅色和8個(gè)綠色發(fā)光二極管組成，每個(gè)點(diǎn)由一紅一綠兩個(gè)發(fā)光二極管組成，兩者共陰極，由CPLD控制。當(dāng)某點(diǎn)的紅綠發(fā)光二極管同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，該點(diǎn)就可呈黃色顯示。圖5.7.1 8×8點(diǎn)陣式發(fā)光二極管電路58 蜂鳴器電路BUZZER與CPLD連接，當(dāng)BUZZER為“1”時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲。圖5.8.1 蜂鳴器電路59 CPU接口電路圖中給出了CPLD與8051

15、單片機(jī)及ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器和AD7528數(shù)模轉(zhuǎn)換器的連接電路，通過(guò)該電路可實(shí)現(xiàn)模擬量的采集、運(yùn)算、閉環(huán)控制等。 圖5.9.1 CPU接口電路510 數(shù)碼管顯示電路 圖5.10.1 數(shù)碼管顯示電路511 CPLD管腳分配表實(shí)驗(yàn)裝置的面板如圖5.11.1所示，各輸入輸出器件與CPLD管腳連接如表5 11.1所示。圖5.11.1 實(shí)驗(yàn)裝置面板圖表5.11.1 輸入輸出器件與CPLD管腳連接表外圍器件名稱(chēng)外圍器件符號(hào)CPLD管腳號(hào)說(shuō)明紅色指示燈L17黃色指示燈L28綠色指示燈L39紅色指示燈L410黃色指示燈L511綠色指示燈L612紅色指示燈L713黃色指示燈L814綠色指示燈L917紅色指示

16、燈L1018黃色指示燈L1119綠色指示燈L1220141L1L12的共陰極，高電平有效6個(gè)數(shù)碼管a23b26c27d28e29f30g31dp3274138A(DE1)3374138的輸出y0y5分別接數(shù)碼管的共陰極c1c6(c6為低位) B(DE2)36C(DE3)37蜂鳴器BUZZER46紅骰子指示燈L137L148L159L1610L1711L1812L1913綠骰子指示燈L2014L2117L2218L2319L2420L2521L2622142L13L26的共陰極，高電平有效液晶顯示器EN130RS122RW128D0131D1132D2133D3135D4136D5137D613

17、8D7140黃色時(shí)鐘指示燈L27(10MHZ)23L28(1MHZ)26L29(100KHZ)27L30(10KHZ)28L31(1KHZ)29L32(100HZ)30L33(10HZ)31L34(1HZ)3274138a3374138的輸出y6為L(zhǎng)27L34的共陰極 b36c37UP鍵121按下時(shí)接低電平，放開(kāi)時(shí)接高電平DOWN鍵125OSC5510MHZ晶振頻率8´8點(diǎn)陣式LED顯示器Row188 陽(yáng)極公共端Row289Row390Row491Row592Row695Row796Row897CR198紅色陰極端，高電平有效綠色陰極端，高電平有效CR299CR3100CR4101C

18、R5102CR6109CR7110CR8111CG1112CG2113CG3114CG4116CG5117CG6118CG7119CG81208051CPUP0.0131P0.1132P0.2133P0.3135P0.4136P0.5137P0.6138P0.7140P1.017P1.118P1.219P1.320P1.421P1.522P1.6141P1.7142P2.07P2.18P2.29P2.310P2.411P2.512P2.613P2.714P3.041P3.1144P3.298P3.399P3.4100P3.5101P3.6122P3.7128按鍵SW147按鍵按下時(shí)接高電平，放開(kāi)時(shí)接低電平SW248SW349SW451SW559SW660SW762SW863撥碼開(kāi)關(guān)SW964撥至ON接高電平SW1065SW1167SW1268SW1369SW1470SW1572SW1673SW1778SW1879SW1980SW2081SW2182SW2283S