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摘要:介绍了EDA技术及其引入数字电路课程设计的意义,通过QuartusII7.0软件一个数字钟电路为例,介绍了EDA技术的层次化设计方法,加深了学生对EDA技术以及数字电路课程的理解。
关键词:EDA技术数字电路课程设计
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)02(a)-0027-02
数字电路是高等学校电气信息类专业的一门重要的基础课程,近些年来,随着科学技术以及电子技术的蓬勃发展,很多高校开设了EDA技术课程和与该类型课程相对应的设计类的实践环节。学生可以通过这种类型的课程设计的学习加深对数字电路课程的理解,从而更好的掌握数字电路的基本理论知识,将所学到的理论知识转化为实践认识,进而掌握数字电路系统设计的基本方法,使得学生解决问题的综合能力得到提高。现在的数字电路课程中仍然采用中小规模的通用集成电路来实现设计,当需要设计的电路功能比较复杂时,设计难度增大,有时候甚至很难成任务,因此,将EDA技术引入数字电路的设计具有重要意义。
1 EDA技术简介
EDA是电子设计自动化的简称,它以功能强大的计算机为工具平台,以EDA软件为开发环境,以可编程逻辑器件为载体,用硬件描述语言完成设计文件,然后由计算机自动地完成相应的分析和设计工作。它能够直接将高级硬件描述语句和逻辑图通过EDA系统工具软件将其转换为可编程逻辑器件能够接受的格式,接着仿真后再下载到可编程逻辑器件上,使其成为一个真正意义上的超大规模集成电路芯片。EDA技术的出现,使得电路设计的效率和可操作性获得极大的提高。目前EDA技术被广泛的应用于电子行业的各个领域。现在电子工程设计领域Multisim 10、Protel 99等EDA软件已经得到广泛的应用。将EDA技术引入大学教育的课程设计领域也是现代社会教育发展的趋势。
2 数字电路设计
数字电路所对应的课程设计一般需要综合所学到的知识和内容,然后设计所对应的数字电路系统。在现代EDA技术中,主要采用的是自顶向下的设计方法,所以对应的课程设计步骤如下:(1)首先对老师给的题目进行分析,确定所要设计的功能;(2)确定设计方案,对设计的模块以及实现顺序要有整体把握;(3)用QuartusII 7.0软件编程完成设计题目所提出的数字电路;(4)对所设计的电路进行功能仿真,对于出现的问题进行修改,直到完成预定的设计目标。下面以一个数字钟电路为例介绍数字电路系统的设计方法。
设计实例,以设计一个数字钟电路为例。
2.1 设计任务
设计一个多功能数字钟,具有小时、分钟、秒计数功能,并在数码管上正常计数显示时、分、秒。以24小时循环计时;具有清零、调节小时和分钟的功能;具有整点报时和花样显示功能。
2.2 设计方案
根据需要设计的数字钟的特点,可以采用层次化设计方法,首先根据其要实现的功能分为几个模块,然后将这些模块组合起来构成整个系统。数字钟电路是由两个60进制计数器分别来完成秒和分钟的计时,由一个24进制计数器来完成小时的计时。秒模块时计时时钟由实验箱上的1Hz信号来提供,然后通过显示模块译码生成段显示的译码信号,通过译码器产生位显示的译码信号,从而实现整个电路的译码显示。通过数据动态扫描显示模块控制显示内容,通过整点报时和花样显示模块控制蜂鸣器到整点的时候鸣叫和LED灯的循环点亮显示。
2.3 电路设计:电路由以下模块组成
(1)计数模块。
整个计数模块包括小时、分钟、秒三个计数单元,是由两个60进制的计数器和一个24进制的计数器的级联来实现的,采用VHDL语言来编程实现。当数字钟开始计数时,秒和分钟的进位位分别作为分钟和小时的计数时钟,最后三个计数器分别生成两位BCD码。当时钟计数有误的时候,可以通过按键setmin和sethour对分钟和小时分别进行调整。小时计时模块仿真图形,如图1所示。秒计时模块仿真图形如图2所示,分钟计数模块与秒类似,此处就不再给出。
(2)数据动态扫描显示模块。
通过输入时钟控制小时、分钟、秒在数码管上动态循环显示。由于当显示频率大于24Hz的时候人的眼睛就感觉不到数码管的闪烁,这样看到的数码管上的显示结果基本上就是同时显示时、分、秒的结果。同时生成段选择信号和位选择信号。
(3)显示译码模块和位译码。
将数据动态扫描显示模块生成的段选择信号和位选择信号,通过显示译码模块将段选择信号根据数码管的段显示原则进行译码,注意段译码的高低位要对应;通过74138将输出的3位的位选择译码信号转化为8位的位选择信号,从而实现对相应的位信号的选择。
(4)整点报时和花样显示模块。
在当数字钟为整点时候,也就是在分计数器输出的BCD码全部为零的时候,通过输入的时钟信号控制扬声器连续响一分钟,同时通过输出的计数信号使LED灯循环点亮。
(5)系统电路综合。
整个数字钟电路采用原理图设计方式,调用之前生成的模块和一些系统自带的元器件,将其连接在一起组成了数字钟电路综合原理图,如图3所示。其中second、minute和hour分别为秒、分、时计数模块;sel_clock为数据动态扫描显示模块。clk和clksp为输入的时钟信号输入端,接时钟信号;setmin和sethour为分钟和小时调节端。alert为整点报时和花样显示模块,speaker为整点报时端,接扬声器,通过时钟信号cksp来控制扬声器的输出,lamp[3..0]接LED彩灯;a[3..0]和b[3..0]、c[3..0]和d[3..0]、e[3..0]和f[3..0]分别为秒、分和时的输出信号,将sel_clock生成的段和位信号通过显示译码模块deled和74138译码器进行段译码和位译码后在8个数码管上显示数据。
2.4 电路硬件测试
为了对设计好的电路进行验证,最后需要将编写好并且通过验证的程序下载到硬件系统上,采用QuartusII 7.0软件进行电路综合以及程序下载。根据电路将管脚锁定好以后,对程序再进行一次全局编译,生成相应的可下载的目标文件,接着将该目标文件下载到硬件箱中,实验箱上的数码管显示计时结果,蜂鸣器和LED彩灯显示整点报时结果。通过观察硬件的显示结果判断电路的设计是否正确。当硬件显示结果出现错误时,可以根据错误的类型来反过来检查电路的设计,并对设计进行相应的修改。
3 结语
EDA技术在现代社会电子工程领域的应用越来越广泛,将EDA技术引入数字电路课程设计中,提高了学生的开发和设计能力,使得他们将课本中所学到的知识得到运用,提高了学生学习的积极性。本文通过数字钟电路的设计,了解了数字电路设计的基本方法,为学生完成课程设计提供了一个较好的示例。
参考文献
[1] 李雪梅.在数字电路教学中引入现代EDA技术[J].物理实验,2004,24(5):28～30.
[2] 李兆光.EDA技术在数字电子技术教学中的应用[J].甘肃科技,2008,24(19):165～167.
[3] 王爱珍.基于MAX+plusⅡ的数字钟的设计与实现[J].长春师范学院学报(自然科学版),2008,27(2):31～35.
[4] 樊永宁,张晓丽.基于VHDL的多功能数字钟的设计[J]．矿工自动化,2006(6):93～94．
关键词:EDA技术数字电路课程设计
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)02(a)-0027-02
数字电路是高等学校电气信息类专业的一门重要的基础课程,近些年来,随着科学技术以及电子技术的蓬勃发展,很多高校开设了EDA技术课程和与该类型课程相对应的设计类的实践环节。学生可以通过这种类型的课程设计的学习加深对数字电路课程的理解,从而更好的掌握数字电路的基本理论知识,将所学到的理论知识转化为实践认识,进而掌握数字电路系统设计的基本方法,使得学生解决问题的综合能力得到提高。现在的数字电路课程中仍然采用中小规模的通用集成电路来实现设计,当需要设计的电路功能比较复杂时,设计难度增大,有时候甚至很难成任务,因此,将EDA技术引入数字电路的设计具有重要意义。
1 EDA技术简介
EDA是电子设计自动化的简称,它以功能强大的计算机为工具平台,以EDA软件为开发环境,以可编程逻辑器件为载体,用硬件描述语言完成设计文件,然后由计算机自动地完成相应的分析和设计工作。它能够直接将高级硬件描述语句和逻辑图通过EDA系统工具软件将其转换为可编程逻辑器件能够接受的格式,接着仿真后再下载到可编程逻辑器件上,使其成为一个真正意义上的超大规模集成电路芯片。EDA技术的出现,使得电路设计的效率和可操作性获得极大的提高。目前EDA技术被广泛的应用于电子行业的各个领域。现在电子工程设计领域Multisim 10、Protel 99等EDA软件已经得到广泛的应用。将EDA技术引入大学教育的课程设计领域也是现代社会教育发展的趋势。
2 数字电路设计
数字电路所对应的课程设计一般需要综合所学到的知识和内容,然后设计所对应的数字电路系统。在现代EDA技术中,主要采用的是自顶向下的设计方法,所以对应的课程设计步骤如下:(1)首先对老师给的题目进行分析,确定所要设计的功能;(2)确定设计方案,对设计的模块以及实现顺序要有整体把握;(3)用QuartusII 7.0软件编程完成设计题目所提出的数字电路;(4)对所设计的电路进行功能仿真,对于出现的问题进行修改,直到完成预定的设计目标。下面以一个数字钟电路为例介绍数字电路系统的设计方法。
设计实例,以设计一个数字钟电路为例。
2.1 设计任务
设计一个多功能数字钟,具有小时、分钟、秒计数功能,并在数码管上正常计数显示时、分、秒。以24小时循环计时;具有清零、调节小时和分钟的功能;具有整点报时和花样显示功能。
2.2 设计方案
根据需要设计的数字钟的特点,可以采用层次化设计方法,首先根据其要实现的功能分为几个模块,然后将这些模块组合起来构成整个系统。数字钟电路是由两个60进制计数器分别来完成秒和分钟的计时,由一个24进制计数器来完成小时的计时。秒模块时计时时钟由实验箱上的1Hz信号来提供,然后通过显示模块译码生成段显示的译码信号,通过译码器产生位显示的译码信号,从而实现整个电路的译码显示。通过数据动态扫描显示模块控制显示内容,通过整点报时和花样显示模块控制蜂鸣器到整点的时候鸣叫和LED灯的循环点亮显示。
2.3 电路设计:电路由以下模块组成
(1)计数模块。
整个计数模块包括小时、分钟、秒三个计数单元,是由两个60进制的计数器和一个24进制的计数器的级联来实现的,采用VHDL语言来编程实现。当数字钟开始计数时,秒和分钟的进位位分别作为分钟和小时的计数时钟,最后三个计数器分别生成两位BCD码。当时钟计数有误的时候,可以通过按键setmin和sethour对分钟和小时分别进行调整。小时计时模块仿真图形,如图1所示。秒计时模块仿真图形如图2所示,分钟计数模块与秒类似,此处就不再给出。
(2)数据动态扫描显示模块。
通过输入时钟控制小时、分钟、秒在数码管上动态循环显示。由于当显示频率大于24Hz的时候人的眼睛就感觉不到数码管的闪烁,这样看到的数码管上的显示结果基本上就是同时显示时、分、秒的结果。同时生成段选择信号和位选择信号。
(3)显示译码模块和位译码。
将数据动态扫描显示模块生成的段选择信号和位选择信号,通过显示译码模块将段选择信号根据数码管的段显示原则进行译码,注意段译码的高低位要对应;通过74138将输出的3位的位选择译码信号转化为8位的位选择信号,从而实现对相应的位信号的选择。
(4)整点报时和花样显示模块。
在当数字钟为整点时候,也就是在分计数器输出的BCD码全部为零的时候,通过输入的时钟信号控制扬声器连续响一分钟,同时通过输出的计数信号使LED灯循环点亮。
(5)系统电路综合。
整个数字钟电路采用原理图设计方式,调用之前生成的模块和一些系统自带的元器件,将其连接在一起组成了数字钟电路综合原理图,如图3所示。其中second、minute和hour分别为秒、分、时计数模块;sel_clock为数据动态扫描显示模块。clk和clksp为输入的时钟信号输入端,接时钟信号;setmin和sethour为分钟和小时调节端。alert为整点报时和花样显示模块,speaker为整点报时端,接扬声器,通过时钟信号cksp来控制扬声器的输出,lamp[3..0]接LED彩灯;a[3..0]和b[3..0]、c[3..0]和d[3..0]、e[3..0]和f[3..0]分别为秒、分和时的输出信号,将sel_clock生成的段和位信号通过显示译码模块deled和74138译码器进行段译码和位译码后在8个数码管上显示数据。
2.4 电路硬件测试
为了对设计好的电路进行验证,最后需要将编写好并且通过验证的程序下载到硬件系统上,采用QuartusII 7.0软件进行电路综合以及程序下载。根据电路将管脚锁定好以后,对程序再进行一次全局编译,生成相应的可下载的目标文件,接着将该目标文件下载到硬件箱中,实验箱上的数码管显示计时结果,蜂鸣器和LED彩灯显示整点报时结果。通过观察硬件的显示结果判断电路的设计是否正确。当硬件显示结果出现错误时,可以根据错误的类型来反过来检查电路的设计,并对设计进行相应的修改。
3 结语
EDA技术在现代社会电子工程领域的应用越来越广泛,将EDA技术引入数字电路课程设计中,提高了学生的开发和设计能力,使得他们将课本中所学到的知识得到运用,提高了学生学习的积极性。本文通过数字钟电路的设计,了解了数字电路设计的基本方法,为学生完成课程设计提供了一个较好的示例。
参考文献
[1] 李雪梅.在数字电路教学中引入现代EDA技术[J].物理实验,2004,24(5):28～30.
[2] 李兆光.EDA技术在数字电子技术教学中的应用[J].甘肃科技,2008,24(19):165～167.
[3] 王爱珍.基于MAX+plusⅡ的数字钟的设计与实现[J].长春师范学院学报(自然科学版),2008,27(2):31～35.
[4] 樊永宁,张晓丽.基于VHDL的多功能数字钟的设计[J]．矿工自动化,2006(6):93～94．