北邮数电实验

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1、北京邮电大学数字电路与逻辑设计实验报告（实验 2）电子202-赵依然-2018212048 摘要：本次数字电路与逻辑设计实验以初步掌握 VHDL 语言设计简 单的数字电路，并且在QuartusH仿真为目的，加深组合逻辑电路 和时序逻辑电路的基本原理、设计理念、运转方式。关键词:组合逻辑电路 时序逻辑电路VHDL QuartusH仿真一：实验1实验内容11.1.1实验名称：VHDL组合逻辑电路设计-4选1数据选择器1.1.2实验任务要求：用VHDL语言设计实现一个4选1数据选择器，根据地址端的不同取值选择不同的数据端到输出端，仿真验证其功能。1.2电路设计及VHDL代码及注释1.2.1设计原理：

2、利用功能表进行判断。设计数据输入端a3-a0和地 址端sl-sO ,输出端c,当地址端为11时c端输出a3的值，当地址 端为10时c端输出a2的值，当地址端为01时c端输出al的值， 当地址端为00时c端输出a0的值。这样就确定了电路的逻辑。1.2.2 VHDL代码及注释：library ieee;use IEEE.STD_LOGIC_1164.all;use IEEE.STD_LOGIC_arith.all;use ieee.STD_LOGIC_unsigned.all;entity mux4 isport(a：in std_logic_vector(3 downto 0);s：in std

3、_logic_vector(1 downto 0);c：out std_logic);end mux4;architecture mux4_arch of mux4 isbeginprocess(s)begincase s iswhen 00 = cccc=a(3);end case;end process;end;1.3仿真波形图（请放大查看）B01000 mIMnstfir lime3. 0, y19.175 ns1 Lj Pointer105.G nslintRrvfll!166.43 ns汕Ft3 106 us1.4 仿真波形图分析由图可知，当s端地址端输入11, c端输出和a3 一致

4、，s端输入10,c端输出和a2 一致，s端输入01,c端输出和al 一致，s端输入00,c 端输出和 a0 一致。可见设计的逻辑满足要求,仿真正确,电路实 现了4选1数据选择器的功能二：实验2实验内容22.1.1实验名称：VHDL组合逻辑电路设计-共阴极7段数码管译码器2.1.2实验任务要求：用 VHDL 语言设计实现一个共阴极 7 段数码 管译码器,仿真验证其功能,并下载到实验板测试。要求用拨码开关 设定输入信号,7 段数码管显示输出信号。2.2电路设计及VHDL代码及注释abgeda bg fe dc P2.2.1设计原理：我们知道，七段共阴极数码管是这样的，也就是通过点亮各个数码管来实现

5、数字的显示。输入端为a3-a0 ,输出端为b6-b0 （控制7段 数码管用），c7-c0 （用来控制板子上哪个数码管进行显示）。功能表由数码管的原理确定如当输入为0000时，数码管点亮B6 B5 B4 B3 B2 B1,这样就显示出0这个数字。再比如输入为1001时， 数码管点亮B6 B5 B4 B3 B1 B0则点亮9这个数字。如下表所示。 其他情况下则输出高阻。LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_arith.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_unsigned.ALL;entity qiduan

6、isport(a:in std_logic_vector(3 downto 0); b:out std_logic_vector(6 downto 0);c:out std_logic_vector(7 downto 0);-控制显示板子上哪个数码管end qiduan;architecture qiduanyima of qiduan isbeginprocess(a)beginc b b b b b b b b b b b=ZZZZZZZ;-输出高阻 end case;end process;end qiduanyima;2.3 仿真波形图（请放大查看）33JCTHTQL HMdbter

7、Tlmr：2JZ右為1 乩E M.* | Rainie r15.77 UfiiBtervAl:I5.T5 11DSlHrt：DI. IQWOILOUO1吐 山 H.3-fci Liim2.4 仿真波形图分析：由图可知，当输入端输入0000时，可输出b端1111110 ,即在数 码管上显示数字0 ，输入0000-1001都可显示真值表中相应的输出， 可显示对应的数字。当不在这个输入的范围内，输出高阻。同时c端 一直输出 01111111，即使用板子上第一个数码管器。由分析可知， 设计的逻辑满足要求，仿真正确，电路实现了共阴极 7 段数码管译 码器的功能。三：实验3实验内容33.1.1 实验名称：

8、VHDL 组合时序电路设计-分频器3.1.2 实验任务要求：用 VHDL 语言设计实现一个分频系数为10，分频输出信号占空比为50% 的分频器，仿真验证设计。3.2电路设计及VHDL代码及注释3.2.1 设计原理：分频系数为10.输出信号占空比为50%，则可用一个时钟信号elk , 异步置零信号clear作为输入端，elkout作为输出端，定义一个信号 temp，异步置零时信号为0,同时传递给输出端。当异步置零时信 号不为0时，则利用一个eount变量进行计数。Count小于4时， 则 eount 遇到上升沿变加一，记录上升沿变化，同时信号保持原来 状态不变。当等于4时，则使信号发生翻转，贝e

9、lkout也发生变化， 同时count置零，重新开始计数。这样满5个上升沿就让elkout变 化一次，实现了10分频功能，同时还实现了占空比为50%的功能。3.2.2VHDL代码及注释library ieee;use ieee.std_logie_1164.all;use ieee.std_logie_unsigned.all;entity div10 isport(elk,elear:in std_logie;elkout:out std_logie);end div10;arehiteeture div of div10 issignal temp:std_logie;beginproce

10、ss(clk,clear)variable count:integer range 0 to 9;beginif clear=0 thentemp=clear;-异步置零elsif(clkevent and clk=1) thenif(count=4) thencou nt:=0;-计数器count从0到了 4则置零，重新计数temp= not temp;-信号翻转else count:=count+1;end if;end if;end process;clkout=temp;end;3.3波形图仿真（请放大查看）3.4 波形图仿真结果分析 由仿真结果可以看到,该电路实现了每经过 5 个时钟

11、的上升沿才会进 行一次信号的翻转，即频率变为原来的十分之一。同时低电平和高电 平保持的时间均占一个周期内的百分之五十，实现了占空比为 50%。同时，当外部clear置0则信号置0,实现了异步复位。由分析可知， 设计的逻辑满足要求，仿真正确，电路实现了分频系数为 10、信号 占空比为 50%、带异步复位的分频器功能。四：实验 4实验内容44.1.1 实验名称：VHDL组合时序电路设计-带异步复位8421十进制计数器4.1.2实验任务要求：用 VHDL 语言设计实现一个带异步复位的 8421 码十进制计数器，仿真验证其功能。4.2电路设计及VHDL代码及注释4.2.1 设计原理设计一个外部的Clk

12、时钟信号，clear异步复位信号，作为输入端， c3-cO作为输出信号，用一个信号temp，当clear置0时让temp 也置0,同时将temp传输给c3-c0输出。当clear处于高电平则看 是否有上升沿，当遇到上升沿，temp加1,将temp传到输出端， 当temp到9时，表示已经经过10个数，则temp置0,即实现十 进制计数,满 9 后归 0。将 temp 传递到输出端时,利用 conv_std_logic_vector(,)函数将temp从0-9的整型转化为4位二 进制数。这样就实现了带异步复位的8421十进制计数器。4.2.2 VHDL代码及注释library ieee;use i

13、eee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;entity count8421 isport(clk,clear:in std_logic;c :out std_logic_vector (3 downto 0);end count8421;architecture count of count8421 is signal temp:integer range 0 to 9;beginprocess(clk)beginif clear=0 thentemp=0;elsif(clkevent and clk=1) thenif (temp

14、=9) then temp=0;-满9置0else temp=temp+1;end if;end if;end process;c351国町114.,0 QE1毀 p 1%.f M伺 9 l as欧 p vsp usus曲ir.Tjuuuuuuuinjuuuinnrjuuiuuuuuin血ruuu；RRpui” rmjunnnnimjuir. rxnnjujuuuuuuuinnruuuuuuuuLTuuuumnnrnllLlOi：i k0ILC4L1J1laalLlI$LL1KD)MLllidXILS1431KlILjlLJQUOXO IlQLiDI.CILJILn5.4 仿真波形图结果分析

15、由仿真波形图可知，每 10 个时钟上升沿，数码管输出从 1111110 到 1111011（即 0-9）循环发生变化，同时当异步置位端为0 时， 输出 11111110）即数字0 ，实现了异步置0的功能。可知，上述的 电路实现了10分频器、8421十进制计数器、数码管译码器的功能， 设计的逻辑满足要求，仿真正确，实现了所要求的功能。六：故障问题及分析1. 故障：图形法设计顶层文件时，出现管脚未定义的情况。这是因为，在顶层的工程文件夹中，需要我们把各个模块的VHDL文件 加进去才可以实现引脚成功定义。2. 在采用图形法设计时，有时出现引脚未定义的情况。原因：必须 让粗线所连接的两端格式完全一样，

16、包括性质，位数宽度。如果 是连接输入或输出时，要把相应的输入或输出的名字修改成要连 接的信号名字即可，但必须是完全一样， 包括中括号“”“”， 数字的顺序，以及数字之间的两个点“.”3. 编译过程中出现多次单词打错的情况导致编译久久不能完成。如 architecture这个词，前后多次打错，导致编译不通过。这告诉 我们编程时需要注意自己的英语功底，多背单词。4. 信号在赋值的时候产生了编译错误。原因是将信号设置为Std_logic 格式，而后面就不能将信号直接设置成0，因为只有integer整形才能进行0或者1这样的赋值。解决方法: 将信号赋值为另一个信号即可，不能赋值为整形的数。5. 编程时

17、要注意每个讦process都要用end结尾。If要在process 中进行。6. 进行仿真时要注意截取至少一个周期的过程，最好再多一些，否 则仿真结果不完整。7. 注意信号是=变量是：=，否则会出现编译错误8. 注意 process 里的敏感信号，当检测到这个信号发生变化时进行 处理，如果相应的敏感信号不对的话，则做不到相应的信号变化 时做出反应。9. 编译时不要出现中文符号。七：总结和结论在本次实验中，我将五个实验要求的功能都实现了出来，包括4选1 数据选择器，共阴极 7 段数码管译码器，带异步复位 8421 十进制 计数器，分频系数为 10，分频输出信号占空比为 50% 的分频器， 以及将

18、分频器、计数器和数码管译码器 3 个电路进行连接，实现一 个加 1 的计数器，并在数码管上显示计数结果。通过这次实验，我更好的了解了组合逻辑电路和时序逻辑电路的组成 原理和特点，以及如何使用 VHDL 语言对其进行描述。在一系列的 设计、编程、测试、纠错和改进过程中，我获益匪浅，掌握了 Quartus 这个软件进一步的使用方法，以及 VHDL 语言的语法特性，并进行 相应的仿真，并结合图形法等方法进行元件之间的组合。运用理论课 上的知识，对所求元件进行了相应的功能设计，然后开始了相应代码 的编写。在编写过程中，遇到了很多关于 VHDL 语言的困扰，经过 不断的调整和适应，终于掌握了相关的语法规则。因为 VHDL 语言 只关心它的功能而不需要去详细描述电路的内部结构，使得描述起来 较为简单。同时，将数字电路理论课的知识运用到实际的实验设计中， 既培养了动手能力，又加深了我对课堂知识的理解。 八：参考文献