电子技术课程设计指导书 (试行版) 崔国玮胡晓莉王凤英 内蒙古科技大学信息工程学院 专业基础部 2011年3月
电子技术课程设计指导书 （试行版） 崔国玮 胡晓莉 王凤英 内蒙古科技大学信息工程学院 专业基础部 2011 年 3 月
实验题目 实验成绩 教师签字 实验1 实验2 实验3 实验4 实验5
实验题目 实验成绩 教师签字 实验 1 实验 2 实验 3 实验 4 实验 5
前 言 电子设计自动化(EDA)是将计算机技术应用于电子设计过程而形成的一门新技 术，它的发展给数字系统的设计带来了革命性的变化。随着可编程器件的迅速发展和 推广使用，应用EDA技术开展数字系统的设计已是大势所趋，掌握EDA技术也就成 为电子技术工作者必备的素质。因此，十分有必要在高等学校电子技术课程的教学中 引入EDA技术的内容。基于这种情况，信息工程学院王建国教授主持开发了数字电 路的EDA实验开发系统(BTGY一EDA实验开发系统)。编写这本教材目的就是为了 向学生介绍EDA技术，并普及使用这个实验开发系统。 本书内容分为5个部分，第1部分内容介绍了EDA技术和应用QuartusI软件设 计电路的基本步骤。QuartuslI是EDA技术的软件之一，简明易学，有广泛的使用基 础。第2部分内容是数字系统的基本设计实验，使学生对数字电子技术课程中介绍的 组合逻辑电路和时序逻辑电路有更深层次的理解。第3部分内容是数字系统的提高性 实验。它可以作为数字电子技术课程设计的部分题目。这些设计题目循序渐进、由易 到难，通过这些设计可以让学生将数字系统的有关知识融合贯通，深刻体会一个数字 系统从纸上谈兵到实际应用的设计过程。第4部分是针对不同专业的学生给出了一些 相对较复杂的设计系统，供学生参考，使感兴趣的学生通过相应题目的练习提高对 EDA技术的了解。第5部分将详细介绍BTGY一EDA实验开发系统。通过数字电子 技术的课程设计，可以让学生在EDA实验开发系统上“亲手”制造数字系统的一个个单 元电路，加深对数字电路基础理论的认识，为后续工作打下坚实的基础。 BTGY一EDA实验开发系统的资源十分丰富，它不仅可以满足基础的数字电路的 设计和实验要求，还可以进行较复杂的数字系统设计开发与验证。而本书仅是在数字 电子技术基础方面做了一些肤浅尝试。 由于编者水平有限，书中难免存在错误和遗漏，殷切希望读者批评指正，我们期 待着您将使用过程中所遇到的问题、处理方法和成功经验告诉我们，以便及时修订或 增补，使本书日臻完善。 编者 2011年3月22
I 前 言 电子设计自动化（EDA）是将计算机技术应用于电子设计过程而形成的一门新技 术，它的发展给数字系统的设计带来了革命性的变化。随着可编程器件的迅速发展和 推广使用，应用 EDA 技术开展数字系统的设计已是大势所趋，掌握 EDA 技术也就成 为电子技术工作者必备的素质。因此，十分有必要在高等学校电子技术课程的教学中 引入 EDA 技术的内容。基于这种情况，信息工程学院王建国教授主持开发了数字电 路的 EDA 实验开发系统（BTGY—EDA 实验开发系统）。编写这本教材目的就是为了 向学生介绍 EDA 技术，并普及使用这个实验开发系统。 本书内容分为 5 个部分，第 1 部分内容介绍了 EDA 技术和应用 QuartusII 软件设 计电路的基本步骤。QuartusII 是 EDA 技术的软件之一，简明易学，有广泛的使用基 础。第 2 部分内容是数字系统的基本设计实验，使学生对数字电子技术课程中介绍的 组合逻辑电路和时序逻辑电路有更深层次的理解。第 3 部分内容是数字系统的提高性 实验。它可以作为数字电子技术课程设计的部分题目。这些设计题目循序渐进、由易 到难，通过这些设计可以让学生将数字系统的有关知识融合贯通，深刻体会一个数字 系统从纸上谈兵到实际应用的设计过程。第 4 部分是针对不同专业的学生给出了一些 相对较复杂的设计系统，供学生参考，使感兴趣的学生通过相应题目的练习提高对 EDA 技术的了解。第 5 部分将详细介绍 BTGY—EDA 实验开发系统。通过数字电子 技术的课程设计，可以让学生在 EDA 实验开发系统上“亲手”制造数字系统的一个个单 元电路，加深对数字电路基础理论的认识，为后续工作打下坚实的基础。 BTGY—EDA 实验开发系统的资源十分丰富，它不仅可以满足基础的数字电路的 设计和实验要求，还可以进行较复杂的数字系统设计开发与验证。而本书仅是在数字 电子技术基础方面做了一些肤浅尝试。 由于编者水平有限，书中难免存在错误和遗漏，殷切希望读者批评指正，我们期 待着您将使用过程中所遇到的问题、处理方法和成功经验告诉我们，以便及时修订或 增补，使本书日臻完善。 编 者 2011 年 3 月 22
目录 第一部分概论 第1章EDA技术和硬件描述语言】 1.IEDA技术的发展及其优越性 1.2硬件描述语言一VHDL语言 第2章FPGA开发工具使用 2.1 MaxplusII概述 2.2 OuartusⅡ软件概述 2.3文本输入的设计过程 2.4原理图输入设计方法 15 第二部分基本性实验 23 实验1基本逻辑门电路的VHDL设计 23 实验2组合逻辑电路的VHDL设计 25 实验3时序逻辑电路的VHDL设计， 32 实验4 Quartusll的原理图设计和层次化设计 37 实验5算术运算电路的VHDL设计. 41 实验6LPM的调用方法 .43 第三部分提高性实验 44 实验1抢答器时间鉴别系统的设计 44 实验2电子表设计. 46 实验3霓虹灯控制系统的设计 48 第四部分开发性实验 50 实验1简易频率测量计的设计 .50 实验2利用D/A转换器和计数器实现三角波设计 52 实验3简易信号发生器设计 .53 实验4简易电子琴的设计 实验5利用状态机设计自动售货机控制系统， 56 实验6自动绕线机数字系统 实验7 ASK/FSK/PSK调制与解调的设计. .59 实验8URAT(通用异步收发器)的设计 62 第五部分BTYG-EDA实验开发系统简介 .64 I.BTYG-EDA实验开发系统特点 64 Ⅱ.BTYG一EDA实验开发系统资源介绍. .64 Ⅲ.主芯片引脚与外部硬件连接关系」 65
II 目录 第一部分 概论.1 第 1 章 EDA 技术和硬件描述语言.1 1.1 EDA 技术的发展及其优越性.1 1.2 硬件描述语言—VHDL 语言.1 第 2 章 FPGA 开发工具使用.4 2.1 MaxplusII 概述.4 2.2 QuartusII 软件概述.4 2.3 文本输入的设计过程.5 2.4 原理图输入设计方法. 15 第二部分 基本性实验. 23 实验 1 基本逻辑门电路的 VHDL 设计. 23 实验 2 组合逻辑电路的 VHDL 设计. 25 实验 3 时序逻辑电路的 VHDL 设计. 32 实验 4 QuartusII 的原理图设计和层次化设计. 37 实验 5 算术运算电路的 VHDL 设计. 41 实验 6 LPM 的调用方法. 43 第三部分 提高性实验. 44 实验 1 抢答器时间鉴别系统的设计. 44 实验 2 电子表设计. 46 实验 3 霓虹灯控制系统的设计. 48 第四部分 开发性实验. 50 实验 1 简易频率测量计的设计. 50 实验 2 利用 D/A 转换器和计数器实现三角波设计. 52 实验 3 简易信号发生器设计. 53 实验 4 简易电子琴的设计. 55 实验 5 利用状态机设计自动售货机控制系统. 56 实验 6 自动绕线机数字系统. 58 实验 7 ASK/FSK/PSK 调制与解调的设计. 59 实验 8 URAT（通用异步收发器）的设计 . 62 第五部分 BTYG-EDA 实验开发系统简介. 64 Ⅰ. BTYG—EDA 实验开发系统特点. 64 Ⅱ. BTYG—EDA 实验开发系统资源介绍 . 64 Ⅲ. 主芯片引脚与外部硬件连接关系. 65
第一部分概论 第1章EDA技术和硬件描述语言 1.1EDA技术的发展及其优越性 电子设计自动化EDA)是将计算机技术应用于电子设计过程而形成的一门新技 术，它是以高性能的计算机为工具，在EDA辅助软件平台上，对以图形输入、硬件 描述语言HDL输入为系统逻辑描述手段，形成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑 化简、罗相综合及优化、罗辑仿真，支特对特定目标芯片的适配编译、逻相映射和病 程下载等工作。用EDA技术设计电路，不仅能大幅度缩短产品开发周期、降低成本 而且能最大限度地将设计资源应用到产品设计的各个过程和生产、管理的各个阶段中， 保证设计出来的产品在性能、可靠性上适合工业化生产的各个方面 早期在设计电路过程中，需要用到大量不同的逻辑器件，而不菲的价格让一些中 小企业和个人爱好者望而却步，思路只能想想而不能实践：现在EDA的实现与 CPLD/FPGA技术的迅速发展紧密的联系在一起，各大芯片厂商纷纷推出自己的大规 模和超大规模FPGA/CPLD产品：与此相适应，世界各大EDA公司亦相继推出各种高 性能的EDA工具软件。这样在EDA工具的帮助下，应用相应的FPGA/CPLD器件， 设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，即硬件功能的软 件化，整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效，很容易就可以得到最 后的设计结果，对设计者硬件知识和硬件经验要求较低。这使得电子电路进入了一个 崭新的时代，可以说未来的电子技术将是一个EDA的时代。 目前EDA技术在数字系统的自动化设计软硬件方面都已经比较成熟，应用的普 及程度也已比较高。而模拟电子系统的EDA正在进入试用。 我校的电子设计自动化(EDA)实验教学的目标定位在系统地、科学地培养学生 的实际动手能力、理论联系实际的能力、工程设计能力与创新意识，是我校面向21 世纪电工电子课程体系改革和电工电子教学基地建设教学改革的研究成果。它反映了 我国当前在数字实验教学体系、内容和方法上的改革思路和教学水平，使学生能尽快 掌握现代电子设计自动化技术的新方法、新工具和新手段。 1.2硬件描述语言一VHDL语言 1.VHDL语言概述 EDA技术以图形输入、硬件描述语言HDL输入为系统逻辑描述手段，其中VHDL 是使用最普遍的一种硬件描述语言，VHDL语言的全称是“超高速集成电路硬件描述语 言”(VHSIC Hardware Description Language),是一种符合IEEE标准的高级硬件行为 描述语言，其最大特点是借鉴高级程序设计语言的功能特性对电路的行为与结构进行 高度抽象化、规范化的形式描述，并对设计进行不同层次、不同领域的模拟验证与综 1
1 第一部分 概论 第 1 章 EDA 技术和硬件描述语言 1.1 EDA 技术的发展及其优越性 电子设计自动化(EDA)是将计算机技术应用于电子设计过程而形成的一门新技 术，它是以高性能的计算机为工具，在 EDA 辅助软件平台上，对以图形输入、硬件 描述语言 HDL 输入为系统逻辑描述手段，形成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑 化简、逻辑综合及优化、逻辑仿真，支持对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编 程下载等工作。用 EDA 技术设计电路,不仅能大幅度缩短产品开发周期、降低成本， 而且能最大限度地将设计资源应用到产品设计的各个过程和生产、管理的各个阶段中， 保证设计出来的产品在性能、可靠性上适合工业化生产的各个方面 。 早期在设计电路过程中，需要用到大量不同的逻辑器件，而不菲的价格让一些中 小企业和个人爱好者望而却步，思路只能想想而不能实践；现在 EDA 的实现与 CPLD/FPGA 技术的迅速发展紧密的联系在一起，各大芯片厂商纷纷推出自己的大规 模和超大规模 FPGA/CPLD 产品；与此相适应，世界各大 EDA 公司亦相继推出各种高 性能的 EDA 工具软件。这样在 EDA 工具的帮助下，应用相应的 FPGA/CPLD 器件， 设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，即硬件功能的软 件化，整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效，很容易就可以得到最 后的设计结果，对设计者硬件知识和硬件经验要求较低。这使得电子电路进入了一个 崭新的时代，可以说未来的电子技术将是一个 EDA 的时代。 目前 EDA 技术在数字系统的自动化设计软硬件方面都已经比较成熟，应用的普 及程度也已比较高。而模拟电子系统的 EDA 正在进入试用。 我校的电子设计自动化（EDA）实验教学的目标定位在系统地、科学地培养学生 的实际动手能力、理论联系实际的能力、工程设计能力与创新意识，是我校面向 21 世纪电工电子课程体系改革和电工电子教学基地建设教学改革的研究成果。它反映了 我国当前在数字实验教学体系、内容和方法上的改革思路和教学水平，使学生能尽快 掌握现代电子设计自动化技术的新方法、新工具和新手段。 1.2 硬件描述语言—VHDL 语言 1．VHDL 语言概述 EDA 技术以图形输入、硬件描述语言 HDL 输入为系统逻辑描述手段，其中 VHDL 是使用最普遍的一种硬件描述语言，VHDL 语言的全称是“超高速集成电路硬件描述语 言”（VHSIC Hardware Description Language），是一种符合 IEEE 标准的高级硬件行为 描述语言，其最大特点是借鉴高级程序设计语言的功能特性对电路的行为与结构进行 高度抽象化、规范化的形式描述，并对设计进行不同层次、不同领域的模拟验证与综