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數(shù)字電路與邏輯設(shè)計實驗姓名***學院信息與通信工程學院專業(yè)信息工程班級***學號****班內(nèi)序號***實驗一一、實驗名稱和實驗任務(wù)規(guī)定實驗內(nèi)容:QuartusII原理圖輸入法設(shè)計與實現(xiàn)。實驗目的:熟悉用QuartusII原理圖輸入法進行電路設(shè)計和仿真。掌握QuartusII圖形模塊單元的生成與調(diào)用。熟悉實驗板的使用。實驗任務(wù)規(guī)定:用邏輯門設(shè)計實現(xiàn)一個半加器,仿真驗證其功能,并生成新的半加器圖像模塊。用實驗內(nèi)容1中生成的半加器模塊和邏輯門設(shè)計實現(xiàn)一個全加器,仿真驗證其功能,并下載到實驗板上測試。規(guī)定用撥碼開關(guān)設(shè)定輸入信號,發(fā)光二極管顯示輸出信號。用3線—8線譯碼器(74LS138)和邏輯門實現(xiàn)函數(shù)F=(/??)(/??)(/??)+(/??)??(/??)+??(/??)(/??)+??????,仿真驗證其功能,并下載到實驗板測試。規(guī)定用撥碼開關(guān)設(shè)定輸入信號,發(fā)光二極管顯示輸出信號。二、原理圖半加器模塊和邏輯門設(shè)計實現(xiàn)的全加器:三、仿真波形圖及分析電路實現(xiàn)了全加器的功能。全加器是實現(xiàn)兩個1位二進制數(shù)及低位來的進位相加求得和數(shù)及向高位進位的邏輯電路。由其原理可得邏輯表達式:sum=ain⊕bin⊕cincout=(ain⊕bin)cin+ain*bin。列出真值表:輸入輸出ainbincincoutsum0000000101010010111010001101101101011111仿真波形對比真值表,可以看出波形圖與理論值完全符合。四、故障及問題分析1、問題:按照邏輯表達式連接了全加器電路后,仿真波形很亂。解決方法:思考后知道了應(yīng)當把輸入信號依次設(shè)成2的n次方,這樣的仿真波形清楚容易分析。2、問題:把代碼下載到板子上的過程中,進行到37%的時候停了,等了2分鐘也沒繼續(xù)下載。解決方法:再次重連USB嘗試下載,手緊握著接線口,下載成功了,分析也許是接線口接觸不好。實驗二一、實驗名稱和實驗任務(wù)規(guī)定實驗內(nèi)容:用VHDL設(shè)計與實現(xiàn)組合邏輯電路。實驗目的:熟悉用VHDL語言設(shè)計組合邏輯電路的方法。熟悉用QuartusII文本輸入法進行電路設(shè)計。實驗任務(wù)規(guī)定:用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)一個4位二進制奇校驗器,輸入奇數(shù)個‘1’時,輸出為‘1’,否則輸出‘0’,仿真驗證其功能,并下載到實驗板測試。規(guī)定用撥碼開關(guān)設(shè)定輸入信號,發(fā)光二極管顯示輸出信號。用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)一個8421碼轉(zhuǎn)換為余3碼的代碼轉(zhuǎn)換器,仿真驗證其功能,并下載到實驗板測試。規(guī)定用撥碼開關(guān)設(shè)定輸入信號,發(fā)光二極管顯示輸出信號。用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)一個共陰極7段數(shù)碼管譯碼器,仿真驗證其功能,并下載到實驗板測試。規(guī)定用撥碼開關(guān)設(shè)定輸入信號,7段數(shù)碼管顯示輸出信號。二、VHDL代碼奇校驗器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYjijiaoyanqiISPORT(A:STD_LOGIC;B:STD_LOGIC;C:STD_LOGIC;D:STD_LOGIC;F:OUTSTD_LOGIC);ENDjijiaoyanqi;ARCHITECTUREoneOFjijiaoyanqiISSIGNALn1,n2:STD_LOGIC;BEGINn1<=AXORB;n2<=n1XORC;F<=n2XORD;--異或,A⊕B⊕C⊕DENDone;8421碼轉(zhuǎn)余3碼LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYbasizhuanyu3ISPORT(A:INSTD_LOGIC_VECTO(shè)R(3DOWNTO0);B:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0));ENDbasizhuanyu3;ARCHITECTUREzhuanyu3OFbasizhuanyu3ISBEGINPROCESS(A)BEGINCASEAISWHEN"0000"=>B<="0011";WHEN"0001"=>B<="0100";WHEN"0010"=>B<="0101";WHEN"0011"=>B<="0110";WHEN"0100"=>B<="0111";WHEN"0101"=>B<="1000";WHEN"0110"=>B<="1001";WHEN"0111"=>B<="1010";WHEN"1000"=>B<="1011";WHEN"1001"=>B<="1100";WHENOTHERS=>B<="ZZZZ";ENDCASE;ENDPROCESS;ENDzhuanyu3;數(shù)碼管譯碼器LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYshumaguanyimaqiISPORT(A:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);B:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);C:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));ENDshumaguanyimaqi;ARCHITECTUREshumaOFshumaguanyimaqiISBEGINPROCESS(A)BEGINC<="011111";CASEAISWHEN"0000"=>B<="1111110";--0WHEN"0001"=>B<="0110000";--1WHEN"0010"=>B<="1101101";--2WHEN"0011"=>B<="1111001";--3WHEN"0100"=>B<="0110011";--4WHEN"0101"=>B<="1011011";--5WHEN"0110"=>B<="1011111";--6WHEN"0111"=>B<="1110000";--7WHEN"1000"=>B<="1111111";--8WHEN"1001"=>B<="1111011";--9WHENOTHERS=>B<="ZZZZZZZ";ENDCASE;ENDPROCESS;ENDshuma;三、故障及問題分析1、問題:代碼寫好以后編譯出現(xiàn)錯誤,Error(10568):VHDLerroratjijiaoyanqi.vhd(17):can'twritetointerfaceobject"partout"ofmodeIN,由于報錯指到了第17行F<=n2XORD;導致我開始的時候沒意識到這是哪里的錯誤。解決方法:在百度查了以后發(fā)現(xiàn)是F:OUTSTD_LOGIC);這句我寫成了F:INSTD_LOGIC);以后要注意少犯這些馬虎的錯誤。2、問題:把代碼下載到板子上的過程中,再次出現(xiàn)了第一節(jié)課出現(xiàn)的下載停止的問題,再次嘗試后也沒有下載成功,第三次接線的時候等了好久,HardwareSetup窗口也沒有顯示有硬件接入。解決方法:換了一臺電腦嘗試然后成功了,我覺得也許是兩個因素,一是我反復操作導致軟件反映時間長,二是我本來用的電腦接口連接不好。實驗三一、實驗名稱和實驗任務(wù)規(guī)定實驗內(nèi)容:用VHDL設(shè)計與實現(xiàn)時序邏輯電路。實驗目的:熟悉用VHDL語言設(shè)計時序邏輯電路的方法。熟悉用QuartusII文本輸入法進行電路設(shè)計。實驗任務(wù)規(guī)定:用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)一個分頻系數(shù)為12,分頻輸出信號占空比為50%的分頻器。規(guī)定在QuartusII平臺上設(shè)計程序并仿真驗證設(shè)計。用VHDL語言設(shè)計實現(xiàn)一個帶異步復位的8421碼十進制計數(shù)器,仿真驗證其功能,并下載到實驗板測試。規(guī)定用按鍵設(shè)定輸入信號,發(fā)光二極管顯示輸出信號。將(1)、(2)和數(shù)碼管譯碼器3個電路進行連接,并下載到實驗板顯示計數(shù)結(jié)果。二、模塊端口說明及連接圖整個電路輸入端:時鐘信號clk,復位鍵clr。分頻器及計數(shù)器的端口連接:復位鍵clr作為分頻器復位鍵clr1、8421十進制計數(shù)器復位鍵clr2;時鐘信號clk作為分頻器的時鐘信號clk1,分頻器輸出CLK_OUT1作為8421十進制計數(shù)器的時鐘信號clk2;計數(shù)器的輸出Q[0,1,2,3]作為數(shù)碼管譯碼器的輸入a[0,1,2,3]。整個電路輸出端:b[0,1,2,3,4,5,6],分別相應(yīng)7段數(shù)碼管;c[0,1,2,3,4,5],分別相應(yīng)6個數(shù)碼管譯碼器。三、VHDL代碼(1)8421十進制計數(shù)器:LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYZY8421shijinzhiIS?PORT(CLK2,CLR2:INSTD_LOGIC; Q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO(shè)0));ENDZY8421shijinzhi;ARCHITECTUREbehaveOFZY8421shijinzhiIS SIGNALQ_temp:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);?BEGIN ?PROCESS(CLK2,CLR2)??BEGIN ? IFCLR2='1'THENQ_temp<="0000";???ELSIFCLK2'EVENTANDCLK2='1'THEN??? IFQ_temp="1001"THENQ_temp<="0000"; ?ELSEQ_temp<=Q_temp+1; ENDIF; ?ENDIF; ENDPROCESS;?Q<=Q_temp;ENDbehave;(2)分頻器:LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYdiv_50MIS PORT(CLK1,CLR1:INSTD_LOGIC; CLK_OUT1:OUTSTD_LOGIC);ENDdiv_50M;ARCHITECTUREbehaveOFdiv_50MIS SIGNALtemp:INTEGERRANGE0TO(shè)24999999; SIGNALclkout:STD_LOGIC;?BEGIN? PROCESS(CLK1,CLR1) ?BEGIN? IFCLR1='1'THENtemp<=0; ?ELSIFCLK1'EVENTANDCLK1='1'THEN????IFtemp=24999999THENtemp<=0;clkout<=NOTclkout;? ? ELSEtemp<=temp+1; ENDIF; ??ENDIF; ENDPROCESS; ?CLK_OUT1<=clkout;ENDbehave;(3)將分頻器、8421十進制計數(shù)器和數(shù)碼管譯碼器3個電路的連接電路LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYfunction3IS?PORT(CLK,CLR:INSTD_LOGIC;??b:OUTSTD_LOGIC_VECTO(shè)R(6DOWNTO0); ?c:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0));ENDfunction3;ARCHITECTUREa1OFfunction3ISCOMPONENTdiv_50M--調(diào)用分頻器和計數(shù)器兩個元件? PORT(CLK1,CLR1:INSTD_LOGIC;?? CLK_OUT1:OUTSTD_LOGIC); ENDCOMPONENT;?COMPONENTZY8421shijinzhi PORT(CLK2,CLR2:INSTD_LOGIC; Q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO(shè)0)); ENDCOMPONENT;SIGNALa:STD_LOGIC_VECTO(shè)R(3DOWNTO0);SIGNALclkin:STD_LOGIC;BEGIN u1:div_50MPORTMAP(CLK1=>CLK,CLR1=>CLR,CLK_OUT1=>clkin);?u2:ZY8421shijinzhiPORTMAP(CLK2=>clkin,CLR2=>CLR,Q=>a);?PROCESS(a) BEGIN? c<="110111";--左數(shù)第三個數(shù)碼管亮??CASEaIS?? WHEN"0000"=>b<="1111110";--0 WHEN"0001"=>b<="0110000";--1???WHEN"0010"=>b<="1101101";--2 ?WHEN"0011"=>b<="1111001";--3 WHEN"0100"=>b<="0110011";--4 WHEN"0101"=>b<="1011011";--5???WHEN"0110"=>b<="1011111";--6 ? WHEN"0111"=>b<="1110000";--7 ? WHEN"1000"=>b<="1111111";--8 ?WHEN"1001"=>b<="1111011";--9 ? WHENOTHERS=>b<="1111110";--0? ENDCASE;?ENDPROCESS;END;四、仿真波形圖及分析分析仿真波形圖可知,c為110111,左數(shù)第三個數(shù)碼管亮;數(shù)碼管譯碼器循環(huán)顯示0到9這10個數(shù)字;復位信號CLK是高電平有效,從波形中看出CLR=1時輸出b=1111110,數(shù)碼管顯示數(shù)字0。五、故障及問題分析1、問題:分頻器代碼編譯成功后準備下載到板子上,在準備設(shè)立端口時,出現(xiàn)了這個跟之前不同樣界面,沒辦法下載代碼。解決方法:后來發(fā)現(xiàn)是最開始的時候,器件設(shè)立有問題,應(yīng)當按照書上講的在Availabledevices欄選擇EPM11270T144C5這個型號。前兩次實驗都沒有犯這個錯誤,我結(jié)識到我不應(yīng)當忽視前面的必要環(huán)節(jié),某個小細節(jié)的不注意也許會導致重做整個項目。2、問題:把(3)的代碼寫好后編譯出現(xiàn)錯誤,Error(10313):VHDLCaseStatementerroratfunction3.vhd(30):CaseStatementchoicesmustcoverallpossiblevaluesofexpression。解決方法:后來我檢查發(fā)現(xiàn)是窮舉法中的也許情況里忘了寫WHENOTHERS=>b<="0000000";這一行,導致情況涉及不完全而報錯。3、問題:仿真波形中b的顯示類似亂碼,并不是預想的二進制碼。解決方法:老師講解后知道了應(yīng)當在CountValue選項中的Radix欄選擇Binary。實驗四一、實驗名稱和實驗任務(wù)規(guī)定實驗內(nèi)容:用VHDL設(shè)計與實現(xiàn)相關(guān)電路。實驗目的:掌握VHDL語言的語法規(guī)范,掌握時序電路描述方法。掌握多個數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示的原理及設(shè)計方法。實驗任務(wù)規(guī)定:用VHDL語言設(shè)計并實現(xiàn)六個數(shù)碼管串行掃描電路,規(guī)定同時顯示“班號—班內(nèi)序號”這6個數(shù)字圖形到6個數(shù)碼管,仿真驗證其功能,并下載到實驗板測試。用VHDL語言設(shè)計并實現(xiàn)六個數(shù)碼管滾動顯示電路。循環(huán)左滾動,始終點亮6個數(shù)碼管,左出右進。狀態(tài)為:124-17,24-171,4-1712,-17124,17124-,7124-1,124-17。模塊端口說明及連接圖輸入端:clk時鐘信號輸出端:partout[0,1,2,3,4,5,6],分別相應(yīng)7段數(shù)碼管;catout[0,1,2,3,4,5]:分別相應(yīng)6個數(shù)碼管譯碼器三、VHDL代碼(1)同時顯示“班號—班內(nèi)序號”這六個數(shù)字圖形到6個數(shù)碼管libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityZY12417isport(clk:instd_logic;partout:outstd_logic_vector(6downto0);cat(yī)out:outstd_logic_vector(5downto0));endZY12417;architectureaofZY12417issignalpart:std_logic_vector(6downto0);signalcat:std_logic_vector(5downto0);signaltempclk:std_logic;signalcount:integerrange0to1999;--為便于仿真,仿真圖相應(yīng)代碼將分頻改成了50constantM:integer:=1999;beginp1:process(clk)begin if(clk'eventandclk='1')then? ifcount=Mthen ? count<=0; ??tempclk<=nottempclk;? else ?count<=count+1; endif; endif;endprocessp1;p2:process(tempclk)begin if(tempclk'eventandtempclk='1')then??casecatis??when"111110"=>cat<="011111";part<="0110000";--1 when"011111"=>cat(yī)<="101111";part<="1101101";--2??when"101111"=>cat<="110111";part<="0110011";--4? when"110111"=>cat<="111011";part<="0000001";---??when"111011"=>cat<="111101";part<="0110000";--1 when"111101"=>cat<="111110";part<="1110000";--7? whenothers=>cat<="011111";part<="0110000";--1 ?endcase;?endif;endprocessp2;cat(yī)out<=cat;partout<=part;enda;(2)滾動顯示電路(選做)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYgundongxianshiISPORT(clk,clear:INSTD_LOGIC;catout:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO(shè)0);partout:OUTSTD_LOGIC_VECTO(shè)R(5DOWNTO0));ENDgundongxianshi;ARCHITECTUREaOFgundongxianshiISSIGNALcat:STD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALpart:STD_LOGIC_VECTOR(5DOWNTO0);SIGNALcnt,cnt1:INTEGERRANGE0TO11;SIGNALtmp:INTEGERRANGE0TO15999;SIGNALclk1:STD_LOGIC;BEGINp0:PROCESS(clk,clear)BEGINIFclear='0'THENtmp<=0;ELSIFclk'EVENTANDclk='1'THENIFtmp=15999THENtmp<=0;ELSEtmp<=tmp+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp0;p1:PROCESS(tmp)BEGINIFclk'EVENTANDclk='1'THENIFtmp<1000THENclk1<='0';ELSEclk1<='1';ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp1;p2:PROCESS(clk)BEGINIF(clk'EVENTANDclk='1')THENIF(cnt=11)THENcnt<=0;ELSEcnt<=cnt+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp2;p3:PROCESS(clk1)BEGINIF(clk1'EVENTANDclk1='1')THENIF(cnt1=11)THENcnt1<=0;ELSEcnt1<=cnt1+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESSp3;p4:PROCESS(cnt,cnt1)BEGINIF(clear='0')THENcat<="0000000";ELSECASEcnt+cnt1ISWHEN6=>cat<="0110000";WHEN7=>cat<="1101101";WHEN8=>cat<="0110011";WHEN9=>cat<="0000001";WHEN10=>cat(yī)<="1101101";WHEN11=>cat<="1101101";WHENOTHERS=>cat(yī)<="0000000";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESSp4;catout<=cat;p5:PROCESS(cnt)BEGINIF(clear='0')THENpart<="111111";ELSECASEcntISWHEN0=>part<="011111";WHEN1=>part<="101111";WHEN2=>part<="110111";WHEN3=>part<="111011";WHEN4=>part<="111101";WHEN5=>part<="111110";WHENOTHERS=>part<="111111";ENDCASE;ENDIF;ENDPROCESSp5;partout<=part;ENDa;仿真波形圖及分析同時顯示“班號—班內(nèi)序號”這六個數(shù)字圖形到6個數(shù)碼管分析仿真波形圖可知,數(shù)碼管譯碼器從左到右依次顯示124-17:從左邊數(shù),第一個數(shù)字catout=011111相應(yīng)partout=0110000,數(shù)碼管顯示數(shù)字1;第二個數(shù)字catout=101111相應(yīng)partout=1101101,數(shù)碼管顯示數(shù)字2;第三個數(shù)字catout=110111相應(yīng)partout=0110011,數(shù)碼管顯示數(shù)字4;第四個數(shù)字catout=111011相應(yīng)partout=0000001,數(shù)碼管顯示符號“—”;第五個數(shù)字catout=111101相應(yīng)partout=0110000,數(shù)碼管顯示數(shù)字1;第六個數(shù)字catout=111110相應(yīng)partout=1110000,數(shù)碼管顯示數(shù)字7;當頻率足夠大,掃描速度不久時,人眼將能看到連續(xù)穩(wěn)定的124-17的圖像。在實驗室實際測試時,下載
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