四位二进制减计数器概要.docx
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四位二进制减计数器概要
成绩评定表
学生姓名
班级学号
120306
专业
通信工程
课程设计题目
四位二进制减计数器
评
语
组长签字:
成绩
日期
2014年7月15日
课程设计任务书
通信工程
信息科学与工程学院
实践教学要求与任务:
1、了解数字系统设计方法
2、熟悉VHDL语言及其仿真环境、下载方法
3、熟悉Multisim环境
4、设计实现四位二进制减计数器(缺1001,1010)
工作计划与进度安排:
第一周熟悉Multisim环境及QuartusH环境,练习数字系统设计方法,包括采用触发器设计和超高速硬件描述语言设计,体会自上而下、自下而上设计方法的优缺点。
第二周在QuartusH环境中用VHDL语言实现四位二进制减计数器(缺
1001,1010)显示结果波形,并下载到目标芯片上,在实验箱上观
察输出结果。
在Multisim环境中仿真实现四位二进制减计数器(缺1001,1010),并通过虚拟器验证其正确性。
摘要
QuartusII是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(AlteraHardwareDescriptionLanguage等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整
PLD设计流程。
Multisim是InteractiveImageTechnologies(ElectronicsWorkbench公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
Multisim为用户提供了丰富的元器件,并以开放的形式管理元器件,使得用户能够自己添加所需要的元器件。
在Quartusll8.1软件中,建立名为wq的工程,用四位二进制减法计数器的VHDL语言实现了四位二进制减法计数器的仿真波形图,同时进行相关操作,锁定了所需管脚,将其下载到实验箱。
在Multisim软件中,通过选用四个时钟脉冲下降沿触发的JK触发器和同步
电路,画出其时序图,卡诺图,建立相关方程,做出相关计算,完成四位二进制减法计数器(缺1001,1010)的驱动方程。
在Multisim软件里画出了四位二进制减法计数器的逻辑电路图。
分析由红绿灯的亮灭顺序及状态,和逻辑分析仪里出现波形图,证明四位二进制减法计数器设计成功。
关键字:
VHDL语言;四位二进制减计数器;QUARTUSII;Multisim
1.课程设计目的
2.设计框图.
3.实现过程.
3.1QUartuS实现过程.
3.1.1建立工程
3.1.2VHDL源程序
3.1.3波形仿真
3.1.4引脚锁定与下载
3.1.5仿真结果分析.
3.2MULTISIM实现过程
3.2.1求驱动方程
3.2.2画逻辑电路图.
3.2.3逻辑分析仪的仿真
3.2.4结果分析
4.总结.
5.参考文献
11
12
13
14
15
1.了解四位二进制减法计数器的工作原理和逻辑功能;
2.学会用VHDL语言对计数器进行编译和仿真;
3.掌握Quartusll的使用方法;
4.掌握Multisim的使用方法。
2.设计框图
状态转换图是描述时序电路的一种方法,具有形象直观的特点,即其把所用触发器的状态转换关系及转换条件用几何图形表示出来,十分清新,便于查看。
在本课程设计中,四位二进制同步减法计数器用四个CP下降沿触发的JK触发器实现,其中有相应的跳变,即跳过了10011010两个状态,这在状态转换图中可以清晰地显示出来。
具体结构示意框图和状态转换图如下:
CP
四位二进制同步减法计数器
C
输入减法计数脉冲
输出进位信号
A:
结构示意框图
(缺1001,1010)
B:
状态转换图
3.实现过程
3.1.QuartusH实现过程
3.1.1建立工程
创建一个新工程。
点击Next,
(1)点击File->NewProjectWizard
>IFau比
mjM
图2是否添加文件
图3设备选择
(4)点击Next,系统显示如图4,提示是否需要其他EDA工具,这里不选
任何其他工具;
NewProjectWizjfd:
_EDA4of51
EpecfytheotherEDA也口1呂“inadditionIolheQualusII呂□Hw日re・・usedwkhlheproiecl.
DesignEntry/S5 —Simulation Toolname-j r口rm^; 厂rrtnp.^ctionELionahc吕b二临已『CQuipitlio: -TirrrgAnalyag Toalname-jdJone、 厂akj? 忙曲iMtonri'icaib弍Z-uippMiDn 图4是否需要其他EDA工具 (5)点击Next后,系统提示创建工程的各属性总结,若没有错误,点击 Finish,工程创建向导将生成一个工程,在窗口左侧显示出设备型号和该工程的 基本信息等; 糾nAemii CHnrv 图5创建工程的各属性总结 3.1.2VHDL源程序libraryIEEE; useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; entitywqis port(CP,r: instd_logic; q: outstd_logic_vector(3downto0));endwq; architecturebehavioralofwqis signalcount: std_logic_vector(3downto0); begin process(cp,r) begin ifr='0'thencountv="1111"; elsifcp'eventandcp='1'thenifcount="1011"then countv="1000"; elsecount<=count-1;ifcount="0000"thencountv="1111"; elsecount<=count-1; endif; endif; endif; endprocess; q<=count; endbehavioral; 3.1.3波形仿真 VHDLFile, (1)点击File->New创建一个设计文件,选择设计文件的类型为 如图6; J-ITS--'E1P 3a■: *■5他0t.©喩心u 图6创建设计文件 M4JM 图7编辑程序 (3)点击Processing->StartCompilation编译该文件,系统将开始编译,结束后, 给出提示信息和编译结果,如图8所示; J_ MM h和■旺wA3“峠|U|k*吨k'旳IEI|\、沁F区ACJ^杠"flkzd5«悴《碱13LwFHaiu^DdHI-创±1|l.“ Rrhkti.piT»Fl 图9建立时序仿真文件 (6)出现的界面中,在Name空白处击右键,InserttInsertNodeorBus单击 *0■■■•■O・]] ,再单击MTOQOK并对其进行仿真,如图10 NodeFinder...亠 ,单击所示; Qgurhn.L-r/wq^^-g-p^wkmi]jvwPl "0柝・EditMmRijvctA■■可ETHrti*»«■■书FodiVlh^vl-kdpIjQd口OdF •|WH 耳阿尹华好心二"弋畑BO*辔谕心U Ehlnr lllZAEn 矗: pJ— 1二・•范 4ni r h rrd T14« Tulff hZ-r・^p»fLLfah・i4 V"'■►la■ASpvllBBIL #申・ril'-irfrJ-Ki4lolfJ 丿Jj-►UMihu1J.bJC.学 V申1・^LnijcAmIti-i 七klUhcLinBm"•T>xr.h-mgr.hru H-」! r RA 4Ll> ? mBQM W9m W9ml«3仃 |W3仃 1唧TT i«3"1 英规 iHri npu 制1 J D CH CT AD EH IQq hM M ^^3 nr AD ■» — KP- ■1 h P 4 ■1 —1 p 31DH. Hniu Mnw ]dE>: LDdflsJl^Llvie*e&E.g小Jt^dLujlDCPCrtd-4E-||4 H*EC_ur: CmciAdEHad>crDcr"g|L^dLUjlCtt^CUd.illmt4thiO-■止hEE_ur: CmciAdEHad>■: rt^^r"gfJ : 川: 工a沁黑4二1-CuLtd. *EuL*d. -CuLtd. ・EuLkJ. b^Lxciudh^jibtwa HE lUEHEUE Iddd-jCH.UlBTEKl.Uiitiltil,UlHEKl. PCrtd-4E HodlUE 4E HollUE Mb-qU|-UHM,imii,burSIH■q[3|■ZEi3jf■laari.wlurt-qUi-U.etM»tiltli,bjraui・q[! l|・&1"3丫ua-Ri■ 貝Up»im&EaMaPmhC加Ir^kmg扎7",h占t™k2iHi>gd牡比t j到到 ■门 图10仿真 (7)仿真结果,如图11所示; (8)仿真后存盘 3.1.4引脚锁定与下载 各引脚的锁定如表1所示: 信号名称 引脚 cp 28 q3 101 q2 100 q1 99 qO 98 r 53 表1锁引脚 引脚的锁定和下载分别如图12和图13所示: FiltEdit FudiSwu- 1Oncm lALltbl I担EM 1]瘁Lb^d1 ntwv*d 1亠 ] ■*CP |riM PJM_SS ] flljll ix5-vLmtefcwo 3 <*才可 RDCK 4 Bd_Ni I生*¥Umt缺faJ勺j 3 a朝 PTh_» 斗 B4_N1 3.3-^LVTn啊Mjq』 呛.41 斗 *q[l] P」M_Kn + qE^iXi 斗 41 X亠T ni amh-iH J. ] □JUH 1IM1irm盅 e"Al* 1 : MwnndF g: [SisJ mgE*XjJIFIN.墊 [NUMI iFarH呻口,pmsFl 图12锁引脚 mPni(r«s: Mode|jTAe 厂Er-stfcimJ-i™fcPIp-jIwbsd^EwdrHD^^ffTirraflfciMAXIIdwicwl 曲5ib btyi" EPlCffl? *? ClrHKsUsetcede QQMartuiU-Pj/wq/wq-wq-|**qcbflFile-EditProort^inglookWindow DNH? FFFFFFFF 血ElppI出diAoDrtet: I 3牙占此: 1・・I Ctf上ddDcMcg-I FarHdp,prwsFl 艸罔 0□□口□口□ [[NUM[ 图13下载 3.1.5仿真结果分析 仿真波形图可以看出减法计数器的工作过程: 由1111起依次递减,最后减至0000后再由1111起进行下一个周期的循环,其中缺少1001,1010两个状态。 当复位键复位后,回到1111重新开始循环。 3.2Multism实现过程 3.2.1求驱动方程 选择四个时钟脉冲下降沿触发的JK触发器,因要使用同步电路,所以时钟方程应该为CP0-CR=CP2=CP3=CP (1)求状态方程 由所示状态图可直接画出如表2所示电路次态qFQ;*Qn^QQ的卡诺图,再分解开便可以得到如表3(a)(b)(c)(d)所示各触发器的卡诺图。 \Q1nQ0n q3 00 01 11 10 00 1111 0000 0010 0001 01 0011 0100 0110 0101 11 1011 1100 1110 1101 10 0111 XXXX 1000 XXXX 表2次态Q;十Q2勺Qin中qF的卡诺图 由上述卡诺图可求出Q? 十、Q;十、Qin十、Qon*表达式如下所示: \Q1nQ0n QaQ2\^^ 00 01 11 10 00 二 0 0 0 01 0 0 0 0 11 1 10 0 X 表3(a)Q3n十的卡诺图 \QnQ0n Q3Q? \^ 00 01 11 10 00 \7 0 0 0 01 0 11 0 10 X 0 X 表3(b)Q;卅的卡诺图 Qa 00 01 11 10 00 0 n 0 01 1[ 0 H 0 11 I1 0 w 0 10 v7 X 0 X 表3(C)qL的卡诺图 \^Q1nQ0 Q3q2^\^ 00 01 11 10 00 0 0 / 01 J 0 0 r 11 7 0 0 V 10 X 0 JL 表3(d)Q防的卡诺图 根据卡诺图进行相应化简即得到状态方程,如下: ◎十1 cm+QnQn+QnQnQnQn cT Qnon+gn+QnQnQn Qn^1 QnQn+QnQnQn+ qT Qn (2) 求驱动方程 由于JK触发器的特性方程为Qn+ =JQn+KQn 用状态方程与特性方程做比较,可得对应驱动方程,如下: 3.2.2 画逻辑电路图 根据所选用的触发器和时钟方程、输出方程、驱动方程,便可以画出如图14所示的逻辑电路图 323逻辑分析仪的仿真 逻辑分析仪显示的波形如图15所示: 检查电路能否自启动: 把无效状态1001和1010带入输出方程和和状态方程进行计算,结果如下: 1010——上__、1001——CJ—->0000 由此可见,在CP操作下都能回到有效状态,即电路能够自启动。 3.2.4结果分析 Multism是一种虚拟仪器,可以用来验证电路的设计的正确性。 根据相关计算,得出时序电路的时钟方程、状态方程、驱动方程,从而选择合适触发器来连接实现。 本设计中,选用四个时钟脉冲下降沿触发的JK触发器来实现四位二进 制减法计数器。 逻辑电路图中,四个小红灯即为显示器,灯亮表示“1”,灭表 示“0”,从而达到计数目的。 由于其中缺了1001,1010两种状态,所以在计数过程中会发生跳变,即先从1011跳到1000,再由0000直接跳回到1111,周而复始。 逻辑分析仪类似于Quartusn环境下的波形仿真,是对计数器的另一种直观的描述。 其中,高电平表示“1”,低电平表示“0”,也可以对计数器的功能进行测试及检验。 4.总结 在本次数字电路课程设计中,我花了较多的时间查阅资料,进行反复练习使我对二进制减法计数器掌握得更加熟练。 这对我以后学习相关的课程以及进行更高层次的数字电路设计都奠定了不错的基础。 在设计过程中,出现了各种各样的问题,有些是单一原因引起的,有的是综合原因引起的,这些都很考验我的毅力与坚持。 但是我掌握了研究这类问题的方法,即问题解决的过程就是要从问题所表现出来的情况出发,通过反复推敲,作出相应判断,逐步找出问题的症结所在,从而一举击破。 对于数字电路设计,尤其在使用Multism进行逻辑电路的连接与分析时,这种分析解决问题的能力就更为重要。 要在复杂的电子器件和密密麻麻的连线中找出头绪来,并不是一件很容易的事情。 往往要重新再来一次,但是这样的问题就出在计算上,尤其是在化简卡诺图时,务必小心谨慎,一个字符写错或者漏掉一些信息,就会导致驱动方程错误,逻辑电路就不能实现最初的设计功能。 在学习过《数字电路技术基础简明教程》之后,我已经算是掌握了一定的数字电路设计的基础以及相应的分析方法、实践能力以及自学能力。 虽然遇到了不少问题,但是在向老师和同学请教的学习过程中,我又改正了不少错误的认识,对数字电路的设计与分析方法的掌握也有了一定的提高,我相信这些知识与经验对以后的学习会有极大的帮助。 5.参考文献 1.《数字电子技术基础简明教程》(第三版)高等教育出版社余孟尝主编; 2.《数字集成电子技术教程》高等教育出版社李世雄,丁康源主编; 3. 2001。 《数字逻辑与硬件描述语言实验指导书》沈阳理工大学信息学院技术中心王东明,喻红婕,吴迪主编; 4.《VHDL实用教程》.潘松,王国栋,西安: 电子科技大学出版社,
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