第8章 復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計

第8章復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計電子設(shè)計自動化（EDA）第8章復(fù)雜數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計132簡易數(shù)字鐘設(shè)計交通燈控制設(shè)計4頻率計設(shè)計5密碼鎖設(shè)計實驗與設(shè)計信號發(fā)生器設(shè)計8.1簡易數(shù)字鐘設(shè)計1、項目設(shè)計要求8.1簡易數(shù)字鐘設(shè)計2、項目設(shè)計思路頂層文件為digital_clock。U1模塊產(chǎn)生1秒的時鐘信號，作為秒計數(shù)模塊的時鐘信號，該模塊由頂層調(diào)用例4.4-7參數(shù)化任意進制加計數(shù)器實現(xiàn)；U2_S、U2_M和U2_H分別代表數(shù)字鐘的秒計數(shù)、分鐘計數(shù)和小時計數(shù)，這三個模塊由頂層調(diào)用三次例4.4-10參數(shù)化的任意進制BCD碼計數(shù)器實現(xiàn)，秒和分鐘計數(shù)默認參數(shù)是60，時鐘計數(shù)參數(shù)為24；U3模塊是頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)，作為后續(xù)動態(tài)顯示電路的位掃描信號；U3_H和U3_L模塊將秒、分和小時輸出的BCD碼動態(tài)掃描顯示出來，由頂層調(diào)用兩次例7.2-2數(shù)碼管動態(tài)顯示電路實現(xiàn)。8.1簡易數(shù)字鐘設(shè)計3、項目顯示結(jié)果4．項目擴展練習（1）秒用LED燈閃爍表示，每秒閃爍一次。（2）通過添加按鍵，實現(xiàn)對數(shù)字鐘秒、分和時校對，可以分別對個位和十位校準。（3）添加蜂鳴器，實現(xiàn)時鐘整點報時及鬧鐘功能。（4）添加年、月和日計數(shù)模塊，實現(xiàn)萬年歷，并能夠使用數(shù)碼管滾動顯示。（5）使用液晶LCD1602對萬年歷進行顯示。8.2交通燈控制設(shè)計1、項目設(shè)計要求（1）主、支路各設(shè)三個LED燈，分別代表紅燈、黃燈、綠燈。（2）主、支路各設(shè)兩個顯示數(shù)碼管，倒計時顯示。（3）信號燈變換次序為：主路綠燈、支路紅燈30秒；主路黃燈、支路紅燈5秒；主路紅燈、支路綠燈20秒；主路紅燈、支路黃燈5秒。8.2交通燈控制設(shè)計2、項目設(shè)計思路頂層文件為traffic_led。U1模塊產(chǎn)生1秒的時鐘信號，作為計數(shù)模塊的時鐘信號，該模塊由頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)；U2模塊是頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)，作為后續(xù)動態(tài)顯示電路的位掃描信號；U5_m模塊和U5_s模塊用來將主路和支路通行/禁行時間顯示出來，由頂層調(diào)用兩次例7.2-2數(shù)碼管動態(tài)顯示電路實現(xiàn)；U4_m模塊和U4_s模塊分別作為主路和支路的通行/禁行時間的減計數(shù)器，當計數(shù)到0時，根據(jù)交通燈不同狀態(tài)設(shè)置初始值，并重新減計數(shù)，由頂層調(diào)用兩次模塊文件timer實現(xiàn)；U3模塊作為主控器狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊，輸出燈的狀態(tài)，同時輸出當前狀態(tài)下減計數(shù)器的初始值，由頂層調(diào)用文件traffic_control實現(xiàn)。8.2交通燈控制設(shè)計3、項目顯示結(jié)果

4．項目擴展練習（1）在黃燈亮起時，每秒閃爍一次。（2）紅燈點亮時，添加蜂鳴器，提醒該路人行道可以使用。（3）添加按鍵，實現(xiàn)對交通燈狀態(tài)的人工切換。（4）添加左轉(zhuǎn)指示和計時，完善相應(yīng)控制狀態(tài)。8.3密碼鎖設(shè)計1、項目設(shè)計要求（1）密碼鎖的初始密碼為“9765”。（2）使用陣列鍵盤進行密碼輸入。（3）采用4位數(shù)碼管顯示輸入的密碼。（4）采用LED燈指示密碼鎖狀態(tài)，閃爍代表密碼錯誤，點亮代表密碼鎖打開。8.3密碼鎖設(shè)計2、項目設(shè)計思路8.3密碼鎖設(shè)計2、項目設(shè)計思路頂層文件為password_lock。U0模塊產(chǎn)生分頻信號，作為按鍵脈沖產(chǎn)生電路的時鐘信號，該模塊由頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)；U1模塊是頂層調(diào)用例7.5-1按鍵脈沖產(chǎn)生電路實現(xiàn)，每次按鍵都會產(chǎn)生一個脈沖；U3模塊是頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)，作為后續(xù)動態(tài)顯示電路的位掃描信號；U4_H模塊顯示輸入密碼鎖密碼，由頂層調(diào)用例7.2-2數(shù)碼管動態(tài)顯示電路實現(xiàn)；U2模塊用來對陣列鍵盤的按鍵進行編碼，由頂層調(diào)用模塊文件key_scan實現(xiàn)；U7模塊為按鍵輸入密碼模塊，用于確定4次按鍵輸入的密碼，由頂層調(diào)用模塊文件password_in實現(xiàn)；U5模塊為密碼比較模塊，用于對比輸入的密碼和初始密碼是否相同，由頂層調(diào)用模塊文件password_compare實現(xiàn)；U6模塊為密碼鎖處理模塊，用于判斷輸入密碼是否正確，通過LED燈指示，密碼正確燈點亮，密碼錯誤燈閃爍，由頂層調(diào)用模塊文件lock_result實現(xiàn)。8.3密碼鎖設(shè)計3、項目顯示結(jié)果

4．項目擴展練習（1）添加密碼重置功能。（2）添加蜂鳴器，區(qū)分指示密碼鎖正常打開、密碼錯誤和報警等。（3）修改數(shù)碼管顯示模塊，能夠指示更多信息，如密碼顯性/隱性顯示，等。（4）添加模塊，完善對鍵盤相應(yīng)功能按鍵的操作。（5）采用液晶LCD1602對密碼鎖相關(guān)操作進行顯示。8.4頻率計設(shè)計1、項目設(shè)計要求測量的頻率范圍是1Hz～9999Hz，用4位數(shù)碼管顯示測量頻率。當測量頻率大于9999Hz時，顯示“EEEE”，表示越限。設(shè)計原理為：在1秒內(nèi)對被測信號的上升沿計數(shù)，計數(shù)器的值就是被測信號的頻率。為了使數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在1秒計數(shù)結(jié)束后，計數(shù)值被鎖存，然后對計數(shù)器清零，為下一次測頻計數(shù)周期做好準備。因此可以先設(shè)計一個周期為4秒的控制電路，其中1秒用于控制計數(shù)器計數(shù)，其余3秒用于數(shù)據(jù)顯示。8.4頻率計設(shè)計2、項目設(shè)計思路本項目頂層文件為freq_meter。U1模塊產(chǎn)生0.5Hz分頻信號，作為對待測頻率信號進行頻率測量的基準信號，該模塊由頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)；U2模塊是頂層調(diào)用例4.4-11參數(shù)化分頻器實現(xiàn)，作為后續(xù)動態(tài)顯示電路的位掃描信號；U5模塊顯示測量頻率，由頂層調(diào)用例7.2-2數(shù)碼管動態(tài)顯示電路實現(xiàn)；U3模塊首先產(chǎn)生一個4秒周期的信號，其中1秒時間內(nèi)進行計數(shù)器計數(shù)，其余3秒時間，計數(shù)器停止計數(shù)，用于數(shù)碼管穩(wěn)定顯示，由頂層調(diào)用模塊文件freq_test實現(xiàn)；U4模塊將頻率測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管顯示的十進制數(shù)據(jù)，通過頂層調(diào)用模塊文件freq_process實現(xiàn)。8.4頻率計設(shè)計3、項目測試通過U1模塊產(chǎn)生對開發(fā)板上25MHz的時鐘信號進行不同的分頻，按鍵key可以改變分頻信號頻率，且分頻后的待測信號頻率通過計算為已知值，將已知的待測信號輸入到頻率計模塊U2中，如果頻率計顯示出的頻率與已知分頻后的信號頻率相同，則驗證了所設(shè)計頻率計的正確性。測試中，按鍵的值對應(yīng)0~15，通過LED燈指示按鍵值，待測的信號由模塊U1通過計數(shù)器的不同輸出端得到不同頻率信號，語句signal=clkdiv[

led+10]描述分頻信號，頻率最大值為25MHz/211

=12207Hz。8.4頻率計設(shè)計4、項目顯示結(jié)果

5．項目擴展練習（1）通過按鍵可改變量程，如×10檔、×100檔，等。（2）修改數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)小數(shù)位顯示，提高精度。（3）添加模塊，可以測量其他波形的頻率。（4）通過液晶LCD1602對頻率計信息進行顯示。8.5信號發(fā)生器設(shè)計1、項目設(shè)計要求使用自制的ROM存儲信號波形數(shù)據(jù)。2、項目設(shè)計思路8.5信號發(fā)生器設(shè)計2、項目設(shè)計思路本設(shè)計由頂層模塊wave_generation和5個子模塊構(gòu)成。U20為正弦信號數(shù)據(jù)模塊，存儲正弦波形的數(shù)據(jù)點，模塊文件sin_wave；U21為方波信號產(chǎn)生模塊，模塊文件square_wave；U22為三角波信號產(chǎn)生模塊，模塊文件triangular_wave；U23為鋸齒波信號產(chǎn)生模塊，模塊文件sawtooth_wave；U1為波形輸出選擇模塊，模塊文件wave_sel。8.5信號發(fā)生器設(shè)計3、項目仿真調(diào)試

4．項目擴展練習（1）通過按鍵控制輸出正弦波、方波、三角波和鋸齒波的切換選擇。（2）通過按鍵可以改變輸出波形的頻率和幅值。（3）添加顯示模塊，顯示波形信息。（4