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1、EDA课程设计目录1 乘法器设计11.1设计要求11.2设计提示12八位序列检测器设计22.1设计要求22.2 设计提示33 多功能数字钟的设计43.1 设计要求43.2 设计提示55 数字频率计85.1 设计要求85.2 设计提示86 拔河游戏机106.1设计要求106.2设计提示107 洗衣机控制器127.1 设计要求127.2设计提示128 简易音乐播放器158.1设计任务158.2设计提示1517 / 17文档可自由编辑打印1 乘法器设计 1.1设计要求设计一个能进行两个十进制数相乘的乘法器，乘数和被乘数均小于100，通过按键输入，并用数码管显示，显示器显示数字时从低位向高位前移，最低
2、位为当前显示位。当按下相乘键后，乘法器进行两个数的相乘运算，数码管将乘积显示出来。系统框图如图1-1所示。图1-1 乘法器系统框图1.2设计提示表1-1 编码器真值表数据开关电平信号编码器输出K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3、0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 此设计问题可分为乘数被乘数输入控制模块、寄存模块、乘法模块和扫描显示模块几部分。乘数和被乘数的输入仍用数据开关K1-K10分别代表数字1、2、9、0，用编码器对数据开关K1K10的电平信号进行编码，编码器真值表如表1-1所列。用两个数码管显示乘数，两个数码管显示被乘数。设置“相乘”信号mul，当乘数输入完毕后，mul有效使输入的乘数送寄存器模块寄存。再输入被乘数，显示在另两个数码管上。 设置“等于”信
4、号equal，当乘数和被乘数输入后，equal有效，使被乘数送寄存模块寄存，同时启动乘法摸块。两数相乘的方法很多，可以用移位相加的方法，也可以将乘法器看成计数器，乘积的初始值为零，每一个时钟周期将被乘数的值加到积上，同时乘数减一，这样反复执行，直到乘数为零。硬件系统示意图如图1-2所示。图1-2 乘法器硬件系统示意图可参考你们的EDA教材中的乘法器设计。2八位序列检测器设计2.1设计要求 用状态机实现序列检测器的设计，了解一般状态机的设计与应用。 根据下面的提示中相关的原理介绍，设计一个可以检测8位序列数“11010011”的序列检测器，进行文本编辑输入、仿真等，注意脉冲的无抖动处理。2.2
5、设计提示序列检测器可用于检测一组或多组由二进制码组成的脉冲序列信号。当序列检测器连续收到一组串行二进制码后，如果这组码与检测器中预先设置的码相同，则输出1，否则输出0。由于这种检测的关键在于正确码的收到必须是连续的，这就要求检测器必须记住前一次的正确码及正确序列，直到在连续的检测中所收到的每一位码都与预置数的对应码相同。在检测过程中，任何一位不相等都将回到初始状态重新开始检测。若将状态机用于序列检测器的设计比之其他方法更能显示其优越性。这里再举一例从另一侧面说明Moore型机的使用方法。下例描述的电路完成对8位序列数“11010011”的检测，当这一串序列数高位在前(左移)串行进入检测器后，若
6、此数与预置的“密码”相同，则输出1，否则仍然输出0。其中的CLK, DIN, RST和SOUT分别是时钟信号、输入数据、复位信号和检测结果输出。图2-1是对应的仿真波形。另外，由于己打开“状态机萃取”开关，状态参数所设定的数据没有特别的用意和意义。图2-1 时序仿真波形上图的波形显示，当有正确的序列进入时，到了状态s8时，输出序列正确标志SOUT=l。而当下一位数据为0时，即DIN=0，进入状态s3。这是因为这时测出的数据110恰好与原序列数据头3位一致.教材的状态机部分应该有类似的例子可以参考。3 多功能数字钟的设计3.1 设计要求设计一个能进行时、分、秒计时的十二小时制或二十四小时制的数字
7、钟，并具有定时与钟功能，能在设定的时间发出闹铃音，能非常方便地对小时、分钟和秒进行手动调节以校时间，每逢整点，产生报时音报时。系统框图如图3-1所示： 图3-1 多功能数字钟系统框图3.2 设计提示 此设计问题可分为主控电路、计数器模块和扫描显示三大部，主控电路中各种特殊功能的实现设计问题的关键。用两个电平信号A、B进行模式选择，AB=00为模式0，系统为计时状态；AB=01为模式1，系统为手动校时状态；AB=10为模式2，系统为闹钟设置状态。设置一个turn信号，当turn=0时，表示在手动校对时，选择调整分钟部分；当turn=1时，表示在手动校对时，选择调整小时部分。设置一个change信
8、号，在手动校时或闹钟设置模式下，每按一次，计数器加1。设置一个reset信号，当reset=0时，整个系统复位；当reset=1时，系统进行计时或其他特殊功能操作。设置一个闹钟设置信号reset1，当reset1=0时，对闹钟进行设置，当reset1=0时，关闭闹钟信号。设置状态显示信号（连发光二极管）：LD_alert指示是否设置了闹铃功能；LD_h指示当前调整的是小时信号；LD_m指示当前调整的是分钟信号。当闹钟功能设置后（LD_alert=1），系统应启动一个比较电路，当计时与预设闹铃时间相等时，启动闹铃声，直到关闭闹铃信号有效。整点报时部分由分和秒计时同时为0（或60）启动，与闹铃共用
9、一个扬声器驱动信号out。系统计时时钟为clk=1Hz，选择另一时钟clk_lk=1024Hz作为产生闹铃声、报时音的时钟信号。主控电路状态表如表3-1所示。硬件系统示意图如图3-2所示。表 3-1 数字钟主控电路状态表模式选择秒、分、时计数器秒冲输出状态备注resetreset1A BturnLD_hLD_mLD_alert0xx xxx000系统复位1x0 0xclk000系统计时1x0 10change=分计数器加1010手动校时1x0 11change=时计数器加1100111 00change=分计数器加1011设置闹钟111 01change=时计数器加110110x xxx000
10、关闭闹钟图3-2 数字钟硬件系统示意图教材9.6小结可以参考4 数字频率计4.1 设计要求设计一个能测量方波信号频率的频率计，测量结果用十进制显示，测量的频率范围是1100KHz，分成两个频段，即1999Hz，1KHz100KHz，用三位数码管显示测量频率，用LED显示表示单位，如亮绿灯表示Hz，亮红灯表示KHz。具有自动校验和测量两种功能，即能用标准时钟校验测量精度。具有超量程报警功能，在超出目前量程档的测量范围时，发出灯光和音响信号。系统框图如图4-1所示。图 4-1 频率计系统框图4.2 设计提示脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数，其表达式f=N/T，f为被测信号的频率，N为
11、计数器所累计的脉冲个数，T为产生N个脉冲所需的时间，所以在1秒时间内计数器所记录的结果，就是被测信号的频率。此设计问题可分为测量/校验选择模块、计数器模块、送存选择器报警模块、锁存模块和扫描显示模块几部分。测量/选择模块的输入信号为：选择信号selet、被测信号meas、测试信号test，输出信号为CP1，当selet=0时，为测量状态，CP1=meas；当select=1时，为校验状态，CP1=test，校验与测量共用一个电路，只是被测信号CP1不同而已。设置1秒定时信号（周期为2秒），在1秒定时时间内的所有被测信号送计数器输入端。计数器对CP1信号进行计数，在1秒定时结束后，将计数器结果送
12、锁存器锁存，同时将计数器清零，为下一次采样测量做好准备。设置量程档控制开关K，单位显示信号Y，当K=0时，为1999Hz量程档，数码管显示的数值为被测信号频率值，Y显示绿色，即单位为Hz，当K=1时，为1KHz100KHz量程档，被测信号频率值为数码管显示的数值乘以1000，Y显示红色，即单位KHz。设置超出量程档测量范围示警信号alert。计数器由四级十进制计数构成（带进位C）。若被测信号频率小于1KHz（K=0），则计数器只进行三级十进制计数，最大显示值为999.Hz，如果被测信号频率超过此范围，示警信号驱动灯光、扬声器报警；若被测信号为1KHz100KHz（K=1），计数器进行四位十进制
13、计数，取高三位显示，最大显示值为99.9KHz，如果被测信号频率超过此范围，报警。送存选择、报警电路状态表如表4-1所列。表4-1 送存选择、报警电路状态表量程控制计数器锁存小数点位置报警信号KQ40CD3 D2 D1alert001101XX0001Q3 Q2 Q1Q3 Q2 Q1Q4 Q3 Q2Q4 Q3 Q2右第一位右第一位右第二位右第二位0101硬件系统示意图案如图4-2所示。图4-2 数字频率计硬件系统示意图5 拔河游戏机5.1设计要求设计一个能进行拔河游戏的电路。电路使用15个（或9个）发光二极管表示拔河的“电子绳”，开机后只有中间一个发亮，此即拔河的中心点。游戏甲乙双方各持一个按
14、钮，迅速地、不断地按动产生脉冲，谁按得快，亮点向谁方向移动，每按一次，亮点移动一次。亮点移到任一方终端二极管，这一方就获胜，此时双方按钮均无作用，输出保持，只有复位后才使亮点恢复到中心。由裁判下达比赛开始命令后，甲乙双方才能输入信号，否则，输入信号无效。 用数码管显示获胜者的盘数，每次比赛结束自动给获胜方加分。 系统框图如图5-1所示。图5-1 拔河游戏机系统框图5.2设计提示 此设计问题可以分为加/减计数器、译码器和甲乙双方的得分计数器显示电路几部分。设置参赛双方输入脉冲信号in1、in2，用可逆计数器的加、减计数输入端分别接受两路按钮脉冲信号。设置裁判员“开始”信号begin，begin有
15、效后，可逆计数器才接受in1、in2信号。用一个四线-十六线译码器，输出接15个（或9个）发光二极管，设置一个复位信号reset，比赛开始，reset信号使译码器输入为1000，译码后中心处二极管点亮，当计数器进行加法计数时，亮点向右移，减法计数时，亮点向左移。当亮点移到任一方终端时，由控制电路产生一个信号使计数器停止接受计数脉冲。 将双方终端二极管“点亮”信号分别接两个得分计数显示电路，当一方取胜时，相应的得分计数器进行一次得分计数，这样得到双方取胜次数的显示。设置一个记分计数器复位信号reset1，使双方得分可以清零。硬件系统示意图如图5-2所示。 图5-2 拔河游戏机硬件系统示意图6 洗
16、衣机控制器6.1 设计要求设计一个洗衣机洗涤程序控制器，控制洗衣机的电机作如下规律运转：图6-1 洗衣机控制器控制要求用两位数码管预置洗涤时间（分钟数），洗涤过程在送入预置时间后开始运转，洗涤中按倒计时方式对洗涤过程作计时显示，用LED表示电机的正、反转，如果定时时间到，则停机并发出音响信号。 系统框图如图6-2所示。图6-2 洗衣机控制器系统框图6.2设计提示 此设计问题可分为洗涤预置时间编码模块、减法计数显示、时序电路、译码驱动模块四大部分。 设置预置信号LD，LD有效后，可以对洗涤时间计数器进行预置数，用数据开关K1K10分别代表数字1、2、9、0，用编码器对数据开关K1K10的电平信号
17、进行编码，编码器真值表如表6-1所列，编码后的数据寄存。 表6-1 编码器真值表数据开关电平信号编码器输出K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0
18、 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 设置洗涤开始信号start，start有效则洗涤时间计数器进行倒计数，并用数码管显示，同时启动时序电路工作。 时序电路中含有20秒定时信号，10秒定时信号，设为A、B，A、B为“0”表示定时时间未到，A、B为“1”表示定时时间到。 时序电路状态表如表6-2所列。 表6-2 时序电路状态表状态电机时间/SS0S1S2S3正转停止反转停止20102010状态编码为： S0=00 S1=01 S2=11 S3=10 若选JK触发器，其输出为Q2 Q1 逻辑赋值后的状态表如表6-3所列。 表6
19、-3 逻辑赋值后的状态表A BQn2 Qn1Q2n+1 Q1n+1说明0 X1 XX 0X 10 X1 XX 0X 10 00 00 10 11 11 11 01 00 00 10 11 11 11 01 00 0维持S0S0S1维持S1S1S2维持S2S2S3维持S3S3S0设置电机正转信号run，反转信号rev，暂停信号pause，由时序电路的输出Q2Q1经译码驱动模块，可使显示信号正确反映电路的工作状态，译码驱动模块真值表如表6-4所列。 表6-4 译码驱动电路真值表Q2 Q1runrevpause0 00 11 11 0100000100101直到洗涤计时时间到，时序电路异步复位，并启
20、动音响电路。 硬件系统示意图如图6-3所示。图6-3 洗衣机控制器硬件系统示意图7 简易音乐播放器7.1设计任务产生音乐的两个因素是音乐频率和音乐的持续时间，以纯硬件完成演奏电路比利用微处理器（CPU）来实现乐曲演奏要复杂的多如果不借助于功能强大的EDA工具和硬件描述语言，凭借传统的数字逻辑技术，即使最简单的演奏电路也难以实现。根据设计要求，乐曲硬件演奏电路系统主要由数控分频器和乐曲存储模块组成。数控分频器对FPGA的基准频率进行分频，得到与各个音阶对应的频率输出。乐曲存储模块产生节拍控制和音阶选择信号，即在此模块中可存放一个乐曲曲谱真值表，由一个计数器来控制此真值表的输出，而由计数器的计数时
21、钟信号作为乐曲节拍控制信号。7.2设计提示1、音名与频率的关系音乐的十二平均率规定：每两个八度音（如简谱中的中音与高音）之间的频率相差一倍在两个八度音之间，又可分为十二个半音，每两个半音的频率比为4。另外，音名（简谱中的低音）的频率为440Hz，音名B到C之间，E到F之间为半音，其余为全音，由此可以计算出简谱中从低音1到高音1之间每个音名的频率如表1所示.表1 简谱中的音名与频率的关系音名频率/Hz音名频率/Hz音名频率/Hz低音1261.63中音1532.25高音11046.50低音2293.67中音2587.33高音21174.66低音3329.63中音3659.25高音31318.51低
22、音4349.23中音4698.46高音41396.92低音5391.99中音5783.99高音51567.98低音6440中音6880高音61760低音7493.88中音7987.76高音71975.52由于音阶频率多为非整数，而分频系数又不能为小数，故必须将得到的分频数四舍五入取整。若基准频率过低，则由于分频系数过小，四舍五入取整后的误差较大，若基准频率过高，虽然误码差变小，但分频结构将变大。实际的设计应综合考虑两方面的因素,在尽量减小频率误差的前提下取舍合适的基准频率。本例中以4MHz的基准频率为例，若无4MHz的时钟频率，实际上,只要各个音名间的相对品频率关系不变，C作1与D作1演奏出的
23、音乐听起来都不会“走调”。2、控制音长的节拍发生器以“梁祝”片段为例，其最小的节拍为1拍。将1拍的时长定为0.25秒，则只需要再提供一个4Hz的时钟频率即可产生1拍的时长，演奏的时间控制通过ROM查表的方式来完成。对于占用时间较长的节拍，如全音符为4拍（重复4），2/4音符为2拍（重复2），1/4音符为1拍（重复1）。3、附：歌曲名：梁祝00: 3;01: 3;02: 3;03: 3;04: 5;05: 5;06: 5;07: 6;08: 8;09: 8;10: 8;11: 9;12: 6;13: 8;14: 5;15: 5;16:12;17:12;18:12;19:15;20:13;21:1
24、2;22:10;23:12;24: 9;25: 9;26: 9;27: 9;28: 9;29: 9;30: 9;31: 0;32: 9;33: 9;34: 9;35:10;36: 7;37: 7;38: 6;39: 6;40: 5; 41: 5;42: 5;43: 6;44: 8;45: 8;46: 9;47: 9;48: 3;49: 3;50: 8;51: 8;52: 6;53: 5;54: 6;55: 8;56: 5;57: 5;58: 5;59: 5;60: 5;61: 5;62: 5;63: 5;64:10;65:10;66:10;67:12;68: 7;69: 7;70: 9;71:
25、 9;72: 6;73: 8;74: 5;75: 5;76: 5;77: 5;78: 5;79: 5;80: 3;81: 5;82: 3;83: 3;84: 5;85: 6;86: 7;87: 7;88: 6;89: 6;90: 6;91: 6;92: 6;93: 6;94: 5;95: 6;96: 8;97: 8;98: 8;99: 9;100:12;101:12;102:12;103:10;104: 9;105: 9;106:10;107: 9;108: 8;109: 8;110: 6;111: 5;112: 3;113: 3;114: 3;115: 3;116: 8;117: 8;118
26、: 8;119: 8;120: 6;121: 8;122: 6;123: 5;124: 3;125: 5;126: 6;127: 8; 128: 5;129: 5;130: 5;131: 5;132: 5;133: 5;134: 5;135: 5;136: 0;137: 0;138: 0;歌曲名：生日快乐00:13;01:13;02:13;03:13;04:13;05:13;06:13;07:12;08:12;09:10;10:10;11:10;12:10;13:12;14:12;15:12;16:12;17:15;18:15;19:15;20:15;21:13; 22:13;23:12;24
27、:12;25:13;26:13;27:13;28:13;29:13;30:13;31:13;32:13; 33:10;34:10;35:10;36:10;37:12;38:12;39:13;40:13; 41:12;42:12;43:12; 44:12;45:10;46:10;47:10;48:10;49: 8;50: 8;51: 6;52: 6;53:12;54:12; 55:10;56:10;57: 9;58: 9;59: 9;60: 9;61: 9;62: 9;63: 9;64: 9;65: 9; 66: 9;67: 9;68: 9;69: 9;70: 9;71:10;72:10;73:
28、12;74:12;75:12;76:12; 77:12;78:12;79:13;80:13;81:10;82:10;83:10;84:10;85: 9;86: 9;87: 9; 88: 9;89: 8;90: 8;91: 8;92: 8;93: 8;94: 8;95: 8;96: 8;97:12;98:12; 99:12;100:12;101:12;102:12;103:10;104:10;105: 9;106: 9;107: 8;108: 8;109: 6;110: 6;111: 8;112: 8;113: 5;114: 5;115: 5;116: 5;117: 5;118: 5;119:
29、5;120: 5;121: 5;122: 5;123: 5;124: 5;125: 0;126: 0;127: 0;歌曲名：隐形的翅膀00: 10;01: 10;02: 12;03:12;04:15;05:15;06:15;07:15;08:15;09:15;10:15;11:15;12:15;13:15;14:15;15:15;16:13;17:13;18:12;19:12;20:13;21:13;22:15;23:15;24:10;25:10;26: 9;27: 9;28: 8;29: 8;30: 8;31: 8;32: 8;33: 8;34: 8;35:8;36: 8;37: 8;38:
30、15;39:15;40:15; 41:15;42:13;43:13;44:12;45:12;46:10;47:10;48:9;49:9;50: 8;51: 9;52: 9;53: 9;54: 9;55: 9;56: 9;57: 9;58: 9;59: 9;60: 10;61:10;62:12;63:12;64:15;65:15;66:15;67:15;68:15;69:15;70:15;71:15;72:15;73:15;74:15;75:15;76:13;77:13;78:12;79:12;80:13;81:13;82:15;83:15;84:10;85:10;86:9;87:9;88: 8
31、;89: 8;90: 8;91: 8;92: 8;93: 8;94: 8;95: 8;96: 8;97: 8;98:15;99:15;100:15;101:15;102:13;103:13;104:12;105:12;106:10;107:10;108: 9;109: 9;110: 8;111: 8;112: 8;113: 8;114: 8;115: 8;116: 8;117: 8;118: 8;119: 8; 120: 10;121:10;122:12;123:12;124:15;125:15;126:15;127:15;128:15;129:15;130:15;131:15;132:14;
32、133:14;134:14;135:14;136:13;137:13;138:12;139:12;140:13;141:13;142:15;143:15;144:10;145:10;146:9;147:9;148:8;149:8;150:8;151:8;152:8;153:8;154:8;155:8;156:8;157:8;158:15;159:15;160:15;161:15;162:13;163:13;164:12;165:12;166:10;167:10;168:9;169:9;170:9;171:9;172:9;173:9;174:9;175:9;176:8;177:8;178:8;1
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