数字电压表设计-硬件课程设计.doc

1、东北石油大学课 程 设 计2 课 程 硬件课程设计 题 目 数字电压表设计 院 系 计算机 术学院 专业班级 学生姓名 学生学号 1 指导教师 东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称 硬件课程设计题目名称 数字电压表设计学生姓名序号 评价项目 指 标（优秀） 满分 评分1 选题难度选题难度较高，或者对原题目进行了相当程度的改进。 102工作量、工作态度和出勤率工作量饱满，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 103 课程设计质量按期圆满的完成了规定的任务，方案设计合理，思考问题全面，系统功能完善。 404 报告质量问题论述思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备

2、正确。 305 回答问题在进行课程设计程序系统检查时，能正确回答指导教师所提出的问题。 106 创新（加分项）工作中有创新意识，对前人工作有改进或有应用价值。在进行系统检查时能对创新性进行说明，并在报告中有相应的论述。+5总分评语：指导教师： 年 月 日东北石油大学课程设计任务书课程 硬件课程设计题目 数字电压表设计专业 计 主要内容、基本要求等一、主要内容：利用 EL 教学实验箱、微机和 Quartus软件系统，使用 VHDL 语言输入方法设计数字钟。可以利用层次设计方法和 VHDL 语言，完成硬件设计设计和仿真。最后在 EL 教学实验箱中实现。二、基本要求：1、 A/D 转换接口电路的设计

3、，负责对 ADC0809 的控制。2、 编码转换电路设计，负责把从 ADC0809 数据总线中读出的电压转换成 BCD码。3、 输出七段显示电路的设计，负责将 BCD 码用 7 段显示器显示出来。三、扩展要求1. 当测量结束后，蜂鸣器鸣响 10 声。 按照规范写出论文，要求字数在 4000 字以上，并进行答辩。论文内容包括概述（学习、调研、分析、设计的内容摘要） 、EDA 技术的现状和发展趋势、对EL 教学实验箱和 Quartus软件的掌握程度、数字钟的设计过程（包括原理图或程序设计、编译、仿真分析、硬件测试的全过程） ，论文中含有原理图、程序、仿真波形图及其分析报告。完成期限 2 周 指导教

4、师 专业负责人 年 月 日目录第 1 章 概述 .11.1 引言 .11.2 EDA 简介 .21.3 VHDL 简介 .31.4 Quartus II 简介 .4第 2 章 数字电压表的系统分析 .52.1 设 计 目 的 .52.2 功能说明 .52.3 实验原理 .52.4 系统硬件 .5第 3 章 数字电压表设计 .63.1 总体框图 .63.2 状态机 .63.2.1 采样状态机结构框图 .63.2.2 VHDL代码 .73.3 转换 BCD 码 .93.3.1模拟输入电压与输出电压的对应关系 .93.3.2 VHDL代码 .103.4 七段显示电路 .123.4.1 VHDL代码

5、.123.5 顶程设计 .143.5.1 VHDL代码 .15第 4 章 数字电压表的测试与运行 .174.1 数字电压表的编译与仿真 .174.1.1数字电压表的编译 .174.1.2数字电压表的逻辑电路图 .17.184.1.3数字电压表的功能仿真图 .184.2 数字电压表的适配与测试 .194.2.1 引脚适配 .194.2.2 试验箱结果 .20结论 .21参考文献 .221第 1章 概述1.1 引言数字电压表（Digital Voltmeter）简称 DVM，是诸多数字化仪表的核心与基础。以数字电压表为核心扩展成的各种数字化仪表，几乎覆盖了电子电工测量、工业测量、自动化系统等各个领

6、域。它是采用数字化测量技术，把连续的模拟量（直流输入电压）转换成不连续、离散的数字形式并加以显示的仪表，它是诸多数字化仪表的核心与基础。电压表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示,这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法, 避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字电压表的内部核心部件是 A/D 转换器, 转换器的精度很大程度上影响着数字电压表的准确度。 随着计算机与微电子技术的发展，电子设计自动化 EDA 领域已成为电子技术发展的主体，数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积小、重量轻的方向发展。推动该潮流发展的引擎，就是日趋进步和完善的 FPGA（Field

7、 Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）设计技术。而电子设计自动化，是将计算机软件、硬件、微电子技术交叉运用的现代电子设计学科，其中 EDA 设计语言中的 VHDL 语言是一种快速的电路设计工具，功能涵盖了电路描述、电路合成、电路仿真等三大电路设计工作。 该数字电压表的电路设计，正是用 VHDL 语言完成的。此次设计主要应用美国 Altera 公司自行设计的一种 CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）软件工具，即 Quartus II 软件。 数字电压表出现在 50 年代初，60年代末发展起来的电压测量仪表，它采用的是数字化测

8、量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测量仪表的产生和发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦琐和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。21.2 EDA简介EDA 是电子设计自动化（Electroni

9、c Design Automation）的缩写，在 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA 技术就是以计算机为工具，设计者在 EDA 软件平台上，用硬件描述语言 HDL 完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作 1。EDA 技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可行性，减轻了设计者的劳动强度。20 世纪 90 年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子

10、电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如 CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了 EDA 技术的迅速发展 2。EDA 在通信行业（电信）里的另一个解释是企业数据架构，EDA 给出了一个企业级的数据架构的总体视图，并按照电信企业的特征，进行了框架和层级的划分。 EDA 在教学、科研、产品设计与制造等各方面

11、都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了 EDA 课程。主要是让学生了解 EDA 的基本概念和基本原理、掌握用 HDL 语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用 EDA 工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如 multiSIM、PSPICE ）和 PLD 开发工具（如 Altera/Xilinx 的器件结构及开发系统） ，为今后工作打下基础3。现在对 EDA 的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有 EDA 的应用。目前 EDA 技术已在各大公司、企事业

12、单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到 EDA 技术。从目前的 EDA 技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。31.3 VHDL简介VHDL 全名 Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language,诞生于 1982 年。 1987 年底，VHDL 被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。自 IEEE-1076（简称 87 版)之后，各 EDA 公司相继推出自己的 VHDL 设计环境，或宣布自己的设计工具可

13、以和 VHDL 接口。1993 年，IEEE 对 VHDL 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展 VHDL的内容，公布了新版本的 VHDL，即 IEEE 标准的 1076-1993 版本，简称 93 版。VHDL 和 Verilog 作为 IEEE 的工业标准硬件描述语言，得到众多 EDA 公司支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。VHDL 翻 译 成 中 文 就 是 超 高 速 集 成 电 路 硬 件 描 述 语 言 ， 主 要 是 应 用 在 数字 电 路 的 设 计 中 。 目 前 ， 它 在 中 国 的 应 用 多 数 是 用 在 FPGA/CPLD/EPL

14、D的 设 计 中 。 当 然 在 一 些 实 力 较 为 雄 厚 的 单 位 ， 它 也 被 用 来 设 计 ASIC5。与其他硬件描述语言相比，VHDL 具有以下特点：(1) 功 能 强 大 、 设 计 灵 活(2) 支 持 广 泛 、 易 于 修 改(3) 强 大 的 系 统 硬 件 描 述 能 力(4) 独 立 于 器 件 的 设 计 、 与 工 艺 无 关(5) 很 强 的 移 植 能 力(6) 易 于 共 享 和 复 用优 势 :(1)与 其 他 的 硬 件 描 述 语 言 相 比 ， VHDL 具 有 更 强 的 行 为 描 述 能 力 ， 从 而决 定 了 他 成 为 系 统 设

15、 计 领 域 最 佳 的 硬 件 描 述 语 言 。 强 大 的 行 为 描 述 能 力 是 避开 具 体 的 器 件 结 构 ， 从 逻 辑 行 为 上 描 述 和 设 计 大 规 模 电 子 系 统 的 重 要 保 证 。(2)VHDL 丰 富 的 仿 真 语 句 和 库 函 数 ， 使 得 在 任 何 大 系 统 的 设 计 早 期 就 能查 验 设 计 系 统 的 功 能 可 行 性 ， 随 时 可 对 设 计 进 行 仿 真 模 拟 。 (3) VHDL 语 句 的 行 为 描 述 能 力 和 程 序 结 构 决 定 了 他 具 有 支 持 大 规 模 设 计的 分 解 和 已有 设

16、 计 的 再 利 用 功 能 。 符 合 市 场 需 求 的 大 规 模 系 统 高 效 ， 高 速 的 完 成 必 须有 多 人 甚 至 多 个 代 发 组 共 同 并 行 工 作 才 能 实 现 。 (4)对 于 用 VHDL 完 成 的 一 个 确 定 的 设 计 ， 可 以 利 用 EDA 工 具 进 行 逻 辑综 合 和 优 化 ， 并 自 动 的 把 VHDL 描 述 设 计 转 变 成 门 级 网 表 。 (5)VHDL 对 设 计 的 描 述 具 有 相 对 独 立 性 ， 设 计 者 可 以 不 懂 硬 件 的 结 构 ，也 不 必 管 理 最 终 设 计 实 现 的 目 标

17、 器 件 是 什 么 ， 而 进 行 独 立 的 设 计 。41.4 Quartus II简介Quartus II 是 Altera 公司的综合性 PLD 开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL 以及 AHDL（Altera Hardware Description Language）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。Quartus II 可以在 XP、Linux 以及 Unix 上使用，除了可以使用 Tcl 脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点

18、。 Quartus II 设计流程如图 11 所示:布局布线综合设计输入编程和配置仿真时序分析AAAAAAAAnalysis时序逼近功耗分析工程更改管理调试图 11 Q uartus II 设 计 流 程5第 2章 数字电压表的系统分析2.1设 计 目 的1.本次实验通过 vhdl 硬件语言编写 ADC0809 模数转换器的控制程序。2.掌握控制原理,并进一步掌握采用有限状态机产生控制信号的原理。3.掌握十六进制转十进制的运算方法。5.掌握 vhdl 的编程思路。2.2功能说明1.具有数字管显示当前电压值的功能。2.具有复位功能。2.3实验原理在同一 EPLD 芯片 EPF10K10 上集成了如下电路模块：1数字电压表的实现。2模拟电压量通过电位器进行改变。3把 ADC0809A/D 转换器进行采集。4. 通过转换器内部的功能实现把电压模拟量转化为数字量的过程。5. 按照单片机所给的地址，ADC0809 芯片把已经转化好的数据传入到单片机中。6. 在单片机里通过原件程序设计实现对数字电压表量程的控制。2.4系统硬件1可变直流电平输出电路。2A/D0809。3七段显示器。4EPF10K10LC84-4 适配器。