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EDA技术实验书

EDA技术

实验指导书

包明编

重庆工学院

2002.9.1

EDA技术实验指导书

目录

（一）.引言

（二）.实验系统介绍

（三）.基于电子工作平台（EWB）的实验

实验一．直流电路中电流和电压的测量

实验二．戴维南及诺顿等效电路

实验三．一阶动态电路分析

实验四．共发射极放大电路分析

实验五．功率放大器特性仿真

实验六．整流滤波及负载特性分析

（四）.基于可编程逻辑器件的实验

实验七.表决电路的设计

实验八.组合逻辑电路的设计

实验九.译码显示电路

实验十.计数器及时序电路

实验十一.多波形发生器

实验十二.点阵显示

（五）.数字系统实验

实验十三.数字钟

实验十四.模拟信号的检测

实验十五.智能竞赛裁判系统

实验十六.十字路口交通控制器

（六）.附录—FPGA与周围资源I/O接口对照表

（一）引言

EDA技术是随着集成电路和计算机技术的飞速发展应运而生的一种高级、快速、有效的电子设计自动化工具。

它贯穿于电子系统设计开发的全过程，旨在帮助电子设计人员在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至PCB（印刷电路板）的自动设计。

在EDA技术中，最为瞩目的是以现代电子技术为特征的逻辑设计仿真测试技术。

该技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从不同层次的性能特点上，进行一系列准确测试和仿真。

高速发展的可编程逻辑器件又为EDA技术的不断进步奠定了坚实的物理基础，给电子系统的设计带来了革命性的变化，特别是高速发展的CPLD/FPGA器件极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程，乃至设计观念。

可编程逻辑器件和EDA技术给今天的硬件系统设计者提供了强有力的工具，使传统的“固定功能集成块+连线”的设计方法正逐步地退出历史舞台,而基于芯片的设计方法正在成为现代电子系统设计的主流。

现在人们可以把数以亿计的晶体管，几万门、几十万门甚至几百万门的电路集成在一个芯片上。

半导体集成电路也由早期的单元集成、部件电路集成发展到整机电路集成和系统电路集成。

电子系统的设计方法也由过去的那种的“Bottom-up”（自底向上）设计方法改变为一种新的“Top-down”（自顶向下）设计方法。

本实验指导书的内容是以《EDA技术与数字系统设计》（北航出版社）教材为基准，把实验的内容分为三部分：

基于电子工作平台的实验、基于可编程逻辑器件的实验和数字系统实验。

其中第一部分是对电路网络的仿真实验，利用EWB软件进行电路功能和特性的各种分析以及参数的测试。

第二部分是基于可编程逻辑器件的数字电路设计实验，通过实验介绍MAX+plusII软件的逻辑输入方法、编译及仿真原理、器件下载等基本内容，从而掌握EDA开发工具和数字电路设计。

第三部分是数字系统设计实验，采用EDA技术和“自顶向下”设计方法，实现功能较复杂的综合设计实验，提高数字系统综合设计能力。

（二）实验系统介绍

EDA/SOPC实验箱是集EDA和SOPC开发为一体的综合性实验箱，它不仅可以独立完成几乎所有的EDA设计，也可以完成大多数的SOPC开发。

采用Altera公司的Cyclone系列的12万门FPGA为核心，整个系统采用模块化设计，各个模块之间可以自由组合，使得该实验箱的灵活性大大提高。

同时实验箱还提供了丰富的接口模块，供人机交互，从而大大增加了实验开发者开发的乐趣，满足了普通高等院校、科研人员等的需求。

开发工程师可以使用VHDL语言、VerilogHDL语言、原理图输入等多种方式，利用Altera公司提供的QuartusII及Nios软件进行编译，下载，并通过EDA/SOPC实验箱进行结果验证。

实验箱提供多种人机交互方式，如键盘阵列、按键、拨挡开关输入；七段码管、大屏幕图形点阵LCD显示；串口通信；VGA接口、PS2接口、USB接口、Ethernet接口等，利用Altera公司提供的一些IP资源和Nios32位处理器，用户可以在该实验箱上完成不同的SOPC设计。

EDA/SOPC实验箱提供的资源有：

●Altera公司的EP1C6Q240C8，12万门级FPGA，另外可选配更高资源的FPGA

●FPGA配置芯片采用可在线变成的EPC2，通过JTAG口和简单的跳线即可完成设计的固化

●1个数字时钟源，提供48MHz、12MHz、1MHz、100KHz、10KHz、1KHz、100Hz、10Hz、2Hz和1Hz等多个时钟

●1个模拟信号源，提供频率和幅度可调的正弦波、三角波和方波

●两个串行接口，一个用于SOPC开发时的调试，另一个可以完成其它的通信

●1个VGA接口

●1个PS2接口，可以接键盘或鼠标

●1个USB接口，利用PDIUSBD12芯片实现USB协议转换

●1个Ethernet接口，利用RTL8019芯片实现TCP/IP协议转换

●基于SPI接口的音频CODEC模块

●1个输入、输出探测模块，供数字信号的观察

●16个LED显示

●8个拨挡开关输入

●8个按键输入

●1个4X4键盘阵列

●8个七段码管显示

●1个扬声器模块

●1个交通灯模块

●1个直流电机模块

●1个高速AD和1个高速DA

●240×128大屏幕图形点阵LCD显示

●存储器模块提供256K×32Bit的SRAM和2M×8Bit的FLASHROM

实验箱基本布局如下图1-1所示：

图1-1EDA/SOPC试验箱系统布局

下面就部分模块做简要介绍。

FPGA模块

FPGA采用Altera公司提供的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，该芯片采用240脚的PQFP封装，提供185个IO接口。

该芯片拥有5980个LEs；20个M4KRAMBlock；总共可以提供92160Bit的RAM；另外芯片内部还自带有2个锁相环，可以在高速运行的时候保证系统时钟信号的稳定性。

FPGA与实验箱上提供的各个模块都已经连接好（详情请查看附录1），这样就避免了实验过程中繁琐的连线以及由于连线造成的不稳定的后果。

配置模块

本实验箱的配置芯片采用可在线多次编程的EPC2，该芯片通过JTAG（与FPGA共用，通过跳线选择）下载，即可完成FPGA设计的固化。

这样就避免了用户需要多条电缆或者需要编程器才能完成固化的任务，同时也方便了用户只需一条下载电缆即可完成FPGA的配置和EPC2的编程。

时钟模块

时钟的产生由有源晶振产生48MHz的时钟信号，再由CPLD分频完成多种时钟信号的产生。

时钟信号已经在系统板上连接到FPGA的全局时钟引脚（PIN_28），只需要通过时钟模块的简单跳线，即可完成FPGA时钟频率的选择。

USB模块

USB模块采用Philips公司的PDIUSBD12芯片，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口。

它还支持本地的DMA传输。

PDIUSBD12完全符合USB1.1版的规范、它还符合大多数器件的分类规格：

成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备。

另外该芯片还集成了许多特性，包括SoftConnectTM、GoodLinkTM、可编程时钟输出、低频晶振和终止寄存器集合，所有这些特性都为系统显著的节约了成本，同时使USB功能在外设上的应用变得容易。

存储器模块

实验箱上提供了256K×32Bit的SRAM和2M×8Bit的FLASHROM，其中SRAM主要是为了在开发SOPC是存放可执行代码和程序中用到的变量，而FLASH则是用来固化调试好的SOPC代码等。

SRAM选用两片ISSI公司的IS61LV25616（256K×16Bit）进行数据线并联从而扩展为256K×32Bit的存储区；FLASHROM采用的是AMD公司的AM29LV017D，其容量为2Mbyte。

Ethernet模块

Ethernet模块采用的TCP/IP转换芯片为RTL8019AS芯片，该芯片是一款高集成度、全双工以太网控制器，内部集成了三级省电模式，由于其便捷的接口方式，所以成了多数系统设计者的首选。

RTL8019AS支持即插即用标准，可以自动检测设备的接入，完全兼容EthernetII以及IEEE802.310BASE5、10BASE2、10BASET等标准，同时针对10BASET还支持自动极性修正的功能，另外该芯片还有很多其他功能，此处不再赘述。

高速AD&高速DA

本实验箱中采用的高速AD为TLC5510，TLC5510是一个8位高速AD，其最高转换速率可到20MSPS，单5V供电，被广泛的应用在数字电视、医疗图象、视频会议等高速数据转换的领域。

本实验箱中采用的高速DA位TLC5602，该芯片也是一个单5V供电的8位高速DA，其最高转换输率可到33M，足以满足一般数据处理的场合。

240×128图形点阵LCD

本实验箱所用的图形点阵LCD为240×128点，可以用来显示图形、曲线、文本、字符等等。

显示模块内嵌有T6963C控制器，在该液晶显示模块上已经实现了行列驱动器及显示缓冲区RAM的接口，同时也硬件设置了液晶的结构：

单屏显示、80系列的8位微处理器接口、显示屏长度为30个字符、宽度为16个字符等。

（三）

电子工作平台（EWB）的实验

实验一直流电路中电流和电压的测量

一、实验目的

1）掌握直流电路中电流和电压的分析、计算和测量；

2）熟悉电子工作平台（EWB）软件的使用。

二、实验内容

1.连接一个如图3.1.1所示的电路，测量各支路上的电流和各节点电压。

并且验证基尔霍夫的电流定理（KCL）和电压定理（KVL）。

图3.1.1

2.连接一个如图3.1.2所示的电路，测量各支路上的电流和各节点电压。

图3.1.2

三、实验操作

1.按照实验内容1的要求，在EWB工作台上连接好电路如图3.1.3。

测量各支路上的电压和电流。

也可采用直流工作点分析法求得各节点电压。

图3.1.3

2.按照实验内容2的要求，在EWB工作台上连接好电路如图3.1.4。

测量各支路上的电压和电流。

图3.1.4

四、实验数据及分析

根据EWB工作台中的电压表和电流表测量的数据，证明基尔霍夫定理的正确性。

实验二戴维南及诺顿等效电路

一.实验目的

1.掌握戴维南及诺顿等效电路的分析、计算和测量；

2.熟悉电子工作平台（EWB）软件的使用。

二.电路基本原理

根据电路理论求电路的戴维南及诺顿等效电路时，首先需要求得某一端口的开路电压或短路电流，再求等效电阻。

求等效电阻的方法有两种：

一种是由开路电压与短路电流的比值得到；另一种由端口外部施加电源信号求得，即万用表测量，要求电路的独立电源置零。

三.实验内容

电路图如图3.2.1所示，求ab端口的戴维南及诺顿等效电路，要求采用两种方法求得等效电阻。

图3.2.1

四.实验操作

1.测量等效电阻：

根据等效电阻的定义，将电路中所有的电源置零，即电流源开路，电压源短路，得到无源单口网络。

按照实验内容的要求，在EWB工作台上连接好测试电路如图3.2.2所示，。

在ab端口用万用表Ω档测得其等效电阻值。

2.测量开路电压UOC：

在图3.2.1所示电路的ab端口上连接电压表即可测得开路电压。

3.测量短路电流ISC：

在图3.2.1所示电路的ab端口上连接电流表

即可测得短路电流。

图3.2.2

五、实验数据及分析Ω

由实验测得的数据与理论计算结果进行比较，看两者结果是否相同。

为了进一步证明两个电路是否等效，可在原电路和等效电路的端口处分别外接同一电阻，对该电阻上的电压、电流进行测量，从而证明两电路的等效性。

实验三．

一阶动态电路分析

一.实验目的

1.掌握一阶动态电路的分析、计算和测量；

2.了解动态元件的充放电过程，观察输出波形。

二.实验电路和内容

连接一个如图3.3.1所示的电路，在t=0时开关进行换路动作，换路前电路已达到稳态，求t≥0时电容的电压以及该电路的时间常数。

图3.3.1

三.电路基本原理

在电路图3.3.1中，t＜0时（开关置于2）电路已经处于稳态，此时的电容相当于开路，所以Uc（0-）=2V。

当t≥0时电路换路即开关由位置2变为位置3，电容两端电压不会发生跃变，Uc（0+）=Uc（0-）=2V，电容进行充放电过程。

电路经过一段瞬态过程后，电路又处于稳定状态，此时的电容相当于开路，求得Uc（∞）=7V。

电路时间常数的计算如下：

当电路换路（即开关由位置2变为位置3）后，与电容相连接的单口网络的等效电阻R=1007Ω，因此电路的时间常数为：

τ=R×C=0.1007s

由三要素法公式可得：

Uc（t）=Uc（∞）+[Uc（0+）-Uc（∞）]e-9.93t

=7-5e-9.93t（V）

当t=τ时，Uc（t）=7-5e-1=5.16（V）。

四.实验操作

1.按实验内容连接好测试电路如图3.3.2所示。

开关K的操作相当于键盘中的K键，当按下K键时，开关处于位置3；没有按下K键时，开关处于位置2。

图3.3.2

2．激活电路（打开启动按钮），操作开关K，可通过示波器观察到电路的过渡过程（电压波形）如图3.3.3所示。

图3.3.3

由理论分析可知，当t=τ时，Uc（t）=5.16（V），由电压波形的曲线可找到其对应的时间为x2=0.44958s，所以τ=dx=x2-x1=0.10678s

五.实验数据及分析

将理论计算与实验结果对比，进行分析。

改变电阻或电容大小，再进行分析。

实验四．

共发射极放大电路分析

一.实验目的

1.加深对共发射极放大电路特性的理解；

2.熟悉静态工作点的测量和调整方法；

3.观察偏置电阻对静态工作点及交流放大特性的影响；

4.学习放大电路动态指标AV、AVS、ri、ro等测量方法。

二.实验内容

1.实验电路如图3.4.1所示，测试电路的静态工作点，分析静态工作点对放大电路动态范围的影响，以及如何调节电路中的R4、R1，使静态工作点设置在比较理想的位置。

2.根据电路图求得各处的静态电流和电压，从而得到该放大电路的动态指标：

电压放大倍数AV=

；

输入电阻ri=Rb//[rbe+（1+β）Re]=

；

输出电阻ro=（

﹣1）RL;V′o为RL开路时的输出电压。

源电压放大倍数：

AVS=

=AV

；

其中RS为信号源内阻（100Ω），Rb=R1//R2，VS为输入电压，VO为输出电压。

图3.4.1

三.实验操作

1．按照实验内容连接好电路，如图3.4.2所示。

信号源Vs频率为1KHz、幅度为30mV。

β=100。

图3.4.2

2.静态工作点与动态范围的测试：

（1）打开启动开关，用示波器观察输出电压波形，是否失真？

是什么失真？

（2）分析出现上述现象的原因，如何才能消除这现象？

（3）测量静态工作点IB、IC、VCE，并计算响应的理论值，分析静态工作点的设置是否正常。

（4）调节R2或R4可改变静态工作点的设置，进而改变放大器的动态范围。

用示波器观察输出电压波形。

R2分别取30KΩ、58KΩ、70KΩ；R4分别取3KΩ、6KΩ、10KΩ时，对静态工作点和输出电压波形有何影响。

（5）当R2=65KΩ和R4=4KΩ时，调节输入信号大小，观察输出电压波形的变化情况。

测量最大不失真正波输出电压Vo。

3.动态指标的测试：

在输出信号不失真的情况下，测量I/O的电流和电压，根据公式计算其指标。

四．实验数据分析

测量的数据进行分析，并与理论计算值相比较。

实验五．

功率放大器特性仿真

一.实验目的

1．掌握OTL功放电路中工作点的调整方法；

2．了解自举电容在电路中的作用；

3．熟悉OTL功放的动态特性。

二.实验电路及原理

功率放大电路主要是向负载提供功率，应用较为广泛的功率放大电路有OTL型和OCL型。

OCL互补对称功率放大电路的特点是输出端不需要变压器或大电容，但需要双电源。

OTL互补对称功率放大电路的特点是输出端不需要变压器，只需要一个大电容，其电路仅需要单电源供电。

本实验电路为OTL功放电路，如图3.5.1所示。

图3.5.1

OTL功放是采用不同导电极性的对称双极性晶体管，利用双向跟随互补原理工作。

要想得到最大不失真输出功率，必须保证电路具有合适的直流工作点，即调整偏压电阻R5使输出级的中点电压等于电源电压之半；调整偏置电阻R3使电路具有合适的静态电流（偏流）。

合适的偏流既可以消除小信号交越失真，又可以提高功放效率。

C1是自举电容，用以提高电路增益。

三.实验内容

1.利用参数扫描分析方法，确定偏压电阻R5、偏流电阻R3的取值范围。

2.利用交流分析功能，测量自举电容与电路增益的关系。

3.利用参数扫描和瞬态分析方法，测量输出信号和输入信号的动态范围。

4.温度特性分析。

四.实验步骤及操作

1.直流工作点调整:

在Q1的集电极串入直流电流表，在Q1和Q0的中点并联直流电压表，用于输出级直流工作点（中点偏压和静态电流）测量。

电路连接如图3.5.2所击。

图3.5.2

（1）中点电压调整:

在没有交流信号输入的情况下，在2~8kΩ范围内扫描R5参数，得到中点电压随R5变化的曲线如图3.5.3所示。

从图中可看出纵轴上的中点电压为7.5V时对应的X轴上的值为4.2kΩ（即R5的值）。

（2）静态电流调整:

接入1kHz左右的交流信号（>60mV），用示波器观察输出电压波形，发生什么失真？

确定R3阻值的原则是:

使末级具有最小偏流但又不产生交越失真。

偏流太大时将使输出效率下降。

图3.5.3

在实际调试过程中，由于中点电压和末级偏流相互影响，所以需反复调整这两个电阻直到各指标都满足为止。

当R3取值较小（<400Ω）时，末级偏流虽然很小（1.1mA），但出现交越失真，如图3.5.4所示。

因此还需要调整R3,直到消除交越失真（R3=400Ω时3.7mA）。

图3.5.4

2．自举电容的作用分析

自举电容C的作用是提高电路增益，利用交流分析功能，可以分别测量接入和断开自举电容的频率响应特性曲线。

3.动态特性分析

（1）动态范围测试:

当输入信号为1kHZ时，增大输入信号幅度，测量最大不失真输入和输出电压的大小。

可通过参数扫描分析方法，观察最大不失真输出波形求得。

（2）测试输出噪声和等效输入噪声:

利用噪声分析功能，分析输出端和输入端的等效噪声特性。

4.温度特性分析

由于双极型晶体管的温度特性较差，且OTL电路又采用直接耦合方式，所以温度变化对直流工作点的影响明显。

如图3.5.5所示，温度是从0~80°C范围变化时输出端的中心点电压的变化情况。

图3.5.5

利用温度分析功能，可方便地预测电路各点的温度特性，以便采用温度补偿措施（温度补偿电路），消除温度变化的不利影响。

实验六整流滤波及负载特性分析

一.实验目的

1.掌握半波、全波整流滤波电路的测量；

2.测试两种电路的负载特性；

3.掌握两种电路接入负载时纹波（交流）输出分量的测试。

二.实验原理

1.整流特性（空载）:

半波整流均值电压为:

UO（AV）=

=

＝0.45U2

全波整流均值电压为:

UO（AV）=

=

＝0.9U2

其中U2为变压器次边（副边）的有效值电压。

2.滤波特性（空载）

空载时两种电路的滤波输出电压均为UO（AV）=

U2。

3.负载特性:

输出电压随负载电阻RL的增大而上升，但两种电路的负载能力不同。

三.实验内容

1.测量输入交流电压、输出直流电压和纹波电压；

2.用瞬态分析或示波器观察半波、全波整流波形；

3.用参数扫描分析方法观察整流滤波电路的负载特性。

四.实验操作及步骤

1.半波整流滤波电路的测量

半波整流滤波电路的连接如图3.6.1所示。

图中T1是变比为22:

1的降压变压器；交流电压表M1测量变压器的次级电压，变压器的初级连接~220V50Hz的交流电压源。

两个开关可分别把滤波电容和负载电阻接入电路中。

图3.6.1

（1）测量整流电压:

在图3.6.1中S1、S2开关断开，用电压表M1和M2测量半波整流输入、输出电压，并用示波器观察波形。

（2）测量滤波电压:

开关S1闭合，接入滤波电容，测量和观察滤波输出电压。

接入负载电阻后（开关S2闭合），再测量和观察滤波输出电压。

并测量纹波电压。

2.全波整流滤波电路的测量:

测试电路如图3.6.2所示。

图3.6.2

其中：

D2的型号选Nationa的IN4009。

（1）桥式整流输出电压的测量:

开关S1断开、S2闭合,打开启动按钮，用直流电压表测量输出电压。

并观察输出波形。

（2）桥式整流滤波输出电压的测量:

闭合开关S1，接入滤波电容，测量和观察滤波输出电压。

接入负载电阻后（开关S2闭合），再测量和观察滤波输出电压。

并测量纹波电压。

五．实验数据及分析

对测量的数据进行分析，是否正确，与理论计算进行比较。

（四）基于可编程逻辑器件的实验

实验七表决电路的设计

一、实验目的：

1、通过一个多数表决电路的的设计,让学生掌握逻辑电路的设计方法。

2、掌握逻辑电路的原理图输入方式。

3、初步了解Max+plusII软件的设计过程。

二、实验步骤：

1．进入WINDOWS操作系统，打开Max+plusII。

1）启动File\projectname菜单，输入设计项目的名字。

点击Assign\Device菜单，出现图4.1.1对话框，依据设计要求选择器件。

（本实验一律选用EPF10K10LC84）

图4.1.1

2）启动菜单File\New,选择GraphicEditorFile,打开原理图编辑器,进行原理图设计输入如图4.1.2。

图4.1.2

2．设计输入

要求：

用原理图输入方式设计3人多数表决电路。

其逻辑函数为：

1）放置一个器件在原理图上

在原理图的空白处双击鼠标左键,现出图4.1.3;

图4.1.3

在元件库栏中输入元件名称或用鼠标点击（选择）元件,按下OK即可。

如果安放相同元件，只要按住CTRL键，同时用鼠标拖动该元件。

图4.1.4为表决器需要的元件。

图4.1.4

2）连线到器件的管脚上

把鼠标移到引脚附近,则鼠标光标自动由箭头变位十字,按住鼠标左键拖动,即可画出连线.如图4.1.5示.

图4.1.5

3）存原理图

单击保存按扭,对于第一次输入的新原理图,出现类似文件管理器的图框,选择合适目录,合适名称保存刚才输入的原理图2.1.5.原理图的扩展名为.gdf,本实验取名biao_jue_qi.gdf.

3．编译

启动Max+plusII\COMPILER菜单，按START开始编译，并显示编译结果，生成.sof,.pof文件，以备硬件下载和编程时调用。

同时生成.rpt文件，可详细查看编译结果。

如图4.1.6

图4.1.6

4．管脚的重新分配、定位：

启动Max+plusII\FloorplanEditor菜单命令，出现如图4.1.