实验四 时序逻辑电路的VHDL设计

一、实验目的

熟悉QuartusⅡ的VHDL文本设计过程，学习简单时序逻辑电路的设计、仿真和测试方法。

二、实验

1. 基本命题

用VHDL文本设计触发器，触发器的类型可任选一种。给出程序设计、仿真分析、硬件测试及详细实验过程。

① 实验原理

由数电知识可知，D触发器由输入的时钟信号（CLK）、数据输入口（D）和数据输出（Q）构成。本程序通过进程监视CLK和D\，当CLK为上升沿的时候，将D赋值给Q，要完成这个赋值操作，必须再借助一个信号S来进行值的传递。

② 程序设计

③ 仿真分析

仿真预测：输入一组波形，当且仅当CLK为上升沿的时候，Q输出D的值；否则，Q保持原值不变。

图1  D触发器仿真波形图

    结论：仿真的结果与仿真预测一致。

④ 硬件测试

我们通过将输出Q设为为灯泡(D1)，按键1为D，按键2为CLK。

表2-1  D触发器在GWAC6板上目标芯片EP1C6Q240C8的引脚锁定信息

端口名称	端口符号	GWAC6板输入输出元件	GWAC6板接口	目标器件引脚	备注
输入D	D	键1	PIO0	233	模式No.5
CLK	CLK	键2	PIO1	234
输出Q	Q	D1	P108	1

如表2-1所示完成元件D触发器与实验板引脚的绑定。如图2所示

图2  D触发器与实验板引脚的绑定

 

2. 扩展命题

将设计的触发器看成是一个元件，利用元件例化语句设计如图4-1所示4D透明锁存器。给出程序设计、仿真分析、硬件测试及详细实验过程。

图3 4D透明锁存器

① 实验原理

    依据图3 ，我们将所有触发器的时钟输入端接入同一个时钟，将第一个触发器的输入端接入D0输入，第一个触发器输出Q0接入Q0。其他的D触发器按照第一个触发器的接法，按输入、输出口下标的递增顺序与对应的输入、输出总线相连。根据锁存器的特性，在程序设计中，我们通过监视CLK的电平，当CLK为高电平时，将输入原样输出；否则保持输出状态。

② 程序设计

③ 仿真分析

仿真预测：输入一组波形，当且仅当BCLK为高电平的时候，BQ输出BD的值；否则，BQ输出高阻态。

图4  4D透明锁存器仿真波形图

   实验原理：为了让实验的效果明显，我们取的BCLK周期为BD的两倍。

    结论：仿真的结果与仿真预测一致。

④ 硬件测试

我们通过将BD（1）、BD（2）、BD（3）、BD（4）设为按键1、2、3、4，D1,D2,D3,D4为BQ(1)、BQ(2)、BQ(3)、BQ(4),CLK设置为按键5。

表2-2  4D透明锁存器在GWAC6板上目标芯片EP1C6Q240C8的引脚锁定信息

端口名称	端口符号	GWAC6板输入输出元件	GWAC6板接口	目标器件引脚	备注
输入D	BD	键1,2,3,4,	PIO0，PIO1，PIO2，PIO3	233,234,235,236	模式No.5
CLK	BCLK	键5	PIO4	237
输出Q	BQ	D1	P108,P109，P110，P111	1,2,3,4

如表1-1所示完成元件4D透明锁存器与实验板引脚的绑定。如图5所示

图5  4D透明锁存器与实验板引脚的绑定