EDA课设报告--信号发生器的设计

武汉理工大学《EDA》课程设计说明书1目录摘要……………………………………………………………………………….2Abstract……………………………………………………………………………….3绪论……………………………………………………………………………….41.VHDL简介………………………………………………………………51.1VHDL的特点………………………………………………………………51.2VHDL发展史………………………………………………………………52.设计的方案确定……………………………………………………………62.1．AD558工作原理……………………………………………………………62.2设计方案……………………………………………………………73.设计流程…………………………………………………………………….84.结束语……………………………………………………………………………145.参考文献…………………………………………………………………….15附录……………………………………………………………………………….16武汉理工大学《EDA》课程设计说明书2摘要本说明书首先介绍了VHDL语言的特点及发展史；接着简要说明了D/A接口（函数发生器）的工作原理及设计思想和设计方案的确定；然后着重解释了使用VHDL语言设计D/A接口（函数发生器）的具体操作步骤及主要流程。为了更加详细的解释清楚主要流程在本课程设计说明书中还附加了相应的图片。最后还附加了实现设计的VHDL源程序。关键词：VHDLD/A接口设计武汉理工大学《EDA》课程设计说明书3AbstractThismanualintroducestheVHDLlanguagefeaturesanddevelopmenthistory;followedbyabriefdescriptionoftheD/Ainterfaceandtheworkingprincipleanddesignideasandthewaythatthedesignprogramwasconfirmed;andthenIexplaintheemphasisontheuseofVHDLlanguagetodesignD/Ainterfaceandthespecificstepsandthemainprocess.InordertoexplaininmoredetailsofthemainprocessIalsoattachedthecorrespondingpictures.FinallyIaddedtheVHDLdesignsourcecodesintheaddendum.Keywords:VHDLD/AInterfaceDesign武汉理工大学《EDA》课程设计说明书4绪论EDA是电子设计自动化(ElectronicDesignAutomation)的缩写。EDA技术就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。EDA技术使设计者的工作仅局限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的实现，可以说EDA技术的产生与发展是电子设计技术的一个巨大进步。EDA技术融合了众多电子设计技术和计算机辅助技术，使得它在现代电子学方面的应用越来越广泛，也成为电子、电气类大学生必须熟练掌握的一种设计工具。硬件描述性语言HDL是EDA技术的重要组成部分，常见HDL的有VHDL、HDL、ABEL、Verilog、AHDL、SystemC等。其中VHDL、Verilog在现在的EDA设计中使用的最多，也拥有了几乎所有主流EDA工具的支持，而相对于其他语言VHDL更加完善。VHDL是英文全名是VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)HardwareDescriptionLanguage,是硬件描述语言的业界标准之一。它作为一个规范语言和建模语言，具有与具体硬件电路无关及设计平台无关的特性，而且还有很强的电路行为描述和建模能力，能从多个层次的数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计的任务，提高了设计效率和可靠性。D/A转换器的功能是把二进制数字信号转换为与其数值成正比的模拟信号。AD558是并行8位D/A转换芯片，应用CPLD可以完成对AD558的控制。CPLD与CPLD结合之后可以完成函数发生器的基本功能：波形输出。要实现这种结合就需要应用VHDL语言完成D/A接口的设计。通过合适的VHDL语言可以完成递增斜波、递减斜波、三角波、递增阶梯波的输出。武汉理工大学《EDA》课程设计说明书51.VHDL简介1.1VHDL的特点VHDL语言功能强大、设计灵活。VHDL语言可以用简洁明确的源代码来描述复杂的逻辑控制，它具有多层次的设计描述功能，层层细化，最后可直接生成电路级描述。VHDL支持同步电路、异步电路和随机电路的设计，这是其他硬件描述语言虽不能比拟的。VHDL还支持多种设计方法，既支持自底向上的设计，又支持自顶向下的设计；既支持模块化设计，又支持层次化设计。由于VHDL已经成为IEEE标准所规定的硬件描述性语言，目前大多数EDA工具几乎都支持VHDL。因为VHDL易读和结构化且易于修改设计所以在硬件电路设计过程中，VHDL语言得到广泛应用。VHDL语言独立于器件的设计与工艺无关。因而设计人员用VHDL进行设计时，不需要考虑选择器件得问题，就可以集中精力进行设计的优化。当设计描述完成后，可以用多种不同的器件结构来实现其功能。VHDL语言易于共享和复用。VHDL采用基于库（Library）的设计方法，可以建立各种可再次利用的模块。这些模块可以预先设计或使用以前设计中的存档模块，将这些模块存放到库中，就可以在以后的设计中进行复用，可以使设计成果在设计人员之间进行交流和共享，减少硬件电路设计。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。VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。这个特点很好的符合了市场需求。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描述的设计转变成门级网表。总之，由于VHDL语言有的这些优良的特点，它被广泛的应用在电子线路和电子系统的设计中。1.2VHDL发展史VHDL于1983年由美国国防部发起创建，由IEEE进一步发展，并在1987年作为“IEEE标准1076”发布。从此VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。随后各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自武汉理工大学《EDA》课程设计说明书6己的设计工具支持VHDL。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。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了VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。现在公布的最新VHDL标准版本是IEEE1076-2002。在现代电子行业中，VHDL语言将承担起大部分的数字系统设计任务。目前，它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD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ASIC。2.设计方案的确定2.1．AD558工作原理A/D转换器和D/A转换器是把微型计算机的应用领域扩展到检测和过程控制的必要装置，是把计算机和生产过程、科学实验过程联系起来的重要桥梁。D/A转换器的功能是把二进制数字信号转换为与其数值成正比的模拟信号。D/A转换器相对于A/D转换器在时序上要求较低。在D/A参数中一个最重要的参数就是分辨率，它是指输入数字量发生单位数码变化时，所对应输出模拟量(电压或电流)的变化量。分辨率是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可分辨的电压变化量ΔU与最大输出电压Um之比。D/A转换器AD558是EDA实验箱上自带的并行8位D/A转换芯片，它可以把输入的8位数字量转化为0~2.56V的电压量，它与CPLD器件联合使用可以产生几种波形。其芯片管脚外形和内部结构框图分别如图1、图2所示：图1AD558芯片管脚外形图武汉理工大学《EDA》课程设计说明书7图2AD558内部结构框图AD558的真值表如图3所示。由真值表可知：当CS为低电平、CE为电平时，AD558保持上次的转换结果；当CS和CE同时为电平时，通过数据总线D[7..0]读入数据，同时讲转换结果输出。图3.AD558真值表2.2设计方案本次D/A接口（函数发生器）的设计中，转换结果是时时输出的。根据对AD558真值表的分析可知：当CE和CS同时置‘0’时AD558的工作模式为时时输出。因此在本次设计中我只需要将CE和CS同时置‘0’即可。根据对AD558功能的分析可知：利用VHDL语言编写源程序通过CPLD完成对AD558的控制，并与AD558结合可以完成四种波形的产生。武汉理工大学《EDA》课程设计说明书8具体设计方案如下：利用VHDL语言设计0~255循环加法计数器、255~0循环减法计数器、0~128~0循环加减计数器、0~224等梯度循环加法计数器便可分别完成递增斜波、递减斜波、三角波、递增阶梯波的输出。每个计数器还设计了片选端和清零端。当清零端为0时计数器恢复为初始状态。为了实现输出波形模式的选择，在本次设计中我使用了一个四选一选择器：输入为2位逻辑数组输出为4个一位逻辑量。每一种输入状态对于于一种输出状态，每个状态有且仅有一位为1，其余3位皆为0，每个输出量与一种计数器的片选端相连接，即每个输入状态都只选中一种输出状态。由于CPLD实验箱上没有D/A转换器，为了显示设计结果检验设计成果我决定使用7段数码管显示产生波形的数字量。由于输出范围为0~255，在十六进制数0H~EEH的范围内，而且实验箱上只有8个7段数码管因此我各用2个7段数码管显示4种波形的输出。在每个计数器输出端口和7段译码器中间添加一个输入频率为1000HZ的4选1数据选择器，并利用两个拨码开关实现输入数据的选择。由于实验箱上自带的时钟源频率为20MHZ，为了得到1000HZ的频率，我还设计了一个分频器。以上即为本次D/A接口（函数发生器）的主要设计方案。3.设计流程首先启动QuartusII软件如图4所示：武汉理工大学《EDA》课程设计说明书9图4QuartusII启动界面接着利用向导，建立一个新的工程。在File菜单中选择NewProjectWizard选项启动项目向导。如图5所示，分别指定创建工程的路径，工程名和顶层文件名。工程名和顶层文件可以一致也可以不同。一个工程中可以有多个文件，但只能有一个顶层文件。这里我将工程名取为：keshe，顶层文件名取为zhuanhuan。如图5所示。武汉理工大学《EDA》课程设计说明书10图5创建工程界面图在图5所示界面点击NEXT按钮出现对话框如图6所示直接点Finish按钮然后在出现的界面中依次点击File/new出现如图7所示界面。点击创建VHDL编辑界面中VHDLFile按钮即进入VHDL语言编辑区如图8所示。武汉理工大学《EDA》课程设计说明书11图6创建工程的结束界面图7创建VHDLFile对话框武汉理工大学《EDA》课程设计说明书12图8VHDL语言编辑框在图8所示的VHDL语言编辑框中依次输入分频器、四选一选择器、循环加法计数器等4钟计数器、七段译码器等功能模块的VHDL语言源程序。输入完成之后单击保存图标并输入相应的文件名。保存之后即可对源程序进行编译。如果编译成功则源程序完全正确，否则应该返回到出错处改正错误直至编译成功