
1 乘法器设计 1
1.1设计要求 1
1.2设计提示 1
2八位序列检测器设计 2
2.1设计要求 2
2.2 设计提示 3
3 多功能数字钟的设计 4
3.1 设计要求 4
3.2 设计提示 5
5 数字频率计 8
5.1 设计要求 8
5.2 设计提示 8
6 拔河游戏机 10
6.1设计要求 10
6.2设计提示 10
7 洗衣机控制器 12
7.1 设计要求 12
7.2设计提示 12
8 简易音乐播放器 15
8.1设计任务 15
8.2设计提示 15
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 K10 | Q3 Q2 Q1 Q0 |
| ↑ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1↑ 0 0 0 0 0 0 0 0 10 ↑ 0 0 0 0 0 0 0 10 0 ↑ 0 0 0 0 0 0 10 0 0 ↑ 0 0 0 0 0 10 0 0 0 ↑ 0 0 0 0 10 0 0 0 0 ↑ 0 0 0 10 0 0 0 0 0 ↑ 0 0 10 0 0 0 0 0 0 ↑ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ↑ | 10 0 1 10 1 0 10 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 20 0 0 10 0 1 0 0 0 0 |
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K1~K10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 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 | ||||
| reset | reset1 | A B | turn | LD_h | LD_m | LD_alert | ||
| 0 | x | x x | x | x | 0 | 0 | 0 | 系统复位 |
| 1 | x | 0 0 | x | clk | 0 | 0 | 0 | 系统计时 |
| 1 | x | 0 1 | 0 | change=↑ 分计数器加1 | 0 | 1 | 0 | 手动校时 |
| 1 | x | 0 1 | 1 | change=↑ 时计数器加1 | 1 | 0 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 0 | 0 | change=↑ 分计数器加1 | 0 | 1 | 1 | 设置闹钟 |
| 1 | 1 | 1 0 | 1 | change=↑ 时计数器加1 | 1 | 0 | 1 | |
| 1 | 0 | x x | x | x | 0 | 0 | 0 | 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1~100KHz,分成两个频段,即1~999Hz,1KHz~100KHz,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1~999Hz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1KHz~100KHz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1KHz~100KHz(K=1),计数器进行四位十进制计数,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 | |
| K | Q40 | C | D3 D2 D1 | alert | |
| 0 0 1 1 | 0 1 X X | 0 0 0 1 | Q3 Q2 Q1 Q3 Q2 Q1 Q4 Q3 Q2 Q4 Q3 Q2 | 右第一位 右第一位 右第二位 右第二位 | 0 1 0 1 |
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K1∼K10分别代表数字1、2、…、9、0,用编码器对数据开关K1~K10的电平信号进行编码,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 K10 | Q3 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 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 |
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/S |
| S0 S1 S2 S3 | 正转 停止 反转 停止 | 20 10 20 10 |
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6-3 逻辑赋值后的状态表
| A B | Qn2 Qn1 | Q2n+1 Q1n+1 | 说明 |
| 0 X 1 X X 0 X 1 0 X 1 X X 0 X 1 | 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 | 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 | 维持S0 S0→S1 维持S1 S1→S2 维持S2 S2→S3 维持S3 S3→S0 |
表6-4 译码驱动电路真值表
| Q2 Q1 | run | rev | pause |
| 0 0 0 1 1 1 1 0 | 1 0 0 0 | 0 0 1 0 | 0 1 0 1 |
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1与高音1)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A(简谱中的低音6)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1 | 261.63 | 中音1 | 532.25 | 高音1 | 1046.50 |
| 低音2 | 293.67 | 中音2 | 587.33 | 高音2 | 1174.66 |
| 低音3 | 329.63 | 中音3 | 659.25 | 高音3 | 1318.51 |
| 低音4 | 349.23 | 中音4 | 698.46 | 高音4 | 1396.92 |
| 低音5 | 391.99 | 中音5 | 783.99 | 高音5 | 1567.98 |
| 低音6 | 440 | 中音6 | 880 | 高音6 | 1760 |
| 低音7 | 493.88 | 中音7 | 987.76 | 高音7 | 1975.52 |
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; 21:12;
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; :10; 65:10;
66:10; 67:12; 68: 7; 69: 7; 70: 9; 71: 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; : 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: 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; 24:12; 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; : 9; 65: 9;
66: 9; 67: 9; 68: 9; 69: 9; 70: 9; 71:10; 72:10; 73:12; 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; : 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: 5; 120: 5;
121: 5; 122: 5; 123: 5; 124: 5; 125: 0; 126: 0; 127: 0;
歌曲名: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; 38:15; 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; :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; : 8; 90: 8; 91: 8; 92: 8; 93: 8; 94: 8; 95: 8; 96: 8; 97: 8; 98:15;
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歌曲名:一剪梅
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教材9.10可以参考
