课程设计说明书 名称 任意波形产生电路设计院 系 班 级 姓 名 系主任 教研室主任 指导教师 第一章 绪论电子设计自动化（Electronic Design Automation）技术以计算机为基础工作平台，以微电子技术为物理基础，以现代电子技术设计技术为灵魂，采用计算机软件工具，最终实现电子系统或专用集成电路的设计。EDA技术的使用包括两类：一类是专用集成电路芯片的设计研发人员；另一类是广大电子线路设计人员。后者并不具备专门的IC深层次的知识。EDA技术可简单概括为以大规模可编程逻辑器件为设计载体，通过硬件描述语言或将逻辑图输入给相应EDA开发软件，经过编译和仿真，最终将所设计的电路下载到设计载体中，从而完成系统设计任务的一门新技术。1.1 EDA技术发展历程伴随着计算机、集成电路、电子系统设计的发展，EDA技术经历了计算机辅助设计、计算机辅助工程设计和电子设计自动化三个发展阶段。(1)70年代为计算机辅助设计CAD(ComputerAidedDe-sign)阶段。这一阶段人们将电子设计中涉及到的许多计算开始用计算机程序实现。(2)80年代为计算机辅助工程CAE(Computer Aided Engineeirng)阶段。这一阶段出现了一些绘图软件，减轻了设计人员的劳动。(3)90年代以来为电子设计自动化EDA(Electminic Design Automation)阶段。这一阶段人们借助开发软件的帮助，可以将设计过程中的许多细节问题抛开，而将注意力集中在产品的总体开发上，提高了设计效率，缩短了产品的研制周期，实现了真正意义上的电子设计自动化。1.2 EDA技术的应用EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展应用，突出表现在以下几个方面：1.在FPGA上实现DSP应用成为可能，用纯数字逻辑进行DSP模块的设计，使得高速DSP实现成为现实，并有力地推动了软件无线电技术的实用化和发展。基于FPGA的DSP技术，为高速数字信号处理算法提供了实现途径。2.嵌入式处理器软核的成熟，使得SOPC（System On a Programmable Chip）步入大规模应用阶段，在一片FPGA中实现一个完备的数字处理系统成为可能。3.使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成为可能。4.在仿真和设计两方面支持标准硬件描述语言且功能强大的EDA软件不断推出。目前EDA技术已在各大公司、企事业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。1.3 EDA技术的设计方法数字系统的设计可采用不同的方法：一种为由底向上的设计方法，也称传统的设计方法；另一种为自顶向下的设计方法，也称现代的设计方法。原理图/VHDL文本编辑综 合FPGA/CPLD适配时序与功能仿真FPGA/CPLD编程下载FPGA/CPLD器件和电路系统由底向上的设计方法是传统的IC和PCB的设计方法。采用由底向上的设计方法需要设计者先定义和设计 每个基本模块，然后对这些模块进行连线以完成整体设计。在IC设计复杂程度低于10 000门时，常采用这种设计方法，但是随着设计复杂程度的增加，该方法会产生产品生产周期长、可靠性低、开发费用高等问题。 EDA技术采用现代的设计方法自顶向下的设计方法。采用自顶向下技术进行设计可分为三个主要阶段：系统设计、系统的综合优化和系统实现，各个阶段之间并没有绝对的界限。EDA设计流程为：设计输入、时序与功能仿真、综合、适配与下载。右图图1-1是运用EDA技术进 图1-1 EDA技术数字 行数字系统设计的流程图。 系统设计的流程图 1.3 数字系统设计1.3.1 数字系统设计的模型数字系统的设计就是用规范的和形式化的方式作出正确的系统逻辑功能的描述，详细反映系统的逻辑进程和具体的逻辑运算操作，并选用具体的电路来实现所描述的系统逻辑。用于数字系统设计的EDA软件有3类：是允许用户用高级语言(如C语言)描述数字系统的逻辑功能，并能自动实现电路的设计，这种软件的自动化程度最高；二是允许用户以逻辑流程图的方式描述系统的逻辑关系，软件自动将逻辑流程图设计成数字电路，这种软件的自动化程度次之：三是要求用户先以人工方式设计出数字电路，再用电路图方式或硬件描述语言的方式输入计算机，由EDA软件作优化、仿真等后续处理。1.3.2 数字系统设计的基本步骤数字系统设计的基本步骤有：系统任务分析，确定逻辑算法，系统划分，系统逻辑描述，逻辑电路设计，仿真、验证，物理实现。（1）系统任务分析：数字系统设计中的第一步是明确系统的任务。设计任务书可用各种方式提出对整个数字系统的逻辑要求，常用的方式有自然语言、逻辑语言描述、逻辑流程图、时序图等。（2）确定逻辑算法：实现系统逻辑运算的方法称为逻辑算法，简称算法。一个数字系统的逻辑运算往往有多种算法，设计者的任务要比较各种算法的优劣，取长补短，从中确定最合理的一种。数字系统的算法是逻辑设计的基础，算法不同，则系统的结构也不同，算法的合理与否直接影响系统结构的合理性。（3）系统划分：当算法明确后，应根据算法构造系统的硬件框架(也称为系统框图)，将系统划分为若干个部分，各部分分别承担算法中不同的逻辑操作功能。（4）系统逻辑描述：当系统中各个子系统和模块的逻辑功能和结构确定后，则需采用比较规范的形式来描述系统的逻辑功能。对系统的逻辑描述可先采用较粗略的逻辑流程图，再将逻辑流程图逐步细化为详细逻辑流程图，最后将详细逻辑流程图表示成与硬件有对应关系的形式，为下一步的电路级设计提供依据。（5）逻辑电路设计：电路级设计是指选择合理的器件及连接关系以实现系统逻辑要求。电路级设计的结果通常采用两种方式来表达：电路图方式和硬件描述语言方式。EDA软件支持这两种方式的输入。（6）仿真、验证：当电路设计完成后必须验证设计是否正确。在早期，只能通过搭试硬件电路才能得到设计的结果。目前，数字电路设计的EDA软件都有具有验证(也称为仿真、电路模拟)的功能，先通过电路验证(仿真)，当验证结果正确后再进行实际电路的测试。由于EDA软件的验证结果十分接近实际结果，因此，可极大地提高电路设计的效率。（7）物理实现：最终用实际的器件实现数字系统的设计，用仪表测量设计的电路是否符合设计要求。现在的数字系统往往采用大规模和超大规模集成电路，由于器件集成度高、导线密集，故一般在电路设计完成后即设计印刷电路板，在印刷电路板上组装电路进行测试。需要注意的是、印刷电路板本身的物理特性也会影响电路的逻辑关系。1.4 Quartus II 介绍Quartus II 是MAX+plus II的升级版本，是ALTERA公司的第四代开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，编译快速，器件编程直接、易懂，它能够支持逻辑门数在百万门以上的逻辑器件的开发，并且为第三方工具提供了无缝接口。Quartus II软件包的编程器是系统的核心，提供强大的设计处理功能，设计者可以通过添加特定的约束条件来提高芯片的利用率。Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境, 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。第二章：设计要求电路要求可以产生方波、正弦波、三角波，波形的频率可调，通过控制开关控制产生的波形，并通过控制按键控制设计信号的频率，改变频率的方法可以采用分频和DDS的原理进行控制信号频率。并进行D/A转换电路与滤波电路的设计，通过采用施密特触发器对波形进行整形，设计一频率测量电路对所产生的频率进行测量，通过数码管显示出来，并在数码管上显示当前的波形代码。至少产生的波形如下：图2-1正弦波形 图2-2三角波形 图2-3方波波形 图2-4 特殊波形第三章：系统的设计3.1 设计思路采用由底向上的设计方法，根据系统对硬件的要求详细编制技术规格书，画出系统控制流程图，仔细分析系统要求达到的各个功能，将系统的功能进行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；进行各功能模块的设计，运用VHDL语言设计出各个功能模块；在软件环境下导出各个功能框图，在将各个模块按系统要求达到的功能连接起来，做出系统的原理图；编译、调试完成后，在下载到硬件结构中，进行硬件调试。（1）提出设计说明书，即用自然语言表达系统项目的功能特点和技术参数等。（2）建立VHDL行为模型，这一步是将设计说明书转化为VHDL行为模型。（3）VHDL行为仿真。这一阶段可以利用VHDL仿真器（如ModelSim）对顶层系统的行为模型进行仿真测试，检查模拟结果，继而进行修改和完善。（4）VHDL-RTL级建模。如上所述，VHDL只有部分语句集合可用于硬件功能行为的建模，因此在这一阶段，必须将VHDL的行为模型表达为VHDL行为代码（或称VHDL-RTL级模型）。（5）前端功能仿真。（6）逻辑综合。（7）测试向量生成。这一阶段主要是针对ASIC设计的。FPGA设计的时序测试文件主要产生于适配器。对ASIC的测试向量文件是综合器结合含有版图硬件特性的工艺库后产生的，用于对ASIC的功能测试。（8）功能仿真。利用获得的测试向量对ASIC的设计系统和子系统的功能进行仿真。（9）结构综合。主要将综合产生的表达逻辑连接关系的网表文件，结合具体的目标硬件环境进行标准单元调用、布局、布线和满足约束条件的结构优化配置，即结构综合。（10）门级时序仿真。在这一级中将使用门级仿真器或仍然使用VHDL仿真器（因为结构综合后能同步生成VHDL格式的时序仿真文件）进行门级时序仿真，在计算机上了解更接近硬件目标器件工作的功能时序。（11）硬件测试。这是对最后完成的硬件系统（如ASIC或FPGA）进行检查和测试。3.2 设计流程1、系统任务分析：数字系统设计中的第一步是明确系统的任务。 2、确定逻辑算法：实现系统逻辑运算的方法称为逻辑算法，简称算法。数字系统的算法是逻辑设计的基础，算法不同，则系统的结构也不同，算法的合理与否直接影响系统结构的合理性。 3、系统划分：当算法明确后，应根据算法构造系统的硬件框架(也称为系统框图)，将系统划分为若干个部分，各部分分别承担算法中不同的逻辑操作功能。 4、系统逻辑描述：对系统的逻辑描述可先采用较粗略的逻辑流程图，再将逻辑流程图逐步细化为详细逻辑流程图，最后将详细逻辑流程图表示成与硬件有对应关系的形式，为下一步的电路级设计提供依据。 5、逻辑电路设计：电路级设计是指选择合理的器件及连接关系以实现系统逻辑要求。电路级设计的结果通常采用两种方式来表达：电路图方式和硬件描述语言方式。EDA软件支持这两种方式的输入。 6、仿真、验证：当电路设计完成后必须验证设计是否正确。目前，数字电路设计的EDA软件都有具有验证(也称为仿真、电路模拟)的功能，先通过电路验证(仿真)，当验证结果正确后再进行实际电路的测试。3.3 设计步骤及程序分频模块