数字系统实验--第13周任务

  • 任务书
    • 0．简介
    • 1. 实验操作：1周
    • 2. 完成并在线提交文档（100%）
      • 日志（系统功能描述）
      • 报告（目的 设计 实现 总结）
    • 3. 三位数码管数据显示实验在线验收
  • 三位数码管实验——实验日志及报告
    • 1. 实验日志
      • 1.1三位数码管实验下载与观察
      • 1.2示波器测量位选信号和时钟信号
    • 2. 实验报告
      • 2.1实验目的
      • 2.2设计
      • 2.3实现
      • 2.3.3顶层优化
    • 3. 总结

工程链接：pan.baidu.com/s/1ePuW8p2bFjpXghkmtYCm9g
提取码：1gdu
仅供参考

任务书

0．简介

完成3位数码管动态扫描显示实验并完成测量，在线提交文档并完成验收。

1. 实验操作：1周

步骤：
① 复习阅读课程平台上“三位数码管1（第一次）”、“三位数码管2（第二次）”、“三位数码管3（第三次）”中各部分内容；
② 观看“三位数码管1（第一次）”/1-3/案例结果中的下载和操作视频；
③ 在“三位数码管验收（第四次）”中下载文件：test_7segZ1.pdsprj。进行工程仿真，记录实验结果。
图纸选用的资源如下：
74161、74LS00、7474、power、ground、74HC257、switch、DIPSW_8、RES、74HC138、NOT、NOR_2、7SEG-MPX4-CC-BLUE、信号发生器、示波器
④ 示波器测量时钟信号CLK以及位选信号，微调信号发生器的频率，观察示波器的显示结果并分析说明；
⑤ 拨动拨码开关，观察7SEG-MPX4-CC-BLUE的显示数字完成实验报告中对应部分：
提供的工程电路如下：

2. 完成并在线提交文档（100%）

日志（系统功能描述）

时间：（记录日志的时间）
◆ 3位数码管实验下载到实验板上的操作说明以及现象描述：（5%）
◆ 示波器测量位选信号和时钟信号的截图+文字说明：（15%）（proteus仿真观察）

报告（目的 设计 实现 总结）

  • 实验目的（含目标和资源）：（5%）

  • 设计
    ◆ 模4计数器顶层电路图（含管脚分配的）截图+文字说明（10%）
    ◆ 模4计数器下载现象描述并举证从验证实验时的现象上如何看出你实现的电路行为正确并下结论。（10%）
    ◆ 比较仿真验证与下载验证2种方法（10%）

  • 实现
    ◆ 顶层电路截图（带附加电路与管脚分配），并说明各模块的功能与实现方式等方面；（10%）
    ◆ 下载实作截图，列表记录输入0-f时，7449译码符号的显示情况；（5%）（“三位数码管1（第一次）”/1-3/案例结果中的下载和操作视频）
    ◆ 在不删除7449的情况下，如何优化让其能正确显示数据“A-F”； 说明自己的设计思路并在proteus中实现;（20%）

  • 总结 （10%）
    总结从以下4个方面中任选3个来写：
    【1】 学到的知识；
    【2】 掌握的技能；
    【3】 人文：文字记录社交、生活心得
    【4】 记忆：归纳2~4类重要点图示记忆方法

3. 三位数码管数据显示实验在线验收

三位数码管实验——实验日志及报告

1. 实验日志

实验日期：2020.5.20
计科1802 展双龙 201808010205

1.1三位数码管实验下载与观察

1.1.1操作说明：
待完成时序验证、管脚分配后：
将下载电缆线与USB接口连接，打开实验板电源开关。选择Tools->Programmer命令进入下载窗口（尚无实验板）；单击Hardware Setup键，进入电缆配置窗口，USB版电缆在Available hardwa items列表选择USB-Blaster；然后选择Add File，选中.sof文件完成配置；
选择Add Hardware，在Hardware type列表中选择ButeBlaster II项，Port栏为LPT1，之后Start，Progress栏中出现100%则下载成功。
1.1.2 实验现象：
下载成功后，三位数码管显示的都是0，且持续显示，熄灭时间极短，X0、Y7二极管常亮，拨动CLK开关，降低时钟频率，三个数码管依次显示；对三个通道分别进行设置，将配置的拨码开关相应的调整后可以看到数码管显示出相应的数字。

1.2示波器测量位选信号和时钟信号

【位选信号、时钟信号截图】

【说明】
黄色为时钟信号，蓝色为位选信号，信号发生器的频率调为10HZ；
这里三个数码管循环显示，在计数器的时候产生的是0,1,2,3，时间比为2：1：1：1其中0表示了一个数码管，1表示了一个数码管，2,3共同表示了一个数码管，导致最终的三个数码管的时间之比为2:1:2，可以借此算出频率；
因为位选信号从0-3循环展示，且这里的sel信号为选择信号高位，因此，示波器的位选信号部分在时钟两个周期中变一次；

2. 实验报告

2.1实验目的

A.结合三位数码管显示实验，熟悉软件quartusII的使用，熟悉FPGA开发模式； 
B.熟悉DDA系列数字系统实验平台的使用；
C.在DDA—IIIA实验平台上完成三位数码管显示实验的观察与测量，进一步加深通过实验板验证电路的方法；
D.了解图形输入、文本输入、层次实际的过程； 
E.了解图形输入的注意事项和画图技巧；

2.2设计

2.2.1模4计数器电路图

芯片号：cycloneII ep2c5t144c8

管脚分配：clk：pin_91、q[1]：pin_118、q[0]：pin_115
说明：模4计数器可记录5个脉冲，以实现控制功能。
Quartus II工程设计过程：创建工程文件、电路设计、编译综合、仿真验证、引脚配置、编程下载、硬件验证等。采用74164芯片为设计核心，74164是4位二进制计数器，带同步载入，异步清零。模4计数器采用00 01 10 11 00循环计数。

波形仿真验证：

第一个上升沿为0，第二个上升沿为1，第二个上升沿为2，第三个上升沿为3，第四个上升沿为0，接下来的上升沿都将这样变化。

2.2.2模4计数器下载现象描述
【现象】
下载好对应的文件后，实验板上只有分配好的两个二极管引脚118、115发光。且呈现的发光顺序是两个都不亮-左面不亮右面亮-左面亮右面不亮-两个都亮-两个都不亮。用数字可表示（0，0）（0，1）（1，0）（1，1）（0，0）;
【如何验证电路正确并下结论】
若在时序仿真的情况下，将clk时钟信号设置为以100ns的周期信号后，观察结果q的值随时钟信号变化的过程，如果q随着时钟上升沿改变并且改变的过程为01230这样往复循环，则表明结果正确。
在下载验证时，若设置的两个发光二极管是按照正确的发光周期即上述发光顺序则可以说明电路形为正确。

2.2.3比较仿真验证和下载验证
【仿真验证】
仿真验证分为功能验证和时序验证。一般时序仿真相较于功能仿真会有延迟。但是时序仿真更能反映出一个实验的真实状况。而我们做实验时一般采用功能仿真。仿真验证的优点是不需要分配引脚，可以简单地改变输入信号，结果以波形图表示出来，静态显示结果更便于观察、分析。但是，当我们的设计文件比较大时，仿真速度会变得很慢，这让我们的验证速度大打折扣。仿真验证可以观察每个时刻的q，比较方便观察，而下载验证则仅能看到一个时钟的结果，但是在实验板上进行验证更加接近现实结果，可以更明确地看到它随时钟的变化。

【下载验证】
下载验证相比于仿真验证就比较麻烦。需要事先分配好引脚，然后将设计好的电路下载到实验板上从引脚的亮灭情况来判断输出的是高电平(“l”)还是低电平（“0"）。操作较为繁琐。优点是可以清晰地看到二极管的变化，且下载验证更具实践性和真实性。缺点是有些现象通过人眼观察可能并不是很明显，仍有漏洞，且验证速度较慢。

2.3实现

2.3.1顶层电路描述
【顶层电路图】

【管脚分配】

如图按照仿真示例进行管脚的分配；

【波形仿真】

如图，din0、din1、din2的值分别设置为1、2、3；
0-150ns：位选信号为00，beg信号选择第1个数码管显示，显示为din0的值1，显示正确；
150ns-250ns：位选信号为01，beg信号选择第2个数码管显示，显示din1的值，显示正确；
250ns-350ns、350ns-450ns：位选信号分别为10、11，beg信号都对应着第3个数码管，显示din3的值，显示正确；

【模块说明】
Counter4：模4计数器，接受时钟信号进行计数。模4计数器将值进行累加并输出给2-3译码器和三选一选择器。通过画图的方式实现。
Decoder2-3：2-3译码器控制位选信号的输出，接受模4计数器传来的信号，输出数码管的位选信号，通过画图的方式实现，电路图如下：


MUX4-3-1: 三路选择器可以同时输入三路数据与模4计数器传来的信号。通过控制3路4位数据的选择输出，通过编写vhdl语言的方式实现，代码如下：

2.3.2下载实作（proteus实现）
输入0-f时，7449译码符号显示情况：

可以看出，7449能够正常显示0-9（但是个人感觉6的显示不太正确），但不能显示a-f，并且，其显示的情况与波形仿真情况相同，波形仿真图：

段选信号分别对应（与实作仿真结果完全相同）：
a：0001101、b：0011001、c：0100011、d：1001011、e：0001111、e：0000000

2.3.3顶层优化

思路：如实作截图所示，7449译码器不能编码10-15即a-f。可以通过VHDL对其进行修正（因为使用的7449符号是read-only的，不能直接改变这个器件），设计一个VHDL实现的模块将输入a~f的输出信号修改成特定的信号。将手动输入4位构成的编码，输出对应的7位段选信号。
即当输入10~15时，使译码器输出的信号在数码管上呈现’A’、’b’、’C’、’d’、’E’、’F’这6个字母。

修正模块的代码：

更改后7449部分电路图（剩余部分均不变，只是在7449输出后加一个修正模块）：

时序波形验证：

说明：
前面09不变，观察1015的变化；
从1.1us至1.7us分别输出a-f的译码情况，可以看出：
A输出1110111、b输出0011111、C输出100110、d输出0111101、E输出1001111、F输出1000111；在数码管上的显示刚好是’A’、’b’、’C’、’d’、’E’、’F’这几个字符，验证正确。

3. 总结

【知识技能】
从3位数码管这个实验，我学到了很多，收获了很多经验。首先是学到了新的验证方法，也就是下载验证，了解到了下载验证与时序仿真的区别；在第一周的学习中初步了解了实验板的使用方法以及工作原理，接着通过数码管这个实验进一步加深了对实验板运用的方法，同时了解了数码管的工作原理。
【人文】
另外，虽然在疫情期间无法返回学校，只能在家学习，但老师们提供的学习平台和scrom学习方法带来了其他学科所无法比拟的便利，有一些不懂之处也在与其他同学的交流中得到了详细的解答，这种线上学习的方式让我更加懂得沟通、交流，相互学习、取长补短的重要性在这次实验中体现的淋漓尽致。
【记忆方法】
而在记忆方法上，我觉得可以通过绘制流程图、或者思维导图的方式将实验的一些要点记录下来，以便于在实验中有一个清晰的脉络。当然，实验最重要的还是实践，只有自己去动手尝试，才能真正的学到知识。

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