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数字电路的基本原理范文1
【关键词】模拟电路;数字电路;区别辨析
Abstract：With the rapid development of science and technology，electronic circuit’s function is more comprehensive and system scale becomes larger and larger，so it can be applied in wider fields and closer to human production and life.Electronic circuit can be divided into two major categories，digital circuit and analog circuit，according to their function.There are many notable differences between the two kinds of circuits.It is of extremely vital significance to distinguish the two clearly，so as to improve the design and optimization of electronic circuit.
Key words：analog circuit;digital circuit;difference
随着科学技术的突飞猛进，电子电路的自身功能不断增强，晶体管的尺寸不断减小，系统规模不断扩大，应用领域不断拓展，与人类生产、生活的密切度不断提升。电子电路按照功能可以分为数字电路和模拟电路两大类。模拟电路是处理连续函数形式的模拟信号的电子电路。数字电路是用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路，又称数字逻辑电路（以“开”、“关”两种状态或者以高、低电平来对应“1”和“0”二进制数字量）。模拟电路和数字电路有着显著的区别。
1.信号变化的特点不同
模拟信号的大小是随着时间连续变化的，即模拟信号在时间和数值上是连续的，幅值可由无限个数值表示。而数字信号在时间和数值上是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。因此，模拟电路更加关注电压、电流的具体值，而数字电路则更加关注电平的高低。
2.处理信号的手段不同
模拟电路和数字电路都是信号变化的载体，对模拟信号能够执行的操作，如滤波、放大、限幅等都可以对数字信号进行操作。
模拟电路对信号的处理主要是通过场效应管的放大特性来实现的，当然还包括电阻、电容、二极管、双极型晶体管等元器件的特性，最终利用一定的数学模型所组成的运算网络来实现。处理方式有测量电桥、信号放大、信号滤波、调制解调、信号变换和AD变换。而数字电路对信号的传输主要是通过场效应管的开关特性来实现操作的，并由场效应管构成与或非等基本门电路、触发器、寄存器、编码/译码器、算术逻辑单元等完成复杂的算术与逻辑操作。
尽管模拟电路和数字电路对信号的处理方式不同，但其实从根本上来说，所有的数字电路都是模拟电路，其基本的电学规律、电学原理，都与模拟电路一致。例如，用PMOS管和NMOS管可以构成互补式CMOS电路，其对称且互补的结构，恰好使其能处理高低数字逻辑电平。
3.信号抗扰动能力的强弱不同
通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声，把来自外部原因的扰动称为干扰，干扰有一定的规律性，可以减少或消除。
在模拟电路中，由于信号几乎完全将真实信号按比例表现为电压或电流的形式，造成模拟电路对于噪声的影响比数字电路更加敏感，模拟电路系统中各个不同部分的偏差积累起来，使得偏差量的负面影响变得较为显著。模拟信号在多次处理和长距离传输的过程中，波形会发生改变，若处理不当，将造成信息损失，具体表现为图像、声音失真，严重时甚至会出现信号中断现象。通过使用屏蔽导线，或者在电路中引入低噪声运算放大器，可以尽量缓解噪声的负面影响。而数字电路是由许多的逻辑门组成的电路，信息只取决于高低电平，只要信号的偏差在一定范围内，就不会造成误码。
因此，从信号处理的角度看，对信息进行量化的数字电路系统比模拟电路系统抵御噪声的能力、信号抗干扰能力更强，信号的精度更高。
4.电路设计的难易程度不同
模拟电路的设计常常需要更多的手工运算，其设计过程的自动化程度低于数字电路，因此模拟电路的设计通常比数字电路的设计更难，对设计人员的水平和能力要求更高。这也是数字电路系统比模拟电路系统更加普及的原因之一。但是因为自然界的大多数实际信号是模拟的，所以数字式电子设备、电子产品要在真实的物理世界中得到应用，就离不开一个模拟的接口。例如，数字电视机的基本原理就是将电视台送出的图像及声音信号数字化后调制发送，由数字电视接收后，解调还原出原来的图像及声音。因为全程均采用数字技术处理，因此，信号损失小，接收效果好。
目前电路设计自动化程度日益上升，常用的电子电路设计和分析软件主要有：EWB、PSPICE、Protel、Mentor、Graphics、Synopsys、Cadence等等。我们根据软件功能分为以下几类：
（1）电子电路设计与仿真工具
包括SPICE/PSPICE、EWB、Matlab、SystemView等。它们可以进行各类电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。
（2）PCB设计软件
包括Protel、Autium Designer等。这两者功能类似，都包含了原理图绘制、印刷电路板设计、模拟电路与数字电路混合信号仿真、可编程逻辑器件设计等功能，界面友好、使用方便，目前主要用于电路设计和PCB设计。
（3）IC设计软件
Cadence、Mentor Graphics和Synopsys是ASIC设计领域相当有名的软件供应商，提供的软件都非常适用于深亚微米的IC设计。对于模拟电路而言，普遍使用HSPICE，是因为它的模型最多，仿真的精度也最高，可以满足大多数设计者的需要。
（4）PLD设计工具
PLD是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。目前主要有两大类型：CPLD和FPGA。由于PLD的在线编程能力和强大开发软件（如Xilinx公司的ISE、Altera公司的Quartus）的存在，工程师可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内，大大缩小了电路的尺寸以及开发周期。
5.总结
模拟电路和数字电路有着诸多显著的区别，辨析清楚两者的区别对电子电路的改进、设计和研发有着十分重要的意义。
人类电子学发展史上第一个被发明出来并得到大规模生产的器件是模拟的。后来随着微电子学的发展，数字技术的成本大大降低，加之计算机对于数字信号的要求，使得数字式的方法在人机交互等领域具有可行性和较高的性价比。当然，尺有所长，寸有所短，模拟电路和数字电路有着各自的优缺点，适用的方向也不同。电子电路的发展，经历了从模拟到数字的进步，但不等于数字电路可以完全取代模拟电路，也不能简单地说哪一个更实用、更有效。我们设计电路时，应该扬二者之长，避二者之短，使两者融为一体、交相辉映（如数模混合电路、数字模拟电路、模拟数字电路），从而达到电路体积更小、功能更强、功耗更低、成本更低、集成度更高、稳定性更好、可靠性更高的理想效果。
参考文献
[1]逄亚清.模拟电路与数字电路区分及实用知识的探讨[J].山东工业技术，2013，12：155.
[2]苏成富.模拟电路与数字电路[J].电子制作，1998，02：17.
数字电路的基本原理范文2
【关键词】数字电路课程；实践平台；工程设计；实验
1概述
在教学过程中，具备数字系统设计实践工程能力，涉及相关数字系统课程体系教学与实践，在各高校的电气、电子信息类专业中，数字电路是一门专业基础课程，随着数字技术应用领域的不断扩大，在后续专业课程中，显而易见，随着电子产品数字化部分比重增大，它在数字系统设计中基础性地位越来越突出。
因此，培养适合现代电气、电子、信息技术发展的卓越人才，创新数字电路的课程几次理论与工程实践教学迫在眉睫。
根据我校近几年电气、电子课堂教学的实践情况，数字电路课程应该以面向应用的数字电路设计为核心，在熟练掌握基本电路教学内容的基础上引入先进的数字系统设计方法的课程教学和实践内容。
工程实践过程中，逐步从自底向上的设计方法逐步转变到自顶向下的设计方法中来，以教师科研应用来拓展，以全面培养优秀数字设计卓越技术人才[1]。
2探索构建数字电路教学中的多层次的创新实践平台
2.1多层次的数字电路创新实验平台构思。
面向卓越人才培养的数字电路课程创新实践教学，可以分层次进行在各个教学阶段逐步推进，包括：面向基础的数字设计的基本原理与工程创新实验教学模块、面向应用的数字电路课程设计教学和结合科研项目的创新实践平台[2][6]。
多层次的数字电路创新实验平台架构如图1所示。
2.2数字设计的基础原理与实验教学。
数字电路基础原理和实验教学是数字系统设计的课程体系的基础入门阶段，是培养数字逻辑代数与逻辑电路的重要过程，大类可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路，其中时序逻辑电路主要包括：锁存器、触发器和计数器，组合逻辑电路包括，编译码器、多路复用器、比较器、加（减）法器、数值比较器和算术逻辑单元等。教学的目的是训练学生掌握组合和时序逻辑电路坚实理论基础，使学生掌握数字电路的基本概念、基本电路、基本分析方法和基本实验技能，不但要注重基本数字电路与系统设计理论的理解，同时让学生在学习中逐步了解面向应用和现代科技进步数字电路新的设计理念[2][3]。
2.3面向应用的数字电路课程设计实践教学。
随着电子设计自动化技术（EDA）和可编程器件（CPLD）的不断发展和应用，以EDA技术为主导的数字系统理念已经成为企业工程技术的核心。数字电路课程设计主要培养学生利用中小规模数字集成电路器件和大规模可编程器件进行数字电路设计和开发能力。在卓越工程师培养背景下，结合前阶段数字电路课程理论教学和实验教学的实际情况及EDA技术的发展状况，适时进行数字电路课程设计和EDA技术课程的综合衔接，以及课程深度融合[4]。主要内容包括：
2.3.1基于Multisim等相关软件的数字系统仿真实验。可以构建虚拟数字实验系统，不但较好地模拟实物外观外，还可以利用系统提供的实验平台开展实验的设计、仿真，进行实验内容的逻辑验证。
2.3.2基于通用和专用数字芯片的数字系统设计。其主要特点是有很好的直观性和具体性。
2.3.3基于硬件描述语言（HDL）的数学系统硬件描述。采用硬件描述语言实现数字逻辑设计，基于EDA环境仿真和验证。可以结合上述（1）和（2）的优点，采用硬件设计软件化技术应用于数字电路课程设计的实验教学中，通过综合性实验的自行设计和实验，对实验内容、实验规模、实验方法进行了综合创新设计[5]。
2.4结合科研项目的数字设计实验创新平台。
在高等院校，教师即承担教学任务，同时有各自的科学研究方向，同学们可以根据自己的研究兴趣，加入教师的科研团队，形成教学与科研互利的良性循环。面向卓越工程师培养的数字系统设计，可以借助横向或纵向科研项目形成综合教学体系。比如：搭建在线可编程门阵列（FPGA）创新实验平台，形成数字电路、电路线路课程设计、可编程逻辑器件以及集成芯片系统设计，形成面向数字系统设计的课程体系[3]。同时，应用高校与知名企业建立的校企合作平台，把企业界的研究信息和研发需求引入到教学平台，开拓了学生的研究思路和视野，提升了学生设计复杂数字系统的能力；目前，我校正在与国际知名的半导体公司Xilinx、Altera和Cypress陆续建立卓越人才大学培养计划，利用大学设置小学期，在FPGA和PSoC开发平台上进行了面向实际应用的数字系统设计，在实践平台上不仅有学校的任课教师，还有知名企业派来的一线工程师指导同学们的实践，相比改革前，取得很好的实践效果，同学们的数字系统设计水平得到了提高，同时在编程、接口、通信协议等方面也有了深刻的认识。
对于优秀的学生，借助全国各种形式的大学生电子（信息）设计竞赛这个创新平台，组织他们积极参与，激发他们的学习研究兴趣和创新意识，综合所应用的数字系统设计知识，发挥竞赛团队的协作精神。每年，我们都有部分优秀学生通过努力，创新设计的作品获得专业认可，并取得了良好的参赛成绩，也使得数字设计课程体系的建设上了一个新的台阶。
3基于创新平台的课程体系优化与实践
卓越工程师培养要求的数字电路系统设计课程体系协调好相关电气、电子类专业上下游相关理论课程、实验综合性设计同时得到协调发展。如何实践论文所提到的创新实验平台，应该引进现代数字设计理念，重点把EDA软件、设计工具、开发平台与传统的数字电路基础理论教学相衔接。我们在这几年对数字系统设计课程体系、创新实践教学内容等方面的进行了改革与探索，取得了一定的成效。经过这几年的实践，我们逐步构建了面向应用的数字系统设计课程优化体系[5]，如图2所示。
4不断探索数字电路理论教学内容的改革与实践
4.1以数字电路设计为目的强化基本逻辑电路理论教学。
在进行复杂数字系统设计之前应该熟练掌握这些常用基本组合和时序逻辑电路，包括电路的功能、电路的描述以及电路的应用场合等。
树立电路设计思想首先需要熟练掌握一些基本的逻辑功能电路。其次，树立电路设计思想需要理论讲解与实践相结合，逐步熟悉硬件描述语言的描述方式。数字系统设计强调采用硬件描述语言来对电路与系统进行描述、建模、仿真等[2][3]。
4.2掌握面向应用的数字系统工程设计方法。
学生在掌握数字电路基本概念和一般电路的基础上，进一步掌握数字系统设计的方法、途径和手段。其主要内容包括：数字系统与EDA的相关概念、可编程逻辑器件、硬件描述语言、电路元件的描述、数字系统的设计方法、开发环境与实验开发平台以及应用实例的介绍等。这些课程内容涉及面较广，为了提高教与学的效果，探索总结了以下的教学重点内容，并作为教学实践中的教学切入点[1]。
随着电子技术不断发展与进步，现代数字系统设计在方法、对象、规模等方面已经完全不同于传统的基于固定功能的集成电路设计[1][2]。现代数字系统设计采用硬件描述语言（HDL）描述电路，用可编程逻辑器件（PLD）来实现高达千万门的目标系统。这一过程需要也应该有先进的设计方法。根据硬件描述语言的特性和可编程逻辑器件的结构特点以及应用的需要，在教学过程中阐述了先进设计方法。例如：采用基于状态机的设计方法设计复杂的控制器（时序电路），应用或设计锁相环或延时锁相环来处理时钟信号，应用自行设计（IPcore）软核来提高数据吞吐量[1][2][3]。
4.3深化数字电路实验教学改革。
实验实践教学过程中，注重基础训练与实践创新相结合的实验教学改革思路，加强学生工程思维训练、新平台工具的使用、遇到逻辑问题的综合分析能力，理论与实践相结合的分析能力。在实践过程中的提高创新性和综合性能力，面向应用的数字电路创新平台建设，需要不断提高课程试验、实验和实践过程在教学中的比例，在符合认知规律的同时，逐步加强来源与实际需要的综合性数字设计实验。
5结语
数字电路是电气、电子信息类专业的一门重要的专业基础课程，论文针对当今卓越工程师培养的要求，以及在教学过程中遇到的主要问题，探讨了面向应用的数字电路课程创新实践平台。提出了多层次的数字电路创新实验平台结构和面向应用的数字系统设计课程优化体系。目的在于，通过课程及相关课程体系改革与创新，使得学生更快、更好的适应现代数字技术发展的需求。
参考文献
[1]孔德明.《数字系统设计》课程教学重点的探讨，科技创新导报，2012.1，173-174.
[2]任爱锋，孙万蓉，石光明.EDA实验与数字电路相结合的教学模式的实践，实验技术与管理，2009.4，200-202.
[3]叶波，赵谦，林丽萍.FPGA课程教学改革探索，中国电力教育，2010，24，130-131.
[4]秦进平，刘海成，张凌志等.电类专业数字系统综合实验平台研制，实验技术与管理，2012.6，75-78.
数字电路的基本原理范文3
1、课程目标
使学生具备本专业的高素质技术应用型人才所必需的电子电路逻辑设计基本知识和灵活应用常用数字集成电路实现逻辑功能的基本技能；为学生全面掌握电子设计技术和技能，提高综合素质，增强职业变化的适应能力和继续学习能力打下一定基础；通过项目的引导与实现，培养学生团结协作、敬业爱岗和吃苦耐劳的品德和良好职业道德观。本课程目标具体包括知识目标、能力目标和素质目标。
（1）知识目标：熟悉数字电子技术的基本概念、术语，熟悉逻辑代数基本定律和逻辑函数化简；掌握门电路及触发器的逻辑功能和外特性；掌握常用组合逻辑电路和时序电路的功能及分析方法，学会一般组合逻辑电路的设计方法（用SSI和MSI器件），学会同步计数器的设计方法；熟悉脉冲波形产生与变换电路的工作原理及其应用；了解A/D，D/A电路及半导体存储器、PLA器件的原理及其应用。
（2）能力目标：具有正确使用脉冲信号发生器、示波器等实验仪器的能力；具有查阅手册合理选用大、中、小规模数字集成电路组件的能力；具有用逻辑思维方法分析常用数字电路逻辑功能的能力；具有数字电路设计初步的能力。
（3）素质目标：培养学生学习数字电路的兴趣；培养学生团结合作的意识，培养学生自己查找资料能力。
2、课程定位
《逻辑设计》是计算机应用技术专业和电子信息类专业的一门重要硬件基础课，其理论性和实践性很强，尤其强调工程应用。是现代电子技术、计算机硬件电路、通信电路、信息与自动化技术的和集成电路设计的基础。在高速发展的电子产业中数字电路具有较简单又容易集成。通过本课程学习，熟悉小中大规模数字集成电路分析与应用，突出数字电子技术应用性，获得数字电子技术必要的基本理论基本知识和基本技能；了解数字电子技术的应用和发展概况，为后继课程及从事相关工程技术工作和科研与设计工作打下一定基础。《逻辑设计》在电子信息专业课程的地位，表现在其先导课程为《电工电子技术》，要求学生掌握由分立元器件组成的电子电路的识别与检测、与基本分析方法，掌握有关晶体管以及晶体管电路的分析方法等；其后续课程有《微机原理与接口技术》、《单片机技术应用》、《EDA技术应用》等。学习集成电路芯片在计算机及相关电子设备中的应用与作用。
二、逻辑设计课程教学内容
1、教学内容选取依据
（1）以培养高素质技能型人才为目标，教学内容选择与组织突出“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目主体--任务贯穿”为总体设计要求，在内容的选取上，首先立足于打好基础。在确保基本概念、基本原理和基本教学方法的前提下，简化集成电路内部结构和工作原理的讲述，减少小规模集成电路的内容，尽可能多地介绍中大规模集成电路及其应用。以能力培养为主线，以应用为目的，突出思路与方法阐述，力求反映当今数字电子技术的新发展。
（2）在教材内容编排上精心组合，深入浅出，做到概念清晰，逻辑设计思想严谨。教学实施中注重重点突出，层次分明，相互衔接，逻辑性强，以利于教学做一体化的整合。在讲义上力求简洁流畅，通俗易懂，便于学生自学。
（3）以实训项目为载体，采取任务驱动教学做一体化的实施，体现理论指导实践，实践深化理论的素质养成目的。
（4）依据各学习项目的内容总量以及在该门课程中的地位分配各学习项目的课时数。
（5）知识学习程度用语主要使用“了解”、“理解”、“能”或“会”等用来表述。“了解”用于表述事实性知识的学习程度，“理解”用于表述原理性知识的学习程度，“能”或“会”用于表述技能的学习程度。
2、教学具体内容安排
表决器电路设计与制作，抢答器电路设计与制作，同步计数器电路设计与制作，方波发生器电路设计与制作，数字钟电路设计与制作。
三、逻辑设计课程教学模式与手段
1、教材编写
教材编写体现项目课程的特色与设计思想，教材内容体现先进性、实用性，典型产品的选取科学，体现地区产业特点，具有可操作性。呈现方式图文并茂，文字表述规范、正确、科学。
2、教学模式
采取项目教学，以工作任务为出发点来激发学生的学习兴趣，教学过程中要注重创设教育情境，采取“教学做”一体化的教学模式，将知识、能力、素质的培养紧密结合，进一步加强职业教育教学改革研究，优化完善我校应用型人才培养体系。
3、教学方法
从教学手段、教案设计、教学思路、语言表述、教学资源等方面着手，对如何在课堂教学中提高学生的学习主动性和兴趣开展教研。教学过程有进行项目引导，任务贯穿，“提出问题”、“引导思考”、“假设结论”、“探索求证”，把握课程的进度，活跃课堂气氛，使大多数学生能够获得尽可能大的收获。采用“发现法”教学方式，使学生建立科学的思维方法与创新意识。学习内容的掌握依赖于学习者的实践，课程组加强了对教师教学及学生学习过程的管理；为使学生理解和有效掌握课程内容，在坚持课外习题练习、辅导答疑等教学环节的基础上，增加随堂练习、单元测验等即时性练习环节，督促学生复习和掌握已学知识点。
4、教学手段
充分利用挂图、投影、多媒体等现代化手段，发挥网络突破空间距离限制的优势，让学生能够最大限度的利用学习资源，自主地学习和提高，弥补课堂上未能及时消化吸收的部分内容。教学过程中相应教学班成立课程提高学习小组，任课教师课外指导该小组进行拓展学习及课外科技活动指导，达到因材施教的目的；一方面教师指导有兴趣能力强的学生进行课外学习，特别是对数字系统设计知识的答疑指导，为能力强的学生提供发展空间，解决因课时数限制而无法在课堂上深入讲授特定工程应用专题的矛盾。也加强了教师与学生的互动，教师可以第一手了解学生对教学过程的反馈，改进教学方法，利用学习好的学生带动整个班级的学习，促进良好班风学风的形成。探讨当前教学环境下，培养学生课外学习能力的新模式。
数字电路的基本原理范文4
Abstract： In our current digital circuit， the real analog circuit test box is not perfect， the function is too strong. Especially in the process of using the cost of each discrete components of the needle is easy to damage. In order to solve these problems， in a number of existing electrical， power module test box based on， the idea of digital and analog electronic experimental box combo， and joined the circuit analysis module， to become number of electricity， power module and circuit analysis of a test box. FPGA main control chip for digital circuit of discrete components， using FPGA program as the main core of the digital chip， on this basis to make more common use of the digital chip program. So that not only can save the cost of discrete components， but also can make the function of the experimental box is more powerful， more flexibility.
关键词： FPGA；实验箱；数字电路；模拟电路；电路分析
Key words： FPGA；experimental box；digital circuit；analog circuit；circuit analysis
中图分类号：TN79+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0154-03
0 引言
在我们目前所用的数电，模电实验箱配置不太完善，功能上局限性太强。特别是在使用的过程中成本较大，每个分立元器件的管脚针头容易损坏。由此，元器件不能充分利用，用独立芯片可以替代。
为了方便更多的专业人士和在校大学生做相关的数模电实验，特做出如此构思：在现有的数电，模电试验箱的基础上，实现数模电实验箱二合一的思想，并加入了电路分析的模块，使之成为数、模电和电路分析三合一的实验箱。实验老师根据学生在做实验过程中积累下的经验，需要在原实验箱的基础上做出改进。现有的实验设备数字电路芯片管脚不稳，报废率较高，浪费严重，实验项目选择性太少。用FPGA主控芯片代替数字电路的分立元器件，用FPGA程序作为数字芯片的主要核心，在此基础上做出更多常用数字芯片的程序。需用到的数字芯片，只需下载想用的程序即可实现响应的功能。数电，模电，电路分析实验箱将会组合到一块。这种改动之后，不但能节省分立元器件成本，还可以使实验箱的功能更加强大，灵活性更高。
1 FPGA介绍
FPGA是20世纪80年代中期出现的一种新型的可编程逻辑器件，其结构不同于基于与或阵列的器件。其最大的特点是可实现现场编程。所谓现场编程是指对于已经焊接在PCB上或正在工作的芯片实现逻辑重构，当然也可在工作一段时间后修改逻辑。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。（图1-5）
2 系统设计与实现
为了实现数电、模电、电路分析实验箱一体化，增强实验应用范围。根据学生平时实验结果的积累和总结，特对该实验箱做出更新。制作出如下方案：
①数电、模电实验箱整合。功能模块可共用，电源模块重复使用。但特定的功能模块经过改进后需重新放置。
②数电使用的独立分立逻辑芯片不再使用，统一使用可编程逻辑芯片FPGA来代替独立的逻辑芯片。这样做的好处就是使实验不再单一化，芯片功能可根据FPGA的程序来设定，不再需要人为的选择逻辑芯片。芯片的选择性更大了，更多常用的逻辑芯片都可在此平台上实现出来。芯片管脚也不再受限制。常用的逻辑芯片都可实现。
③函数信号发生器部分不再需要人为的测试输出的信号频率，我们在底板上直接设计频率测定和频率显示的功能。设计出的实验箱没有很大的选择限制，这一块可代替常用的逻辑芯片和独立电子元器件。（图6）
实现学生实验的强大功能，用户可在实验箱上做相关的数电、模电和电路分析等实验。使用户更快的了解电子设计和应用原理，拓宽用户的视野，提高实验效率，节省实验所需时间。通过下载硬件程序扩充数字逻辑芯片的数量，科研人员也可以在此基础上使用自己相关的逻辑芯片功能，增加了受众人群。不再需要购买独立数字器件在面包板上做不确定的实验。还要考虑面包板管脚连接是否正常等问题。常用数字逻辑芯片，足够满足学生们做实验。还在一定程度上使同学们了解了可编程逻辑器件的强大功能。（图7）
4 结束语
虽然数电，模电等学科的实验箱一直在发展，但是发展的较为缓慢。我们提出设计的基于FPGA的全能硬件实验箱（数/模/电路分析实验箱）利于当前较为先进成熟的FPGA编程技术，实现数字电路，模拟电路，电路分析三科实验与一套实验箱，使用户更快地了解电子设计和应用原理，拓宽用户的视野，提高实验效率，节省实验所需时间。具有创新与实用积极意义。此实验箱外观做的比较粗糙，后续我们会积极完善，在功能上我们会优去拙，使实验箱不仅更加美观，也会更加实用！
参考文献：
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术[M].四版.北京：高等教育出版社，2006，5（2012.12重印）.
[2]范文兵.数字电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2007：12.
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[4]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京航空航天大学出版社，2003.
[5]王晓勇.FPGA的基本原理及运用[J].舰船电子工程，2005（2）.
数字电路的基本原理范文5
关键词：VHDL；CPLDCPU
中图分类号：TP312 文献标识码：B文章编号：1009-9166（2008）33（c）-0049-01
CPU因其在各大系统中处于核心位置而在硬件电路设计中备受关注，但因其结构复杂，所涉专业背景多而不被一般人掌握。CPU设计极具代表性，虽发展日新月异，但就其基本原理而言大同小异。VHDL语言是符合IEEE标准的当今世界最为流行的硬件描述语言。下文通过对CPU结构模型的简化，依托综合实验平台，所描述的简易4位CPU，能实现加、减、乘、移位等操作。
一、系统功能设计。精简CPU结构模型，运用Altera公司的MAX7000s系列芯片，依托综合实验板，运用状态机实现了微机指令系统。其指令的分析和执行过程与微机中的CPU相似，能完成简单的算数运算和逻辑运算。
二、设计与实现。(一)、简易4位CPU的基本结构单元。1）程序计数器；2）输入与MAR(Memory Access Register)；3）16×8RAM；4）指令寄存器；5）累加器(Accumulator)；6）二进制显示(Binary Display)；7）B寄存器(B Register)；8）输出寄存器(Output Register)；9）运算器(Calculater)
（二）、寻址方式介绍。本设计中的4位CPU指令共有8个且可分为两种类型，如下表：
对状态机的主要部分的描述和注释：IF(clk'event AND clk='0')THEN--时钟下降沿触发
IF(run='1')THEN--如果CPU运行信号为
CASE pstate IS
WHEN s0=>nstate
f1:=true;--标志f1置true
IF(breg="00000000")THEN--如果B寄存器值为0
mar
END IF;
WHEN s1=>nstate
IF(breg="00000000")THEN--如果B寄存器值为0
IF(flag=true)THEN --标志为true
pc
flag:=false;--标志flag置false
END IF;--如果不满足条件，是因为正执行多次移位的指令
END IF;--只有移位完才能执行下一条指令，所以程序计数器数值不变
（四）、简易4位CPU功能仿真（加法）。以下是计算10+15+17-20=1C（十六进制加减计算）的VHDL源程序，这部分将写入ROM中：ARCHITECTURE rtl OF ROM16x8_1 IS
BEGIN
dataout
"00011010" WHEN (address="0001" AND ce='0') ELSE
"00011011" WHEN (address="0010" AND ce='0') ELSE
"00101100" WHEN (address="0011" AND ce='0') ELSE
"11100000" WHEN (address="0100" AND ce='0') ELSE
"11110000" WHEN (address="0101" AND ce='0') ELSE
"00010000" WHEN (address="1001" AND ce='0') ELSE
"00010101" WHEN (address="1010" AND ce='0') ELSE
"00010111" WHEn (address="1011" AND ce='0') ELSE
"00100000" WHEN (address="1100" AND ce='0') ELSE
"00000000";
END ARCHITECTURE rtl;
10+15+17-20=1C（十六进制加减计算）仿真波形图如下：
总结：采用自顶向下的设计方法，将复杂的CPU有效划分位状态机模型再进行设计和编程，并用QuartusII软件进行了仿真，最终在MAX7000s综合电路板上验证通过，很好地模拟了CPU的工作过程。但此设计亦有不足之处：1.没有直接实现除法；2.算数没有优先级。另外，综合开发板上的MAX7000s系列性能过低也是制约设计复杂的数字电路障碍之一。
作者单位：北京邮电大学电信工程学院
作者简介：吉祥（1986年-），男，汉族，上海长宁区人，北京邮电大学 电信工程学院2005级电子信息工程本科生。
参考文献：
[1]张亦华,延明.数字电路EDA入门――VHDL程序实例集[M].北京.北京邮电大学出版社.2002
[2]姜立东.VHDL语言程序设计及应用[M].北京:北京邮电大学出版社.2004
数字电路的基本原理范文6
关键词：CORDIC；VHDL；实现；流水线
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)30-0716-02
The Implementation of Pipeline CORDIC Algorithm Based on VHDL
ZHAO Lin-jun
(Shanxi University of Technology, Hanzhong 723003, China)
Abstract: From the basal principle of CORDIC algorithm, this paper discusses the algorithmic course of work and its coverage range of revolution angle. Based on this, the article gives a pipelined structure which realized by FPGA and a VHDL program. Compiled and simulated by QuartusⅡ6.0, its operational results has a higher precision. Finally, the essential way to improve the CORDIC performance has been pointed out.
Key words: CORDIC; VHDL; Implementation; Pipeline
1 引言
CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)算法是J.Vocder[1]于1959年在美国航空控制系统的设计中提出来的一种用于计算平面直角坐标系和极坐标系下函数值的循环迭代算法，J.S Walther[2]将其推广了CORDIC算法，将圆周旋转、线性旋转与双曲线旋转均包括到了同一个CORDIC迭代方程之中，由于该算法仅涉及移位与加减运算，便于软硬件实现，因而受到了人们的广泛关注。目前该算法已经应用到FFT、DCT、DWT、DDFS以及极化调制等诸多领域。本文从CORDIC算法的基本原理出发,论述了其流水线结构的FPGA实现的具体方法及其产生正余弦信号的VHDL实现，文中的代码经Quartus6.0编译通过，仿真结果表明文中的设计方法是可行的，且运算结果具有较高的精度。
2 CORDIC算法的基本原理
CORDIC算法的基本原理是如图1所示。设初始向量V1(x1,y1)，顺时针旋转θ，得向量V2(x2,y2)，这一过程数学上可表示为：
补码表示时，有限字长的数据左移最终结果为零，因此CORDIC算法的迭代次数是受现与参与运算数据的字长的。当字长选择16bits时通过增加两级i=0旋转，使其旋转角度在-π~+π，此时的增益因子大小应为：
由于VHDL只能对定点整数进行综合，因此要对理数据需要进行取整处理，本文研究的系统采用实际数据×2n-1后取整来处理（n为字长），其MSB为符号位。
3 CORDIC算法的FPGA实现[4,6,8]
一个字长16位的18级流水线结构的CORDIC算法如图2所示。其VHDL程序设计的关键语句采用if语句实现。在同一个process中，多条if语句是顺序执行的，因此可以用来实现流水线工作方式。一个完整的if语句为：
if (theta(i)>0) then
x(i＋1)
y(i＋1)
theta (i＋1)
else
x(i＋1)
y(i＋1)
theta (i＋1)
end if;
其中：SRL(m,k)实现数据m右移k位，并返回值为移位后的结果。
4 仿真结果
采用上节的if语句，按照图2编写了可产生正余弦信号的CORDIC运算程序，图3给出的是QuartsⅡ 6.0环境下调试的仿真结果，其中y_o输出的是输入角度的cosine值，x_o输出是输入角度sine值。为了便于理解，表3给了图3中有关数据的具体含义。
5结束语
由表1可以看出，cordic运算结果相当精确。由图3（b）可以看出流水线时钟的转换初期，计算输出存在毛刺，经分析其主要是由if语句中的条件判断与移位函数的延迟引起的，读者可参阅文献[6，7]中的改善方法对本文中的代码进行修订，以进一步提升其性能。
参考文献：
[1] Volder J E. The CORDIC Trigonometric Computing Technique[J].IRE Transactions on Electronics Computers,1959,8(3):330-333.
[2] Walther J S. A Unified algorithm for elementary functions[C].Spring Joint Computers Conference,1971:379-385.
[3] 赵鑫.VHDL与数字电路设计[M].北京：机械工业出版社,2005.
[4] 刘凌.数字信号处理的FPGA实现[M].北京：清华大学出版社,2006.
[5] 李涛,韩秋月.基于流水线CORDIC算法的三角函数发生器[J].电子技术应用,1999,(6):52-53.
[6] 张欣,扩频通信数字基带信号处理算法及其VLSI实现[M].北京:科学出版社,2004.
[7] Hu Y H. The Quantization Effect of the CORDIC Algorithm[J].IEEE Trans on SignalProcessing,1992,40(4):834-844
