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徐少莹 著

图书标签:

• 数字电路
• FPGA
• 实验教程
• 电子工程
• 大学教材
• VHDL
• Verilog
• 数字逻辑
• 可编程逻辑器件
• 实践教学

出版社： 西安电子科技大学出版社

ISBN：9787560629414

版次：1

商品编码：11183593

包装：平装

开本：16开

出版时间：2012-11-01

页数：288

内容简介

　　《数字电路与FPGA设计实验教程》是国家电工电子实验示范中心规划教材。全书共6章：第1章介绍了数字电路设计方法与实验方法；第2章介绍了常用计算机EDA软件；第3章介绍了数字电路的VHDL描述方法；第4章介绍了数字电路常用实验仪器；第5章是数字电路基础实验；第6章是数字电路的FPGA设计实例。
　　《数字电路与FPGA设计实验教程》内容丰富，编排合理，可作为通信工程、电子信息工程、自动控制、电子科学与技术、电气信息工程、微电子学等专业本科生、专科生的数字电路和数字电路EDA课程的实验教材以及课程设计的参考书，也可供工程技术人员参考。

目录

第1章 数字电路设计方法与实验方法
1.1 概述
1.2 数字电路的设计方法
1.2.1 数字电路设计的基本原则
1.2.2 数字电路设计的一般步骤
1.2.3 单元电路的设计
1.3 数字电路实验的一般步骤
1.4 数字电路实验方法
1.4.1 实验规则
1.4.2 电路调试中应注意的问题
1.4.3 检查故障和排除故障的一般方法

第2章 计算机仿真软件、 FPGA设计软件和PCB设计软件介绍
2.1 NI Multisim软件简介
2.1.1 NI Multisim 10的主窗口及工具栏
2.1.2 电路原理图的输入与绘制 12）
2.1.3 Multisim中仪表库的使用
2.1.4 Multisim 10 的电路分析功能
2.2 FPGA设计软件Quartus Ⅱ简介
2.2.1 简介
2.2.2 Quartus Ⅱ软件的设计过程
2.2.3 设计输入
2.2.4 设计项目的编译
2.2.5 设计项目的仿真验证
2.2.6 时序分析
2.2.7 引脚分配
2.2.8 器件编程
2.3 PCB设计软件Protel 99SE简介
2.3.1 原理图设计
2.3.2 印制电路板PCB设计

第3章 数字电路的VHDL描述方法
3.1 VHDL简介
3.1.1 VHDL的诞生
3.1.2 VHDL的特点
3.1.3 VHDL语言设计基本流程
3.1.4 软件开发工具
3.2 组合电路的VHDL描述
3.2.1 VHDL的基本模型结构
3.2.2 VHDL实例
3.2.3 VHDL的数据对象和数据类型
3.2.4 VHDL的运算操作符
3.2.5 VHDL的基本语句
3.3 时序逻辑电路的VHDL描述
3.3.1 时钟信号不同表述下D触发器的VHDL描述
3.3.2 进程PROCESS语句
3.3.3 VHDL实例介绍
3.3.4 有限状态机设计
3.4 层次化设计的VHDL描述
3.4.1 层次化设计方式
3.4.2 子程序结构
3.4.3 用于层次化描述的VHDL语言基础
3.4.4 层次化设计实例

第4章 数字电路实验常用电子仪器简介
4.1 概述
4.2 函数信号发生器
4.2.1 函数信号发生器的实现方法
4.2.2 函数信号发生器TFG1010的使用
4.2.3 函数信号发生器FG506的使用
4.3 示波器
4.3.1 数字存储示波器的特点
4.3.2 数字存储示波器GDS2062的介绍与使用
4.4 数字电路实验箱
4.4.1 数字电路实验箱简介
4.4.2 数字电路实验箱框图简介

第5章 数字电路基础实验
5.1 组合逻辑研究实验一
5.1.1 实验准备与要求
5.1.2 设计举例
5.1.3 实验内容
5.2 组合逻辑研究实验二
5.2.1 实验准备与要求
5.2.2 设计举例
5.2.3 实验内容
5.3 集成触发器实验
5.3.1 实验准备与要求
5.3.2 实验内容
5.4 计数器及其应用研究实验
5.4.1 实验准备与要求
5.4.2 设计举例
5.4.3 实验内容
5.5 移位寄存器及其应用实验
5.5.1 实验准备与要求
5.5.2 实验原理
5.5.3 实验内容
5.6 脉冲波形的产生与形成实验
5.6.1 实验准备与要求
5.6.2 实验原理
5.6.3 实验内容
5.7 发光二极管点阵显示器的应用实验
5.7.1 实验内容及要求
5.7.2 设计说明及思路提示
5.7.3 设计举例
5.8 时钟控制器的设计实验
5.8.1 实验内容及要求
5.8.2 设计说明及思路提示
5.9 十字路口交通灯自动控制器的设计实验
5.9.1 实验内容及要求
5.9.2 设计说明及思路提示
5.10 D/A及A/D转换器实验
5.10.1 实验要求
5.10.2 实验原理
5.10.3 实验内容与步骤

第6章 数字电路的FPGA设计实例
6.1 数字电路的FPGA设计方法
6.2 基于FPGA的DDS波形发生器的设计
6.2.1 DDS的基本原理
6.2.2 DDS的顶层设计
6.2.3 子模块设计
6.2.4 功能和时序仿真
6.3 VGA视频信号产生
6.3.1 设计原理
6.3.2 VGA同步信号产生
6.3.3 字符的视频显示设计
6.4 PS/2键盘接口的FPGA设计
6.4.1 PS/2接口连接器
6.4.2 键盘扫描编码
6.4.3 PS/2串行数据传输
6.4.4 用FPGA实现PS/2键盘接口通信的VHDL设计
6.4.5 设计应用
6.5 EDA综合设计题目
6.5.1 自动售货控制系统设计
6.5.2 PS/2键盘接口控制器设计
6.5.3 VGA图像显示控制模块
6.5.4 基于FPGA的电梯控制系统的设计
6.5.5 洗衣机洗涤控制系统的设计
6.5.6 基于FPGA的多路数据采集系统的设计
附录 数字集成电路外引线排列图
参考文献

前言/序言

《数字逻辑与硬件实现：从原理到实践》 内容概述 本书旨在为读者提供一个系统而深入的数字逻辑设计学习体验，从最基础的逻辑门操作出发，逐步引导读者掌握复杂的数字系统构建技术。全书结构清晰，内容由浅入深，理论讲解与实验实践紧密结合，确保读者能够扎实掌握数字电路的设计、分析和实现方法。 第一部分：数字逻辑基础 本部分将从最核心的数字逻辑概念入手，为后续的学习打下坚实的基础。 逻辑门与布尔代数： 详细介绍最基本的逻辑门（AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR）的功能和真值表，并引入布尔代数的基本公理、定理和常用公式，如德摩根定律、分配律、结合律等。通过实例演示如何运用布尔代数对逻辑表达式进行化简，理解其在电路设计中的重要性。 组合逻辑电路： 学习如何设计和分析各种组合逻辑电路，包括编码器、译码器、多路选择器（MUX）、数据选择器、比较器、加法器（半加器、全加器、并行加法器）、减法器等。深入讲解这些电路的功能原理、实现方法以及在实际应用中的典型场景，例如数据选择器在信号路由中的作用，加法器在算术运算单元中的地位。 时序逻辑电路： 引入时序逻辑电路的概念，重点讲解触发器（SR触发器、D触发器、JK触发器、T触发器）的结构、工作原理、状态转移图和状态表。在此基础上，介绍寄存器、移位寄存器、计数器（同步计数器、异步计数器、可预置计数器）的设计与应用，例如移位寄存器在数据串并转换中的用途，计数器在分频、定时等方面的功能。 有限状态机（FSM）： 深入探讨有限状态机的设计方法，包括摩尔型和米利型状态机的区别与联系。学习如何根据状态图和状态表设计FSM，并将其转化为实际的硬件电路。通过实例讲解FSM在序列检测、控制逻辑等方面的强大能力，例如设计一个简单的序列检测器来识别特定的二进制串。 第二部分：数字系统设计工具与流程 本部分将介绍现代数字系统设计所依赖的关键工具和标准流程，使读者能够理解并开始使用专业的EDA（Electronic Design Automation）工具。 硬件描述语言（HDL）： 重点介绍Verilog HDL和VHDL这两种主流的硬件描述语言。详细讲解HDL的基本语法、数据类型、运算符、行为级建模、数据流建模和结构级建模。通过大量的代码示例，展示如何使用HDL描述组合逻辑电路、时序逻辑电路以及完整的数字系统。例如，如何用Verilog编写一个全加器模块，或者用VHDL描述一个简单的计数器。 综合与仿真： 讲解数字逻辑设计的EDA工具链，包括逻辑综合（Synthesis）和仿真（Simulation）。解释逻辑综合的过程，即如何将HDL代码转换为门级网表，以及综合器的优化目标（如速度、面积、功耗）。介绍仿真在设计验证中的关键作用，包括功能仿真和时序仿真，以及如何编写测试平台（Testbench）来验证设计的正确性。 时序分析： 深入探讨数字电路的时序问题，包括建立时间（Setup Time）、保持时间（Hold Time）、时钟抖动（Clock Jitter）、时钟偏移（Clock Skew）等概念。讲解时序约束（Timing Constraints）的设置，以及如何在设计中避免时序违例，确保电路在目标时钟频率下稳定可靠地工作。 第三部分：基于FPGA的硬件实现 本部分将聚焦于FPGA（Field-Programmable Gate Array）这一重要的可编程逻辑器件，指导读者如何将设计的数字逻辑映射到FPGA硬件上。 FPGA架构与原理： 介绍FPGA的基本架构，包括可配置逻辑块（CLB）、输入输出块（IOB）、可编程互连线（Programmable Interconnect）等。解释FPGA如何通过配置来实现其可编程性，并对比FPGA与其他硬件实现方式（如ASIC）的优劣。 FPGA开发流程： 详细阐述典型的FPGA开发流程，包括代码编写、综合、布局布线（Place and Route）、时序分析、比特流生成（Bitstream Generation）以及下载与调试。介绍常用的FPGA开发套件和软件工具（如Xilinx Vivado, Intel Quartus Prime）。 FPGA实现技巧与优化： 探讨在FPGA上实现高效数字电路的设计技巧，包括如何优化HDL代码以适应FPGA的结构，如何利用FPGA的特定资源（如DSP Slice, BRAM），以及如何进行功耗和面积的优化。 高级FPGA应用实例： 通过一系列具有代表性的FPGA应用实例，巩固读者对前面知识的理解，并展示FPGA的强大应用能力。这些实例可能涵盖： 数据采集与处理： 设计高速数据采集接口，实现信号滤波和特征提取。 通信接口： 实现SPI, I2C, UART等常用串行通信接口，或简单的并行接口。 数字信号处理（DSP）基础： 设计简单的FIR滤波器或IIR滤波器，并移植到FPGA实现。 嵌入式系统基础： 结合微控制器（如MicroBlaze）和外设，构建简单的嵌入式系统。 图像处理基础： 实现简单的图像缩放、灰度转换等功能。 本书特色 循序渐进的教学方法： 从最基础的逻辑概念开始，逐步深入到复杂的系统设计，确保每个读者都能跟上学习节奏。 丰富的理论讲解与实例对照： 每一个理论概念都配有清晰的讲解和具体的电路图/代码示例，便于理解和记忆。 强调实践操作： 大量与FPGA开发平台紧密集成的实验项目，让读者在动手实践中掌握设计技巧，解决实际问题。 现代设计理念融入： 介绍业界主流的硬件描述语言（Verilog/VHDL）以及EDA工具的使用，培养读者面向工程实践的能力。 覆盖面广： 涵盖了从数字逻辑基础到FPGA实现的完整知识体系，为读者在数字电路和嵌入式系统领域进一步深造奠定坚实基础。 适用对象 本书适合高等院校电子工程、计算机科学、自动化等相关专业的本科生、研究生，以及从事数字电路设计、嵌入式系统开发、FPGA设计的工程师和技术爱好者。无数字逻辑基础的初学者，通过认真学习本书，也能逐步掌握数字电路的设计与FPGA实现技术。

评分☆☆☆☆☆

从一个工程实践者的角度来看，这本书《数字电路与FPGA设计实验教程》在实用性方面做得非常出色。它不仅仅是理论知识的堆砌，更重要的是提供了大量可借鉴的工程实践经验。书中的FPGA项目设计案例非常贴近实际工业应用，比如它可能涉及了嵌入式系统中的常用模块，如GPIO（通用输入输出）、UART（通用异步收发传输器）等接口的设计与测试。它还可能讲解了如何对FPGA设计进行时序约束和性能优化，这些都是在实际项目开发中不可或缺的环节。我尤其欣赏它在讲解过程中，会不时地提示一些设计中的“陷阱”和“最佳实践”，比如如何编写可综合的HDL代码，如何避免产生亚稳态，以及如何进行有效的仿真和验证。这些细微之处，往往是新手最容易忽略，也是最容易导致项目失败的关键。书中对于不同FPGA器件家族（如Xilinx或Intel）的特性对比，以及如何根据项目需求选择合适的器件，也提供了有价值的参考信息。总的来说，这本书更像是一位经验丰富的导师，在指引初学者走向FPGA设计的实际战场时，提供了坚实的理论基础和宝贵的实战经验。

评分☆☆☆☆☆

我作为一个对数字逻辑和硬件描述语言有着浓厚兴趣的学生，在选择学习资料时，总是希望能够找到一本既有深度又不失趣味的书籍。《数字电路与FPGA设计实验教程》在这一点上，给了我很大的惊喜。它在内容编排上，巧妙地将数字电路的基础理论与FPGA的实际应用相结合，形成了一个完整的知识体系。书中对于如何利用FPGA实现一些经典的算法，例如滤波器、FFT（快速傅里叶变换）等，进行了深入的剖析，并给出了相应的HDL代码示例。这让我看到了FPGA强大的并行处理能力，以及它在信号处理、通信等领域的广泛应用前景。而且，书中的实验部分，不仅仅是简单的“Hello World”级别的例程，它会引导读者去设计和实现一些具有实际功能的模块，比如简单的图像采集与显示，或者音频信号的生成与处理。这些实验项目的设计，既能锻炼读者的编程能力，也能培养他们的系统设计思维。最重要的是，书中还涉及了一些关于FPGA开发流程的介绍，包括综合、实现、布局布线以及时序分析等关键步骤，这对于理解整个FPGA设计周期至关重要。这本书的作者显然对FPGA技术有着深刻的理解，并能够用清晰易懂的方式将其传达给读者，让我受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

我最近开始接触 FPGA 开发，正好手头有这本《数字电路与FPGA设计实验教程》，虽然我还没有完全深入地阅读完，但从目前的阅读体验来看，这本书在基础概念的讲解上做得相当扎实。它没有直接跳到复杂的硬件描述语言（HDL）编程，而是花了很多篇幅去巩固数字电路的基本原理，比如逻辑门、组合逻辑、时序逻辑等等。对于我这种之前有过一些电子基础，但对数字电路系统性理解不深的读者来说，这种循序渐进的方式非常有帮助。它不仅列出了各种逻辑门的符号和真值表，还深入剖析了它们的工作原理，并通过图文并茂的方式解释了诸如加法器、减法器、译码器、多路选择器等常用组合逻辑模块的设计思路和实现。更重要的是，它还详细讲解了触发器、寄存器、计数器等时序逻辑电路，这些是理解同步时序系统和状态机的基石。书中的实验部分也让我印象深刻，虽然我还在跟着书上的步骤一点点实践，但很明显，这些实验设计得非常贴合理论知识，能够帮助我直观地理解书本上的抽象概念。通过动手实践，我能更清晰地看到不同逻辑门组合起来能够实现的功能，以及时序电路如何在时钟信号的作用下完成数据存储和状态转移。总而言之，对于想要打好 FPGA 设计基础，尤其是对数字电路理论部分感到有些吃力的初学者，这本书无疑是一个非常好的起点。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我刚开始拿到这本《数字电路与FPGA设计实验教程》的时候，并没有抱太大的期望，以为会是一本枯燥乏味的教科书。然而，在翻阅之后，我被它独特的视角和丰富的案例深深吸引了。这本书不仅仅是罗列公式和概念，它更侧重于将理论知识与实际应用紧密结合。书中的实验设计非常具有前瞻性，不仅涵盖了基本的数字逻辑功能实现，更触及了一些在现代FPGA设计中常用的模块和技巧，比如有限状态机（FSM）的设计与实现，以及简单的处理器核的构建。我特别喜欢它在介绍Verilog HDL（或其他HDL，取决于实际内容）时，并没有直接给出完整的代码，而是通过讲解如何将数字电路的抽象模型一步步转化为具体的HDL代码，这个过程让我对HDL语言的理解更加深入，不再是简单的语法堆砌，而是对硬件结构的映射。书中对异步复位和同步复位、时钟域交叉等一些容易出错但至关重要的问题也进行了详细的讲解和案例分析，这对于避免我在后续的实际项目开发中踩坑非常有指导意义。而且，它还探讨了一些更高级的话题，比如片上总线接口的设计，以及如何利用FPGA实现一些特定的信号处理算法。这些内容让我看到了FPGA在实际工程中的巨大潜力，也为我未来深入学习和研究提供了清晰的方向。

评分☆☆☆☆☆

我对这本《数字电路与FPGA设计实验教程》的评价，更多的是聚焦在其在教学方法上的创新之处。它没有采用传统教材那种“灌输式”的教学模式，而是更像是与读者进行一场“对话”。书中的语言风格非常亲切，没有过多生硬的技术术语，即便是初次接触FPGA的学生，也能在轻松的氛围中理解复杂的概念。我印象最深刻的是，书中在解释一些核心概念时，会运用很多生活中的类比，比如用交通信号灯来比喻状态机的状态转移，用流水线来比喻流水线式的数据处理。这种方式极大地降低了学习门槛，让抽象的数字电路变得形象生动。此外，书中的实验指导也非常详尽，从实验环境的搭建，到每一个实验步骤的演示，再到实验结果的分析，都做得非常到位。它鼓励读者独立思考，并通过实验去验证自己的想法，而不是简单地复制粘贴代码。我尝试过其中一个关于ADC（模数转换器）接口实现的实验，虽然一开始遇到了不少问题，但在参照书中的步骤和讲解后，最终成功地完成了任务，这种成就感是单纯阅读理论书籍无法比拟的。这本书的图表绘制也相当精美，清晰地展示了电路结构和信号时序，有助于读者更好地理解。