任务1 基于原理图实现的基本门电路设计

任务分析

基本门电路主要用来实现输入/输出之间的逻辑关系，包括与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门、同或门等，这里以2输入端与非门为例介绍基本门电路的设计方法。

实现与非逻辑运算的电路称为与非门，通常作为数字系统电路的一个独立单元使用。2输入端与非门的逻辑符号如图1.1所示，有两个输入端A、B和一个输出端F。

2输入端与非门真值表如表1.1所示。

图1.1 与非门逻辑符号

表1.1 2输入端与非门真值表

小资料

基本门电路逻辑符号如表1.2所示。

表1.2 基本门电路逻辑符号

任务实现

采用可编程逻辑器件进行2输入端与非门电路的设计，首先必须要准备软件和硬件设计环境。

所需软件环境：Quartus Ⅱ集成开发环境。

所需硬件环境：计算机和EDA（Electronic Design Automation，电子设计自动化）教学实验开发系统。

小提示

如果读者没有EDA教学实验开发系统，就不能将设计电路下载到可编程逻辑器件中进行实际验证，但可以在Quartus Ⅱ软件中对设计进行仿真，利用仿真波形来验证设计电路的逻辑关系是否正确。

采用原理图输入法的2输入与非门电路的设计步骤如下：

1.新建工程

（1）启动Quartus Ⅱ软件，出现如图1.2所示的Quartus Ⅱ的启动界面。

图1.2 Quartus Ⅱ启动界面

（2）创建工程NAND2，在“File”下拉菜单中选取“New Project Wizard”选项，出现如图1.3所示的工程向导窗口，在该窗口中指定工作目录、工程名称和顶层模块名称。

小提示

① 在默认情况下，工程名与顶层模块名是相同的。

② 顶层模块名不能与Quartus Ⅱ中已经提供的逻辑函数名或模块名相同，例如，nand2，在编译时会出现错误提示。

③ 如果要在新建立的工程中使用以前建立的工程中的设置，可以单击“Use Existing Project Setting”按钮（这里不用）。

（3）在图1.3中单击“Next”按钮，则会出现如图1.4所示的“Add Files”添加文件窗口，可以将已经存在的输入文件添加到新建的工程中，该步骤也可以在后面完成，这里直接单击“Next”按钮，出现如图1.5所示的选择器件窗口。

图1.3 建立工程向导窗口

图1.4 添加文件窗口

（4）在如图1.5所示的选择器件窗口中选择使用的器件系列和具体器件，此处选择ACEX系列器件EP1K100QC208-3作为示例。

小提示

读者要根据具体使用的开发系统中的可编程逻辑器件型号来确定。

（5）在图1.5中单击“Next”按钮，出现如图1.6所示的窗口，在该窗口中单击“Next”按钮，出现如图1.7所示的窗口，单击“Finish”按钮完成工程建立。

2.设计输入

（1）在“File”下拉菜单中选择“New”选项，出现如图1.8所示的设计输入类型选择窗口，选择设计输入类型为“Block Diagram/Schematic File”，出现如图1.9所示的原理图编辑窗口。

图1.5 选择器件窗口

图1.6 EDA工具设置

图1.7 工程建立完成窗口

图1.8 设计输入类型选择窗口

小知识

在图1.8中我们可以看到Quartus Ⅱ软件可以提供以下不同的输入方式：

① AHDL File：Altera硬件描述语言（AHDL）设计文件，扩展名为.tdf。

② Block Diagram/Schematic File：结构图/原理图设计文件，扩展名为.bdf。

③ EDIF File：其他EDA工具生成的标准EDIF网表文件，扩展名为.edf或.edif。

④ SOPC Builder System：可编程片上编译器系统输入。

⑤ State Machine File：状态机文件输入。

⑥ Verilog HDL File：Verilog HDL设计源文件，扩展名为.v或.vlg或.verilog。

⑦ VHDL File：VHDL设计源文件，扩展名为.vh或.vhl或.vhdl。

本书只涉及原理图输入和Verilog文本输入两种输入类型。

（2）在图1.9所示的原理图编辑窗口中双击鼠标左键，出现如图1.10所示的符号窗口。

图1.9 原理图编辑窗口

小提示

在图1.9所示的原理图编辑窗口中，有以下几种方法打开符号窗口：

① 在图形窗口内双击鼠标左键；

② 单击左侧快捷工具栏中的Symbol Tool 按钮；

③ 在“Edit”下拉菜单中选择“Insert Symbol”选项。

图1.10 符号窗口

（3）引入逻辑门，在如图1.10所示的符号窗口的“Name”栏中输入“nand2”，“Libraries”栏中出现所选择的器件名称，右边空白处出现2输入与非门的符号，如图1.11所示，单击“OK”按钮，将该符号引入原理图编辑窗口。

图1.11 2输入与非门符号

用同样的方法，在原理图中引入两个输入引脚（input）符号和一个输出引脚（output）符号。

小提示

用原理图编辑器设计数字电路的主要工作是符号的引入与线的连接。Quartus Ⅱ软件提供了常用的逻辑函数，在原理图编辑窗口中是以符号引入的方式将需要的逻辑函数引入的，信号输入、输出引脚也需要以符号方式引入。常用的基本逻辑函数在primitives库中。

（4）更改输入、输出引脚的名称，在PIN_NAME处双击鼠标左键，进行更名，两个输入引脚分别为A和B，输出引脚为F。

（5）单击左侧快捷工具栏中的直交节点连线工具进行连线：将A、B脚连接到与非门的输入端，C脚连接到与非门的输出端，如图1.12所示。

图1.12 2输入与非门原理图

小经验

按住鼠标左键拖动元件符号，如果连线正确，可以看到连线会随着符号的拖动而拉伸，否则，表示连线没有连接好，需重新检查。本书中采用国外电路符号的电路图均是从Quartus Ⅱ软件中截屏得到的，与标准电路图稍有不同，请读者注意。

（6）选择“File”下拉菜单中的“Save”选项，保存原理图文件，如图1.13所示，将“Add file to current project”前的选项选中，该原理图文件自动添加到当前工程中。打开Quartus Ⅱ主界面左侧“Project Navigator”的“Files”标签项，即可看到该文件已经添加到工程中了，如图1.14所示。

图1.13 原理图文件保存窗口

图1.14 原理图文件已经添加到工程中

小知识

原理图编辑快捷工具栏位于原理图编辑窗口左侧，常用工具有以下几个。

① 选择工具：可以选取、移动、复制对象，为最基本且常用的功能。

② 文字工具：可以输入或编辑文字，例如，可在指定名称或在批注时使用。

③ 符号工具：可以输入逻辑函数的符号。

④ 直交节点连线工具：将逻辑符号或引脚进行连线。

⑤ 画线工具：可以画直线、斜线。

⑥ 画弧线工具：可以画出一个弧形，且可依需要自行拉出想要的弧度。

⑦ 画圆工具：可以画出一个圆形。

3.工程编译

选择“Processing”下拉菜单中的“Start Compilation”选项，或者单击位于工具栏的编译按钮，完成工程的编译，如图1.15所示。

如果工程编译出现错误提示，则编译不成功，需根据Message窗口中所提供的错误信息修改电路设计，再重新进行编译，直到没有错误为止。

图1.15 编译工程完成界面

小提示

工程编译也可以采用下面的方法：

单击“Processing”下拉菜单中的“Compiler Tool”命令，弹出如图1.16所示的编译工具窗口。从该窗口可以看出，编译过程共有四步：分析与综合（Analysis & Synthesis）、布局连线（Fitter）、装配（Assembler）、时序分析（Timing Analyzer）过程。

在图1.16所示的窗口中单击“Start”按钮即可完成一次全编译。完成后，单击编译工具窗口的“Report”按钮查看最终的系统编译报告，如图1.17所示。

图1.16 编译工具窗口

图1.17 系统编译报告

从编译报告中可以看出，设计选取的芯片型号为MAX Ⅱ系列EPM1270T144C3，共使用3个芯片引脚和1个逻辑单元。

4.设计仿真

（1）建立波形文件。选择“File”菜单下的“New”选项，在弹出的窗口中选择“Vector Waveform File”，如图1.18所示，新建仿真波形文件。在波形文件编辑窗口中单击“File”菜单下的“Save as”选项，将该波形文件另存为“work1.vwf”。

（2）添加观察信号。在波形文件编辑窗口的左边空白处单击鼠标右键，选择“Insert”选项下的“Insert Node or Bus”命令，如图1.19所示，弹出如图1.20所示的“Insert Node or Bus”窗口。

图1.18 新建仿真波形文件

图1.19 波形文件编辑窗口

在该窗口下单击“Node Finder”按钮，出现如图1.21所示的“Node Finder”窗口，单击“List”按钮，2输入与非门的三个引脚出现在左边的空白窗口，选中所有引脚，单击窗口中间的“>>”按钮，三个引脚出现在窗口的右边空白处，再单击“OK”按钮回到波形编辑窗口，如图1.22所示。

图1.20 插入节点窗口

图1.21 “Node Finder”窗口

（3）添加激励。通过拖曳波形，产生想要的激励输入信号。通过如图1.23所示的波形控制工具条为波形图添加输入信号，2输入与非门的两个输入端的激励信号如图1.24所示。

图1.22 完成观察节点输入的波形编辑窗口

图1.23 波形控制工具条

图1.24 与非门输入激励信号

小经验

添加激励信号时，对于组合电路，最好把输入信号的所有可能的组合都设置好，再进行仿真。对于2输入与非门，设置两个输入端A、B的四种组合：00、01、10和11。

（4）功能仿真。添加完激励信号后，保存波形文件。选择“Processing”菜单下的“Simulator Tool”选项，出现如图1.25所示的仿真工具对话框。

在“Simulation mode”选项框中选择“Functional”，再单击“Generate Functional Simulation Netlist”按钮，产生仿真需要的网表文件，然后选中“Simulation options”下的“Overwrite simulation input file with simulation results”，否则不能显示仿真结果，单击“Start”按钮进行仿真。

仿真完成后，单击“Open”按钮打开仿真结果，如图1.26所示，2输入与非门的输入/输出逻辑功能正确。

图1.25 仿真工具对话框

图1.26 与非门功能仿真结果

（5）时序仿真。在图1.25所示的仿真工具对话框中的“Simulation mode”选为“Timing”模式，进行时序仿真，仿真结果如图1.27所示。

图1.27 与非门时序仿真结果

小问答

问：功能仿真波形和时序仿真波形有什么不同？为什么？

答：信号通过连线和逻辑单元时，都有一定的延时，称为传输延迟。传输延迟表示从逻辑门输入到输出的平均切换时间，通常包括逻辑信号“传输”经过一连串逻辑门所引起的物理延迟。延时的大小与连线的长短和逻辑单元的数目有关，同时还受器件的制造工艺、工作电压、温度等条件的影响。

图1.26所示的与非门功能仿真波形反映了电路输入和输出之间的逻辑关系，体现了理想状态下的电路逻辑功能，没有考虑电路中的信号传输延时。

图1.27所示的与非门时序仿真波形中，考虑了上述的传输延时，可以看到，当输入信号AB由10变为11时，输出信号F延迟一段时间后才产生由1到0的改变。

除了传输延时，信号本身高低电平的转换也需要一定的过渡时间，称为输出转换时间，包括上升时间和下降时间。这些因素会使组合逻辑电路在特定的输入条件下，输出出现毛刺，即竞争和冒险现象，在以后的电路设计中可能会遇到，这里不再赘述。

5.器件编程与配置

如果读者有EDA实验开发工具，可以把设计电路下载到芯片中，以验证设计的正确性。这里采用一种以Altera公司的ACEX系列器件EP1K100QC208-3为核心的EDA实验板为例，给出器件编程与配置过程，来验证2输入与非门的设计。

假定该实验板的硬件连线中，器件EP1K100QC208-3的89和90引脚连接了两个拨码开关，用以输入二进制数值，当拨码开关拨到ON 的位置时，相连的芯片引脚上的电平为高，否则为低，用来模拟二输入与非门的两个输入端A和B。

该芯片的73引脚连接了一个发光二极管，当73引脚输出高电平时，发光二极管点亮，否则熄灭，用来验证二输入与非门的输出是否正确。

（1）器件选择。选择“Assignments”菜单中的“Device”选项，打开器件设置对话框，如图1.28所示，选用ACEX系列器件EP1K100QC208-3。

图1.28 编程器件选择

（2）引脚选择。选择“Assignments”菜单中的“Pins”选项，打开引脚设置对话框，如图1.29所示，用鼠标左键分别双击相应引脚的“Location”列，选择需要配置的引脚。

图1.29 引脚设置对话框

选择了器件和引脚后，需对设计进行重新编译，即选择“Processing”菜单下的“Start Compilation”选项，或者单击位于工具栏的编译按钮，完成工程的编译。

（3）烧写器件。将开发板Jtag口与计算机的并行口相连，接通开发板电源。在 Tools 菜单下，选择“Programmer”命令，打开 Quartus Ⅱ Programmer 工具，如图1.30所示。

图1.30 编程界面

如果是第一次进行编程下载，需根据所使用的EDA实验开发板进行编程工具设置，对于这里使用的示例开发板，需进行以下设置：

① 选择“Tools”菜单中的“Options”，打开编程选项配置，如图1.31所示，把“Use bitstream compression to configure devices when available”选项前的“√”去掉，然后单击“OK”按钮，回到编程界面。

图1.31 “Options”窗口

② 单击“Hardware Setup”按钮，进行下载线设置，选择所用的下载线型号，如图1.32所示。单击“Close”按钮回到编程界面。在“Mode”中选择下载模式为“Passive serial”，单击编程界面左侧的“Start”按钮，将设计电路下载到开发板上。

在EDA技术实验开发板上验证设计电路的正确性，拨动器件EP1K100QC208-3的89和90引脚连接的两个拨码开关，在2输入与非门输入端形成各种二进制输入组合，观察该器件第73引脚连接的发光二极管的亮灭所指示的电平状态完全符合2输入与非门的真值表，因此设计电路功能正确。

任务小结

通过2输入与非门的设计过程，使读者了解了Quartus Ⅱ软件的基本使用方法和设计步骤，共包括以下5步：①建立工程；②输入设计；③编译工程；④设计仿真；⑤器件编程。任务实现基本流程如图1.33所示。

图1.32 选择下载线型号

图1.33 任务实现基本流程

自己做

按照任务1中的实现步骤，自行完成基于原理图实现的非门电路设计。

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