實驗一邏輯門功能測試與功能變換

實驗報告來自電子科技大學中山學院 _ 數字邏輯電路設計課程

1. 實驗目的

(1) 熟練掌握QuartusII下數字邏輯電路的設計流程與設計方法；
(2) 加深對常用邏輯門邏輯功能的認識，并培養利用基本邏輯門進行功能變換擴展的能力。

2. 實驗設備

硬件：PC機一臺
數字電路實驗教學平臺一臺
軟件：Quartus II 集成開發環境

3. 實驗內容

(1) 熟悉Quartus II 集成開發環境,建立工程文件；
(2) 編寫邏輯門功能測試與功能變換邏輯(與運算、或運算、非運算和復合邏輯運算)。

4. 實驗預習要求

(1) 仔細閱讀附件一，了解Quartus II 集成開發環境里的使用方法；
(2) 復習課本第一章的邏輯代數基礎；
(3) 學習基本邏輯門的工作原理。

5. 基礎知識

(1) 基本邏輯門或邏輯的調用
基本邏輯門如7408（與門）、7432（或門）、7404（非門）、7400（與非門）都可以在電子供應市場上獲得，QuartusII集成開發環境也可調用類似的邏輯器件，而習慣的調用方式如：

andN （N輸入的與門，如2輸入的與門為and2）
orN (N輸入的或門，如2輸入的或門為or2)
nandN (N輸入的與非門，如2輸入的與非門為nand2)
xor (異或門)
not (非門)
wire （導線）

QuartusII下高電平可以通過調用器件VCC獲得，對應邏輯電平“1”，低電平可以通過調用器件GND獲得，對應邏輯電平“0”。

(2) 發光二極管
發光二極管簡稱LED(Light Emitting Diode)，是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能，是一個微小的“電燈泡”，發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，是由半導體材料里的電子移動而使它發光，具有單向導電性。圖1.1是兩種不同封裝類型的LED。

貼片LED

直插LED

下圖是一種常見的LED控制電路連接方法，LED正極通過限流電阻R1接電源，負極接控制端管腳PIN_n ，當PIN_n為低電平時，LED發光；為高電平時，LED截止，不發光。

LED控制電路

(3) 撥碼開關
撥碼開關作為需要手動操作的一種微型開關，如圖所示，為不同位數的撥碼開關產品，下圖1為9位撥碼開關，對應了9個鍵；下圖2為4位撥碼開關，對應了4個鍵，撥碼開關的每一個鍵對應的背面上下各有兩個引腳，所有的鍵是獨立的，相互沒有關聯。在工作時候，撥碼開關的鍵撥至ON一側，該鍵對應的兩個引腳接通，反之則斷開。

9位撥碼開關

4位撥碼開關

如圖所示，為8位撥碼開關的一種電路連接方法，SW1~SW8分別與FPGA的8條管腳相連接，同時通過上拉電阻與電源相連接。當撥碼開關一個鍵n撥至ON一側，則SWn與地相接，SWn讀出低電平；反之，SWn通過上拉電阻的作用，SWn讀出高電平。

撥碼開關控制電路

6.實驗原理

在數字電路實驗教學平臺使用了8條FPGA的引腳，用以控制LED管的亮暗，同時用電源控制電路來統一管理8個LED管的電源。

下面以單個LED的控制電路為例來說明LED的控制方法，如圖所示LED管控制電路，PIN_n對應FPGA的n號管腳，DISP_CS為電源控制管腳。當DISP_CS輸出低電平時PMOS管導通，此時PIN_n控制LED管有效，此時實驗平臺功能底板七段數碼管、矩陣LED被禁用，如圖1.5所示。當PIN_n為低電平時，LED管導通，發光；當PIN_n為高電平的時候，LED管截止，不發光。

LED管控制電路

功能底板七段數碼管、矩陣LED片選控制

在數字電路實驗教學平臺各個LED管對應的FPGA控制管腳如表1.1所示：
表1.1 各LED管對應的FPGA控制管腳

DISP_CS	LED0	LED1	LED2	LED3	LED4	LED5	LED6	LED7	Buzz（vcc）
162	163	164	165	168	169	170	171	173	176

撥碼開關對應的FPGA控制管腳表1.2所示：
表1.2 撥碼開關對應控制管腳

SW1	SW2	SW3	SW4	SW5	SW6	SW7	SW8
188	191	129	130	131	132	24	23

7.實驗步驟

(1) 啟動Quartus II，利用建立工程向導建立一個工程文件。
(2) 利用本課所學習的器件，在Quartus II軟件上完成原理圖的設計。
(3) 用LED的亮暗來驗證各邏輯門的功能，設計邏輯電路，通過下載線下載邏輯到FPGA核心板上。