数字电路中的异步触发器、计数器与分频器：基于Quartus II的Verilog HDL编程、仿真及FPGA/CPLD开发EDA

简介：
本书深入讲解了数字电路设计中异步触发器、计数器和分频器的相关知识，结合Quartus II软件进行Verilog HDL编程与仿真，并指导如何在FPGA/CPLD上实现EDA开发。 【数字系统】时序逻辑电路设计：异步复位D触发器十进制计数器分频器 Quartus II 环境Verilog HDL语言编程+仿真+开发板FPGACPLDEDA 一、 实验要求 1. 掌握触发器和计数器的基本概念。 2. 完成异步复位D触发器（d_ff）、递增/递减十进制计数器(cnt10)的设计、仿真与实现。 ### 数字电路设计知识点 #### 一、实验背景与目的 在数字电子系统设计领域，时序逻辑电路作为核心组成部分之一，广泛应用于各种现代电子产品之中。本次实验旨在深入理解并掌握时序逻辑电路中的基本单元——触发器和计数器的设计方法，并通过具体的实践操作加深对这些概念的理解。 1. **理解触发器和计数器的基本概念**：触发器是构成时序逻辑电路的基础单元，能够存储一位二进制信息；计数器则是在时钟脉冲的作用下按一定规律改变状态的电路。 2. **设计并实现异步复位D触发器**：本部分将详细介绍如何使用Verilog HDL语言设计一个具有异步复位功能的D触发器，并在Quartus II软件环境中完成该模块的仿真与硬件实现。 3. **构建通用十进制计数器**：此环节将聚焦于设计一个能实现递增和递减计数功能的十进制计数器，并进一步探讨如何利用该计数器实现频率分频的功能。 #### 二、实验内容详解 ##### 异步复位的D触发器设计（d_ff） - **模块功能概述**： - 当复位控制端口（`reset`）的信号有效（即为0）时，D触发器立即进行复位操作，此时输出端口`Q`被设置为0，`~Q`（非Q）为1，与时钟信号无关。 - 当`reset`置为1时，在时钟信号（`clk`）的上升沿到来时，输入端口`D`的数据将传递给输出端口`Q`和`~Q`。 - **Verilog HDL代码示例**： ```verilog module d_ff( input wire clk, input wire reset, input wire D, output reg Q, output reg ~Q ); always @ (posedge clk or negedge reset) begin if (!reset) begin Q <= 0; ~Q <= 1; end else begin Q <= D; ~Q <= ~D; end end endmodule ``` ##### 通用十进制计数器设计（cnt10） - **模块功能概述**： - 设计一个通用的十进制计数器，能够根据不同的控制信号实现递增或递减计数功能。 - 此计数器还可以用于对高频率的时钟信号进行分频，使其频率降低至1Hz，便于人眼观察计数过程。 - **Verilog HDL代码示例**： ```verilog module cnt10( input wire clk, input wire reset, input wire en, input wire [1:0] mode, output reg [3:0] count ); always @ (posedge clk or posedge reset) begin if (reset) begin count <= 0; end else if (en) begin case (mode) 2b00: if (count < 9) count <= count + 1; else count <= 0; 2b01: if (count > 0) count <= count - 1; else count <= 9; default: count <= count; endcase end end endmodule ``` - **分频器实现**：通过将高频率的时钟信号作为`cnt10`模块的输入时钟，当计数值达到10时，可以输出一个频率为原时钟频率十分之一的新时钟信号。 #### 三、仿真与硬件实现 - **使用Quartus II软件进行仿真**： - 在Quartus II软件中，使用上述设计的Verilog HDL代码创建模块，并对其进行综合与布局布线。 - 运行波形仿真工具，输入相应的测试向量，验证设计是否符合预期。 - **开发板上的硬件实现**： - 将经过验证的Verilog HDL代码下载到FPGACPLD开发板上，观察实际的硬件行为是否与仿真结果一致。 - 通过LED灯或其他外设显示计数器的状态变化，直观地了解电路的工作情况。