第10章 数字系统设计
数字系统设计知识点
数字系统设计知识点数字系统设计是计算机工程和电子工程中的重要内容，涵盖了多种关键概念和技术。
本文将介绍数字系统设计的一些基础知识点，包括数字系统的基本原理、数字电路的构建和设计、以及数字系统中常见的编码和调制技术。
一、数字系统的基本原理数字系统是由数字电路组成的，其中的信息以二进制形式表示。
数字电路由数字逻辑门组成，可以执行布尔运算。
数字系统的基本原理包括以下几个关键概念：1. 二进制系统：数字系统采用二进制表示，即使用0和1来表示逻辑状态。
二进制是一种计数系统，它只使用两个数字来表示所有的值。
2. 布尔代数：布尔代数是描述和操作逻辑关系的一种数学工具。
它基于三个基本运算：与、或和非。
布尔代数可以用于设计和分析数字逻辑电路。
3. 逻辑门：逻辑门是数字电路的基本构件，用于执行逻辑运算。
常见的逻辑门包括与门、或门、非门等。
通过组合逻辑门可以构建复杂的数字电路。
二、数字电路的构建和设计数字电路是数字系统的基础，它由逻辑门和触发器等元件组成。
数字电路的构建和设计需要考虑以下几个因素：1. 逻辑门的组合与实现：通过组合不同类型的逻辑门可以实现多种逻辑功能。
例如，与门和或门的组合可以实现任意布尔函数。
设计者需要根据具体需求选择适当的逻辑门组合。
2. 状态机设计：状态机是一种具有离散状态的数字电路。
它由状态寄存器、组合逻辑和输出逻辑组成。
设计者需要根据系统需求定义状态和转移条件，然后选择适当的触发器和逻辑门实现状态机。
3. 模时序系统设计：模时序系统是一种具有时序行为的数字电路。
它由触发器和组合逻辑构成，可以实现时序逻辑功能。
设计者需要考虑时钟信号、触发器类型和时序逻辑的实现方式。
三、编码和调制技术在数字系统设计中，编码和调制是常用的技术，用于将信息从一种形式转换成另一种形式。
1. 数字编码：数字编码用于将数字或字符等信息转换为二进制形式。
常见的数字编码包括BCD码、格雷码和ASCII码等。
不同的编码方式可以适用于不同的应用场景。
数字系统设计课程设计
数字系统设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解数字系统设计的基本原理和概念，包括数字逻辑、组合逻辑和时序逻辑；2. 掌握数字电路的基本组成元素，如逻辑门、触发器、计数器等；3. 学会使用硬件描述语言（如Verilog、VHDL）进行数字系统的设计和描述；4. 了解数字系统的测试和验证方法。
技能目标：1. 能够运用所学知识，设计简单的数字系统，如加法器、寄存器、状态机等；2. 能够使用硬件描述语言编写代码，实现数字系统的功能；3. 能够对设计的数字系统进行功能仿真和时序分析；4. 能够运用调试工具和仪器对数字系统进行测试和调试。
情感态度价值观目标：1. 培养学生的团队合作意识和沟通能力，学会与他人共同解决问题；2. 培养学生的创新意识和实践能力，敢于尝试新方法，善于发现和解决问题；3. 增强学生的工程素养，使其认识到数字系统设计在实际应用中的重要性；4. 培养学生严谨、细致的学习态度，注重细节，追求高质量的设计成果。
本课程针对高年级学生，课程性质为理论与实践相结合。
通过本课程的学习，使学生能够掌握数字系统设计的基本方法和技能，培养其创新意识和工程实践能力。
在教学过程中，注重学生的主体地位，鼓励学生积极参与讨论和实践，提高其分析问题和解决问题的能力。
课程目标的设定旨在使学生在知识、技能和情感态度价值观方面取得具体的学习成果，为后续相关课程的学习和实际工程应用打下坚实基础。
二、教学内容1. 数字系统设计基础- 数字逻辑与数字电路基本概念- 常用逻辑门电路及其功能- 数字电路的布尔代数与逻辑化简2. 组合逻辑设计- 组合逻辑电路的分析与设计方法- 常用组合逻辑电路（如编码器、译码器、多路选择器等）- 竞争与冒险现象及其解决方法3. 时序逻辑设计- 时序逻辑电路的特点与基本组成- 触发器类型及其功能- 同步与异步时序电路的设计方法4. 硬件描述语言- Verilog/VHDL基本语法与结构- 数字系统设计实例及代码编写- 仿真与调试方法5. 数字系统测试与验证- 功能仿真与时序分析- 数字系统的测试方法与测试向量生成- FPGA器件及实验板使用6. 数字系统设计实践- 设计简单的数字系统（如加法器、寄存器等）- 项目实践与团队协作- 设计报告撰写与成果展示教学内容按照教学大纲的安排，从基础理论到实践应用，循序渐进地展开。
数字系统设计.pdf
PLD设计——CPLD与FPGA的区别
规模
CPLD规模一般比FPGA小，最多512个宏单元；FPGA则可以实现单片 1000万门。
速度
CPLD的速度可以比FPGA更高，其连线的延时固定，更适合做高速的应 用；FPGA的互连线为多段，延时不确定。
逻辑特点 CPLD适合做逻辑密集型的应用，FPGA适合做数据密集型的应用。 编程方式
ALTERA
XILINX
FPGA/CPLD生产商
ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列：
LATTICE VANTIS （AMD）
CPLD
其他PLD公司： ACTEL公司： ACT1/2/3、40MX ATMEL公司：ATF1500AS系列、40MX CYPRESS公司 QUIKLOGIC公司
数字系统分类
数字系统本身实现的方法很多，一般来说，可以分为 以下几种方法： PLD（可编程逻辑器件） MCU（单片机） DSP（数字信号处理器） Embedded System（嵌入式系统） 以上几种设计方法的应用场合不同，设计方法也大 不相同，应该根据不同的应用场合、成本和设计的 难度来决定使用合适的设计方法。
SO MUCH IC！
FPGA CPLD
PLD设计——PLD设计的流程
设计输入
原理图 硬件设计语言
功能仿真
验证逻辑是否正确
综合
将原理图或者硬件描述语言翻译为网表。
时序仿真
加载器件延时文件后的仿真，验证在器 件上实现后的实际性能。
不同数字系统的应用场合（4）
Embedded System（嵌入式系统）
数字系统的基本模型与设计过程
数字系统的基本模型与设计过程1．数字系统的基本设计模型数字系统是指对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统，依据数字系统的功能要求，将整个系统分为两个模块：数据处理子系统和掌握子系统。
数据处理子系统主要完成数据的采集、存储、运算和传输，主要由存储器、运算器、数据选择器等规律电路组成。
在掌握子系统（或称掌握器）发出的掌握信号作用下，数据处理子系统与外界进行数据交换。
数字系统的基本设计模型2．数字系统层次化设计与基本设计过程数字系统的设计可以分为四个层次，即系统级设计、电路级设计、芯片级设计和电路板级设计。
相应地从提出设计要求到完成系统成品，数字系统设计过程可分为以下几个设计步骤：系统设计、芯片设计、电路设计、PCB设计、结构设计及电路调试和系统调（1）系统设计系统设计是数字系统设计的最高层次。
一个系统可以包括若干芯片。
假如是“System on Chip”设计，则在一个系统芯片上，也会有若干类似于处理器、存储器等这样的部件。
系统设计主要任务是将设计要求转换为明确的、可实现的功能和技术指标，确定可行的技术方案，且在系统一级（顶层）进行功能和技术指标的描述。
这类描述一般通过文字来表示就可以，不会用VHDL来描述。
（2）电路设计电路设计主要是确定实现系统功能的算法和电路形式，在电路级对系统的功能进行描述。
在传统的采纳分立元件及中、小规模集成电路进行规律设计时，往往采纳传统的手工设计方法，其流程大致为：“选择恰当功能的元器件→电路板设计→构成电子系统”。
所需的元器件种类多、数目大；调试简单，难于修改；设计无敏捷性可言。
这里基于FPGA/ CPLD数字系统的电路设计和传统电路设计方法有本质的区分，只是层次化设计理念一样。
（3）芯片设计通过对芯片的设计与编程，实现电路设计所确定的算法和电路形式。
即设计ASIC。
由于PLD可由用户对其功能进行设计，对其引脚进行配置，这就可以采纳基于芯片的方法进行系统设计，给设计者带来很大便利。
Altium Designer 10标准教程ppt课件教案第10章
10.1.1 FPGA结构特点
FPGA的编程单元是基于静态存储器（SRAM）结构，从理论上讲， 具有无限次重复编程的能力。它主要由三个基本部分组成：
芯片对应起来。
配置管理对话框
输入配置文件名称
选择约束文件
添加完成约束文件
10.2.4 生成EDIF文件
设计的“FPGA”项目最终是要下载到具体的“FPGA”芯片中去的，因 此需要把设计好的“FPGA”项目文件转化成“EDIF格式的文件。
生成的EDIF文件
10.3 VHDL语言基础
“VHDL”的英文全名是“Very-High-Speed Integrated Circuit HardwareDescription Language” 。
entity mck is generic（width：integer：=16）； port（add_bus：out std_logic_vector （width-1 downto 0））； …
例如：2输入与门的实体描述 entity and2 is generic（risewidth：time：= 1 ns； fallwidth： time:= 1 ns）; port（a1：in std_logic； a0：in std_logic； z0：out std_loigc）； end entity and2；
“VHDL”语言是一种结构化、程序化的编程语言，具有严格的语法。 一个完整的“VHDL语言程序通常包含实体（Entity）、构造体 （Architecture）、配置（Configuration）、程序包（Package）和库 （Library）5个部分。前4个部分是可分别编译的源设计单元。
数字系统设计的基础知识
05
数字系统的测试与验证
测试策略与技术
单元测试
对数字系统的各个模块进行独立测试，确保 每个模块的功能正常。
系统测试
对整个数字系统进行测试，确保系统满足设 计要求和功能需求。
集成测试
将各个模块组合在一起进行测试，确保模块 之间的接口正常工作。
验收测试
在数字系统交付之前，对系统进行全面测试， 确保系统能够满足用户需求。
案例分析：数字钟的设计需要高精度的计时和稳定的时钟源。石英晶体振荡器的选择对数字钟的准确性 和稳定性至关重要。此外，数字钟还需要考虑功耗和尺寸，以便于在各种应用场景中实现。
案例三：数字信号处理系统的设计
01
总结词：高效灵活
02
详细描述：数字信号处理系统是一种用于处理和分析信号 的数字系统。它通常由输入预处理电路、数字信号处理器 和输出后处理电路组成。数字信号处理器执行信号的滤波 、频谱分析、去噪等处理操作。
数字系统的发展历程
电子管时代
20世纪初，电子管作为数字系统的基 本元件，实现了计算机的初步发展。
02
晶体管时代
20世纪50年代，晶体管取代电子管成 为数字系统的基本元件，推动了计算 机小型化、便携化的发展。
01
互联网时代
21世纪初，互联网技术的普及和发展， 使得数字系统在信息传输和处理方面 发挥着越来越重要的作用。
03
的计数器用于控制指令的执行顺序。
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数据的元件。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，在计算 机和其他数字系统中有着广泛的应用，如计算机的内存和硬盘等。
数字系统的设计基础72页PPT
3
第10章：数字系统硬件设计概述
10.1传统的硬件设计方法 ▪ 传统的设计方法是自下而上的设计方法 ▪ 采用通用的元器件 ▪ 后期进行仿真，浪费大，设计周期长 ▪ 主要设计文件是电路原理图，可读性差，文件量大
数字系统的设计基础
6
、
露
凝
无
游
氛
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
5 74LS08
D15
1S 4 74LS151 5
0.1S 3 10mS 2 1mS 1
I0 I1 I2 I3
Z 6
Z
0.1mS 15 I4
10uS 14 I5 13 I6 12 I7
11
10 9
A B C
7E
6 74LS90 12
7
2 3
MS1 MS2
MR1 MR2
Q0 Q1 Q2 Q3
9 8 11
MR1 MR2
Q0 9
Q1 Q2 Q3
8 11
14
D3
1
CLK0 CLK1
数字系统设计方案方法
模块设计
对每个模块进行详细设计， 包括模块的功能、接口、 数据流等。
架构评审
对系统架构进行评审，确 保其合理性和可扩展性。
硬件与软件设计
硬件选型
根据系统需求选择合适的硬件设备，包括处理器、 存储设备、网络设备等。
软件设计
编写软件代码，实现系统的各项功能。
软硬件集成
将硬件和软件进行集成，确保其正常工作。
总结词
云计算数据中心通过集中管理和调度计算资源，提供高效、灵活和可扩展的计算服务。
详细描述
云计算数据中心设计需要考虑数据安全、高可用性和可扩展性等方面。通过虚拟化技术， 实现资源池化和弹性伸缩。云计算数据中心为企业提供低成本、高性能的计算服务，促
进信息化发展。
感谢您的观看
THANKS
测试与验证
01
功能测试
对系统的各项功能进行测试，确保 其符合需求规格书的要求。
安全测试
测试系统的安全性，包括数据加密、 身份认证等。
03
02
性能测试
测试系统的性能指标，如响应时间、 吞吐量等。
测试报告
将测试结果整理成测试报告，提出 改进意见。
04
部署与维护
系统部署
将系统安装到实际运行环 境中，并进行配置和调试。
测试工具
测试工具用于生成测试向量、分析测 试结果和调试数字系统。常用的测试 工具有JTAG调试器、In-Circuit Emulator和Logic Analyzer等。
04
数字系统设计最佳实践
系统可扩展性设计
总结词
系统可扩展性是指系统能够适应未来发展和变化 的能力。
总结词
系统可扩展性设计应遵循模块化原则，将系统划 分为可独立升级和替换的模块。
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脉冲发生器的振荡频率F与正弦波的频率f的关
系为（N为分频系数）
F N f
第10章 数字系统设计 27
当要求输出多路正弦波，并要求其相位差为角
时，应如何考虑呢？
计数器的一个循环周期对应正弦波的一个周期，
计数器的N个状态对应阶梯正弦波的N个阶梯，
所以计数器每两个相邻状态相差2/N。
第10章 数字系统设计 22
最常见的设计错误是对于某些输入端忘记了处 理，从而造成浮空端子。像计数器不计数、寄 存器不寄存信息等问题，常常是设计者对诸如 清零端、置数端、使能端等输入端未加处理而 引入噪声所致。 设计中常见的错误是对于竞争冒险考虑不周。
在一般工程设计中，还要进行工艺设计、样机 制作、鉴定、小批量生产等工作。
第10章 数字系统设计
18
10.2.4 系统仿真
系统仿真就是利用计算机内的EDA软件对所设
计的电路进行模拟仿真，这样，可以事先验证
设计的正确性，排除错误。 系统仿真可以大大缩短设计时间，减少故障出 现的可能性，提高系统的可靠性。
第10章 数字系统设计
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10.2.5 样机研制
样机研制是设计完成后，按照设计加工制造的
每个框即是一个单元电路，按照系统性能指标要 求，规划出各单元电路所要完成的任务，确定输 出与输入的关系，决定单元电路的结构。
由系统框图到单元电路的具体结构应是多解的， 应该经过较为详细的方案比较和论证，以技术上 的可行性和较高的性能价格比为依据。 最后选定方案。
第10章 数字系统设计 9
第10章 数字系统设计
28
若要求两路正弦输出信号相差角，就要求两路
阶梯波对应的阶梯错开M个计数器的状态，即
2 M N
2 M / N
若要求两路相差120，且N=6，则M=2。 两路输出对应阶梯应错开两个计数器状态。
第10章 数字系统设计 29
系统框图
多谐 振荡 器
为1的位权电阻接VREF；为0的位权电阻接地。 VREF实际上就是控制变量的逻辑高电平时的电压 值VOH，也就是电源的值VDD，而地由VOL代替。
第10章 数字系统设计 38
由图可以看到，全0状态必须对应sin90，而全
1状态对应sin(-90) 。
由于含有直流分量，因此增加电平偏移电路。
电路工作稳定性及精度好，如果集成电路选择
合适，电路结构也很简单。 例如选择15级分频器及频率为32768Hz的石英晶 体，即可方便地构成秒脉冲发生器。
第10章 数字系统设计
15
10.2.3 方案实现
数字系统的实现大致有以下几种方法：
1）采用通用的集成逻辑器件组成。
传统的方法，实际应用比较广泛。 2）采用单片微处理器作为核心实现。 所用器件少，使用灵活，也得到广泛应用。 3）采用可编程逻辑器件PLD。
第10章 数字系统的设计
1
目 录
10.1 数字系统概述
数字系统的组成
数字系统的研制过程
10.2 数字系统设计的一般方法
10.3 数字系统设计举例
数字波形合成器的设计
浮点频率计的设计
第10章 数字系统设计 2
10.1 数字系统概述
10.1.1 数字系统的组成 数字系统通常包括输入、输出、信息处理与控 制等部分 。
张简单的装配图，以确定各元器件的实际位置，这 对于后面的布线和调试工作是十分重要的。
第二步就是把元器件按照装配图指示的位置插入实
验板或实验箱的面板上，然后进行接线。
在接线时，应首先连接各集成块的电源线和地线，
然后插入外围电路各元器件，最后完成各集成块之 间的信号连线。
第10章 数字系统设计 21
图中虚线部分。
第10章 数字系统设计
39
输出应改写为
1 1 1 V0 R f VREF ( d1 d 2 d3 R1 R2 R3 Rf 1 1 1 d 4 d5 d6 ) VEE R4 R5 R6 R0
等于正弦波幅值Vm
第10章 数字系统设计 40
根据各点相位要求及教材（10-20）（10-20）
可推出各权电阻之间关系为：
R1 : R2 : R3 : R4 : R5 : R6 1.5 : 0.55 : 0.4 : 0.4 : 0.55 :1.5
具体取值为：1MΩ、370kΩ、270kΩ、270kΩ、 370kΩ、1MΩ。 Rf应取为68kΩ， R0应取为135kΩ。
第10章 数字系统设计 41
善系统设计。
试生产：样机研制成功后，可根据实际情况试生
产若干台，交使用单位使用，并提出使用意见，
为下一步鉴定工作做准备。 最后才能正式投入生产。
第10章 数字系统设计
6
10.2 数字系统设计的一般方法
系统的设计没有一成不变的规定步骤，它往往
与设计者的经验、兴趣、爱好等密切相关。
总体来说可归纳为如图所示的5个步骤。
课题 分析
方案 论证
方案 实现
系统 仿真
样机 研制
第10章 数字系统设计
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10.2.1 课题分析
课题分析：根据技术指标的要求，做好充分的
调查研究，弄清系统所要求的功能和性能指标，
以及目前该领域中类似系统所能达到的水平， 对课题的可行性做出判断。
第10章 数字系统设计
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10.2.2 方案论证
按照系统总的要求，得到系统框图。
13
方案4 电子手表 秒脉冲信号
电路结构非常简单，但要从手表内引出秒脉冲 信号，工艺上有一定困难。 手表电池电压为1.3V，而一般CMOS电路工作 电压为318V，因此，不仅需两种电源供电，而 且引出信号还需增加电平转换电路才能使用。
第10章 数字系统设计 14
选择方案3
方案3 石英晶体 多谐振荡器 多级 分频器 秒脉冲 信号
二阶低通滤波器
二阶低通滤波器设计属于模拟电子技术内容，
分频系数N，从而得到扭环形计数器的位数N／2。
分频器输入脉冲的频率F（或多谐振荡器的输出
频率）。
多路输出正弦波间的相位差角所决定的变量序 列差值M。
第10章 数字系统设计
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由给定相位差求最小细分系数P
P 360 / 3
求分频系数N以及变量序列差值M
通常取 N12，本方案取12
32
6位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合
成原理
若要求相差120，应错开M=4个计数器状态。
若第一路输出采用Q1~ Q6，则第二路输出的第
一个状态便变量应该是Q5，而其后的5个状态变 量依次为，Q6、Q1、Q2、Q3、Q4
第10章 数字系统设计
33
设计中首先确定以下3个参数 ：
设计的系统体积小、功耗低、可靠性高、易于进行 修改等，已成为当今实现数字系统设计的首选方案。
4）设计功能完整的数字系统芯片。
第10章 数字系统设计 16
第一种方法的要点是：
熟悉目前数字或模拟集成电路的分类、特点， 合理地选择所用芯片，方便地实现各功能块的 要求，并且工作可靠、价格低廉。
对所选各功能块进行应用性设计时，要根据集 成电路的技术要求和功能块应完成的任务，正 确设计计算外围电路的参数，对于数字集成电 路要特别注意正确处理各功能输入端。
第10章 数字系统设计
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10.3 数字系统设计举例 10.3.1 数字波形合成器的设计
任务书：数字波形合成器的设计。 技术指标 设计一个具有高频率稳定度和高相位稳定度的三相正 弦信号源。
f=400MHz。
频率稳定度Δf/f≤10-4。 三相信号A、B、C间相差120。 相位误差Δ≤3。 幅值=5V0.2V。 正弦信号非线性失真系数г<1%。
拟订性能指标：就是要根据实际的需要，并充分考
虑当前的技术发展状况，提出对系统主要性能指标 的要求。 方案设计：指从接到任务书一直到样机研制成功的 整个过程。
工艺设计：主要包括印制电路板的设计与制作，系
统各部件间的连接设计，接线图以及机箱的加工制 造等。
第10章 数字系统设计 5
样机研制：对整个系统进行安装调试，进一步完
检查接线确定无误后方可通电。通电后如果没有明 显的故障现象，就可以进行电路的调试。 常见的故障：接错线、漏接线和逻辑设计错误。 排除方法可利用“故障点跟踪测试法” ，如发现该 点的信号特征与预期结果不符，则向前一级查找。 漏接线的结果往往使输入端浮空，浮空点的电平将 偏离正常的逻辑电平 。 接错线有时会使器件输出端之间短路，若为TTL电 路则输出电压大约为0.6V。
首先把正弦波的一个周期分为N等分，用具有Nຫໍສະໝຸດ 个阶梯的正弦波来逼近所要求的正弦波。
N越大，其逼近程序越好，但同时电路实现也越
复杂。合理选择N值。
合成的阶梯波通过LPF把其中的高次谐波分量 滤除，就获得了所需正弦波。
第10章 数字系统设计
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正弦阶梯波合成器原理框图
脉冲发 生器 计数器 （分频器） 正弦加 权DAC 阶梯正 弦波
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数字波形合成器总电路图
第10章 数字系统设计
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A相正弦加权DAC
下面介绍电路的工作原理和权电阻的求解方法。
不包括虚线部分的输出电压：
1 1 1 V0 R f VREF ( d1 d2 d3 R1 R2 R3 1 1 1 d4 d5 d6 ) R4 R5 R6
例10-1：试设计一个秒脉冲发生器。 1. 提出方案。4种方案
方案1
交流50Hz 信号 方案2 整形 电路 50分频 器 秒脉冲 信号