FPGA开发及应用（微课版）

本书结合当前高等院校学生的理论基础和软件操作水平，较为全面地介绍了FPGA开发与设计中典型逻辑电路模块的设计、设计辅助工具的使用以及相关外围电路的应用。全书共分为8个项目，案例主要来源于企业典型案例和电子设计竞赛。项目1、项目2以“计数器”FPGA设计核心和关键切入点电路作为入门，分别以原理图法和Verilog HDL代码两种方法实现；项目3以分频计数显示系统为载体，先介绍了业内应用最为广泛的ModelSim仿真软件的使用，然后介绍了“分频器”这一典型同步电路，为后续项目和任务做铺垫；项目4～项目8共5个综合项目，原则上不严格区分先后顺序。 本书可以作为高等院校电子信息类和集成电路类专业的FPGA课程或EDA课程的教材，特别适合作为全国大学生电子设计竞赛中信号类题目的竞赛培训参考资料，并适合电子大类专业的开发人员和广大爱好者自学使用。

张伟，男，中共党员，西安航空职业技术学院电子信息工程技术教研室主任。主要研究方向为GPS和北斗基带信号处理及电路实现方法，主授课程有《信号与系统》《FPGA实训》《嵌入式系统开发应用》等。近9年指导学生参加全国大学生电子设计竞赛，获得国家一等奖一项，省级奖项十余项。

目录 项目1 原理图法实现典型逻辑电路的设计 1 任务1.1 原理图法实现一位全加器 2 任务导入 2 1.1.1 　【知识准备】Quartus Prime设计电路基本流程 2 1.1.2　【任务实施】层次化设计实现一位全加器 31 任务1.2　原理图法实现十六进制计数器 35 任务导入 35 1.2.1　【知识准备】十六进制计数器原理与器件准备 35 1.2.2　【任务实施】十六进制计数器设计与验证 40 任务1.3　原理图法实现十进制计数 显示器 43 任务导入 43 1.3.1　【知识准备】十进制计数器原理与器件准备 43 1.3.2　【任务实施】十进制计数器显示设计与验证 49 知识拓展 51 思考与练习 53 实战演练 53 项目2 典型逻辑电路的Verilog HDL设计 54 任务2.1　Verilog HDL实现四位 加法器 55 任务导入 55 2.1.1　 【知识准备】结构化描述和数据流 描述方式 55 2.1.2　【任务实施】结构化描述和数据流描述方式实现四位加法器 74 任务2.2　Verilog HDL实现十进制 计数器 77 任务导入 77 2.2.1　【知识准备】行为级描述方式和混合描述方式 78 2.2.2　【任务实施】混合描述方式实现十进制计数器 97 知识拓展 102 思考与练习 105 实战演练 105 项目3 分频计数显示综合系统 107 任务3.1　第三方仿真软件ModelSim的仿真 108 任务导入 108 3.1.1　【知识准备】第三方仿真软件ModelSim 108 3.1.2　【任务实施】ModelSim仿真计数器的实施方法 111 任务3.2　通用分频器的设计与验证 124 任务导入 124 3.2.1　【知识准备】分频器的 设计思路 124 3.2.2　【任务实施】通用分频器电路 设计与验证 125 任务3.3　分频计数显示综合系统设计 135 任务导入 135 3.3.1　【知识准备】综合系统 设计方法 135 3.3.2　【任务实施】分频计数显示综合系统设计与验证 142 任务3.4　时序分析与时序约束 146 任务导入 146 3.4.1 　【知识准备】Cyclone系列 FPGA电路中的典型延时 146 3.4.2　【任务实施】Quartus Prime时序约束的实施 154 思考与练习 158 实战演练 159 项目4 高速信号发生器 160 任务4.1 基于通用分频器的高速信号 发生器 161 任务导入 161 4.1.1　【知识准备】基于通用分频器的高速信号发生器设计分析 162 4.1.2 【任务实施】基于通用分频器的高速信号发生器设计实施 170 任务4.2 基于IP核的高速信号 发生器 180 任务导入 180 4.2.1 【知识准备】Altera IP核介绍 181 4.2.2　【任务实施】基于PLL IP核的高速信号发生器的设计 实施 183 4.2.3 【任务实施2】基于ROM IP核的高速信号发生器的设计实施 189 任务4.3 基于NCO IP核设计高精度 信号发生器 195 任务导入 195 4.3.1 【知识准备】NCO IP核介绍 196 4.3.2 【任务实施】基于NCO IP核设计高精度信号发生器设计实施 198 思考与练习 204 实战演练 204 项目5 信号幅值测量显示仪 205 任务5.1 幅值测量电路设计 207 任务导入 207 5.1.1 【知识准备】幅值测量电路设计分析 207 5.1.2 【任务实施】幅值测量电路设计与仿真 217 任务5.2 SignalTap辅助分析电路 221 任务导入 221 5.2.1 【知识准备】SignalTap简介 221 5.2.2 【任务实施】SignalTap分析幅值测量电路 224 任务5.3 动态数码管驱动电路设计与 验证 235 任务导入 235 5.3.1 知识准备 动态数码管设计 分析 235 5.3.2 【任务实施1】ISSP辅助数码管驱动电路设计实施 243 5.3.3 【任务实施2】动态数码管逻辑资源优化 247 思考与练习 253 实战演练 253 项目6 信号频率测量显示仪 254 任务6.1 脉冲信号的测频显示 电路设计 256 任务导入 256 6.1.1　【知识准备】常见测频 方法介绍 256 6.1.2 【任务实施】数字信号测频电路设计与验证 270 任务6.2 正弦信号的测频显示电路 设计 278 任务导入 278 6.2.1 【知识准备】正弦信号频率测量设计分析 278 6.2.2 【任务实施】正弦波测频显示设计与验证 282 思考与练习 283 实战演练 284 项目7 基于VGA的液晶显示屏 示波器 285 任务7.1　VGA彩条显示 287 任务导入 287 7.1.1　【知识准备】VGA彩条显示设计分析 287 7.1.2　【任务实施】VGA彩条显示电路设计与验证 294 任务7.2　VGA固定采样率简易 示波器 298 任务导入 298 7.2.1　【知识准备】VGA显示ADC采集波形设计分析 298 7.2.2　【任务实施】VGA固定采样率简易示波器设计与验证 303 任务7.3　VGA任意采样率简易 示波器 307 任务导入 307 7.3.1　【知识准备】基于FIFO的VGA任意采样率简易示波器设计 分析 307 7.3.2　【任务实施】VGA任意采样率简易示波器设计与验证 314 思考与练习 316 实战演练 316 项目8 自动饮料售卖机交互系统 317 任务8.1　按键检测显示电路设计 319 任务导入 319 8.1.1　【知识准备】按键检测显示电路 设计分析 319 8.1.2　【任务实施1】按键检测电路 设计与验证 323 8.1.3　【任务实施2】按键提示音电路设计 326 任务8.2　自动饮料售卖机——状态机设计与验证 328 任务导入 328 8.2.1　【知识准备】状态机相关知识 329 8.2.2　【任务实施】自动饮料售卖机人机交互综合系统设计与 验证 338 思考与练习 340 实战演练 340