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| 編輯推薦： |
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“数字逻辑电路实验”课程是电类专业基础课，学生通过数字逻辑电路分析和设计、电路调试与测试，观察实验现象、分析实验结果和实验探索等环节学习，培育积极的劳动精神，培养学生严、实、能、用的工作作风。传统的数字逻辑电路实验呈现“自底向上”的特点，偏重对底层元器件的分析和设计，较少涉及系统级的集成与设计。为此，我们将现场可编程阵列FPGA引入数字逻辑电路实验中，FPGA具有灵活性高、并行计算和开发周期短等优点，可对复杂的数字系统进行设计与开发，在云计算、大数据及人工智能等领域得到广泛应用。目的是培养具有扎实基础知识和宽广专业技能，兼顾“基础”和“系统”的新兴电子信息技术人才培养需求。本教材在实验内容编排上力求实用，由浅入深，层层递进，循序渐进培养学生系统设计能力。实例中实验电路和程序都经过编者调试与测试，将实验原理、功能测试与应用相结合，注重工程实践系统观念的培养和综合应用能力的训练。
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| 內容簡介： |
“数字逻辑电路实验”课程是电类专业基础课，学生通过数字逻辑电路分析和设计、电路调试与测试，观察实验现象、分析实验结果和实验探索等环节学习，培育积极的劳动精神，培养学生严、实、能、用的工作作风。传统的数字逻辑电路实验呈现“自底向上”的特点，偏重对底层元器件的分析和设计，较少涉及系统级的集成与设计。为此，我们将现场可编程阵列FPGA引入数字逻辑电路实验中，FPGA具有灵活性高、并行计算和开发周期短等优点，可对复杂的数字系统进行设计与开发，在云计算、大数据及人工智能等领域得到广泛应用。目的是培养具有扎实基础知识和宽广专业技能，兼顾“基础”和“系统”的新兴电子信息技术人才培养需求。本教材在实验内容编排上力求实用，由浅入深，层层递进，循序渐进培养学生系统设计能力。实例中实验电路和程序都经过编者调试与测试，将实验原理、功能测试与应用相结合，注重工程实践系统观念的培养和综合应用能力的训练。
本书面向中国民航大学的电子信息工程、通信工程、自动化、电气工程及自动化、计算机科学与技术五个本科专业学生使用，可为作为普通高等院校电类本科生及专科生的实验教学参考书，也可为社会上相关专业技术人员提供参考，具有较稳定的市场需求。
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| 關於作者： |
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王淑艳，教授，工学博士，中国民航大学工程技术训练中心教师，工程技术训练中心于2013年就被正式批准成为“国家级实验教学示范中心”。本人二十多年一直兢兢业业从事本科基础教学工作，主讲“数字逻辑电路实验”为天津市线上线下混合式一流课程。
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| 目錄：
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第1章集成电路基础
1.1集成电路发展概述
1.2集成电路封装
1.3集成电路设计方法
1.3.1中小规模集成电路的设计方法
1.3.2电子设计自动化技术
1.3.3用户现场可编程技术
第2章FPGA技术简介
2.1FPGA概况
2.2FPGA的基本结构
2.2.1逻辑门阵列
2.2.2可配置逻辑模块
2.2.3可编程输入/输出逻辑模块
2.2.4布线资源
2.2.5时钟网络
2.3FPGA采用的可编程技术
2.3.1反熔丝技术
2.3.2可擦编程只读存储器技术
2.3.3闪存技术
2.3.4静态随机存储器技术
2.4FPGA基本逻辑单元介绍
2.4.1静态CMOS反相器
2.4.2D触发器
2.4.3静态随机存储器
2.4.4查找表的逻辑实现
2.5FPGA开发软件和设计流程
第3章Quartus Prime 17.1软件的使用
3.1Quartus Prime 17.1软件简介
3.2Quartus Prime 17.1软件的操作
3.2.1新建工程项目
3.2.2输入设计文件
3.2.3设计文件分析与综合
3.2.4分配引脚与编译
3.2.5下载与测试
3.3修改FPGA芯片配置
3.4基于IP核创建锁相环（PLL）模块
3.5嵌入式逻辑分析仪的使用
3.6ModelSim仿真软件的使用
3.7大学计划VMF仿真
第4章数字逻辑电路基础实验
4.1数字逻辑电路实验操作基本要求
4.2数字逻辑电路实验基础知识
4.2.1数字信号
4.2.2常用数制和8421BCD编码
4.2.3数字信号输入方式
4.2.4逻辑门和逻辑模块
4.2.5逻辑函数表达式
4.2.6数字逻辑电路分析
4.2.7数字逻辑电路设计
4.2.8数字逻辑电路调试与测试方法
4.3数字逻辑电路基础实验项目
4.3.1基础实验一： 门电路和组合逻辑电路分析及测试
4.3.2基础实验二： 译码器和数据选择器逻辑功能测试
4.3.3基础实验三： 编码器与数值比较器逻辑功能测试
4.3.4基础实验四： 静态显示电路分析及综合测试
4.3.5基础实验五： 实用分频器设计及测试
4.3.6基础实验六： 触发器逻辑功能测试及应用
4.3.7基础实验七： 简单时序电路分析与设计及测试
4.3.8基础实验八： 集成计数器基本功能及分频应用测试
4.3.9基础实验九： 动态显示电路综合设计及应用测试
4.3.10基础实验十： 任意进制计数器设计及综合测试
4.3.11基础实验十一： 任意进制减法计数器设计及测试
4.3.12基础实验十二： 基于状态机的时序逻辑电路设计及测试
4.3.13基础实验十三： 移位寄存器电路分析及综合测试
4.3.14基础实验十四： 555时基电路综合测试
4.3.15基础实验十五： ROM功能测试实验
4.3.16基础实验十六： RAM功能测试实验
4.3.17基础实验十七： 数字锁相环（PLL）功能测试实验
第5章数字逻辑电路综合实践
5.1数字逻辑电路综合实践设计概述
5.2综合实践项目的模块化设计
5.2.1综合实践项目的模块化设计概述
5.2.2综合实践项目的工程规范性
5.2.3综合实践项目的通用模块
5.2.4模块电路设计、调试与接口制作
5.3数字逻辑电路综合实践项目
5.3.1综合实践项目一： 简易数字电子钟设计及综合测试
5.3.2综合实践项目二： 流水灯设计及综合测试
5.3.3综合实践项目三： 简易电子琴设计及综合测试
5.3.4综合实践项目四： 音乐彩灯设计及综合测试
5.3.5综合实践项目五： 简易抢答器设计及综合测试
5.3.6综合实践项目六： 智能交通灯设计及综合测试
5.3.7综合实践项目七： 智能售货机控制电路设计及综合测试
5.3.8综合实践项目八： 电梯控制电路设计及综合测试
5.3.9综合实践项目九： 简易直流电动机控制电路设计及综合测试
5.3.10综合实践项目十： 步进电动机控制电路设计及综合测试
5.3.11综合实践项目十一： 民航机场客流量统计电路设计及综合测试
5.3.12综合实践项目十二： 模拟飞机照明灯控制电路设计及综合测试
第6章Verilog HDL语法简介与应用案例
6.1HDL硬件描述语言介绍
6.2Verilog HDL语法简介
6.2.1逻辑值
6.2.2Verilog数据类型、常量与变量
6.2.3关键字
6.2.4标识符
6.2.5运算符
6.2.6Verilog程序框架
6.3Verilog HDL应用案例
6.3.1编程案例一： 按键控制下LED点亮实验
6.3.2编程案例二： 一位全加器实验
6.3.3编程案例三： 数据选择器实验
6.3.4编程案例四： 译码器实验
6.3.5编程案例五： D触发器实验
6.3.6编程案例六： 按键消抖实验
6.3.7编程案例七： 十进制计数器实验
6.3.8编程案例八： 分频器设计实验
6.3.9编程案例九： 数码管动态显示实验
6.3.10编程案例十： 简易电子琴设计
6.3.11编程案例十一： 自动音乐播放器
6.3.12编程案例十二： 跑马灯控制设计
6.3.13编程案例十三： 简易抢答器控制设计
6.3.14编程案例十四： 简易数字电子钟设计
6.3.15编程案例十五： 交通灯控制器
6.3.16编程案例十六： 直接数字频率合成器
6.3.17编程案例十七： 高速A/D数据采集测试
6.3.18编程案例十八： FIR数字滤波器
第7章实验中的常见问题及解决方法
7.1软件操作常见问题及解决方法
7.1.1软件窗口界面设置问题
7.1.2模块中字体显示严重重叠
7.2新建工程相关问题及解决方法
7.2.1新建工程路径中出现乱码
7.2.2无法打开设计实例
7.2.3编译等快捷图标为灰色，无法操作
7.2.4区分文件类型
7.3综合编译相关报错及解决方法
7.3.1一般通用方法
7.3.2原理图文件设计中的常见编译错误
7.3.3状态机文件设计中的常见编译错误
7.3.4Verilog HDL文件设计中的常见编译错误
7.4仿真调试与测试相关问题及解决方法
7.4.1ModelSim联合仿真
7.4.2仿真文件路径问题
7.4.3未全编译导致无法时序仿真
7.5引脚绑定相关问题及解决方法
7.5.1弹窗提示引脚分配不成功
7.5.2误关引脚分配列表
7.6程序下载相关问题及解决方法
7.6.1测试程序无法下载到实验板上
7.6.2设计文件下载到实验板后实验现象与预期不符
7.7SignalTap Ⅱ波形测量相关问题及解决方法
7.7.1SignalTap Ⅱ无法识别下载器和实验板芯片
7.7.2Matching Nodes列表中无法找到全部待测节点
7.7.3部分测试节点无波形或波形不正确
参考文献
附录AQuartus Prime常用模块
附录BQuartus Prime常用文件扩展名
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| 內容試閱：
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“数字逻辑电路实验”课程是电类专业基础课。通过数字逻辑电路的分析与设计、调试与测试，观察实验现象、分析实验结果以及实验探索等环节，培养学生积极的劳动精神和严、实、能、用的工作作风。
传统的数字逻辑电路实验呈现“自底向上”的特点，偏重对底层元器件的分析和设计，较少涉及系统级的集成与设计。为此，我们将现场可编程门阵列（FPGA）引入数字逻辑电路实验中（FPGA具有灵活性高、并行计算和开发周期短等优点，可对复杂的数字系统进行设计与开发，在云计算、大数据及人工智能等领域得到广泛应用），目的是培养具有扎实的基础知识和宽广的专业技能，兼顾“基础”和“系统”的新兴电子信息技术人才。
本书在实验内容编排上力求实用，由浅入深，层层递进，循序渐进地培养学生的系统设计与测试能力。实例中给出的实验电路和程序都经过编者的调试与测试，将实验原理、功能测试与应用相结合，注重系统观念的培养和综合应用能力的训练。全书共分为7章，介绍如下：
第1章介绍了集成电路基础知识，包括集成电路发展概述、集成电路封装和设计方法等基础知识。集成电路发展遵循摩尔定律给出的发展路线，大约每隔18个月集成电路可容纳的元器件数目就翻一番，集成电路的高速发展推动FPGA应运而生。
第2章简单介绍了典型FPGA的可编程逻辑模块、布线资源及时钟网络等基本结构，介绍了反熔丝技术、可擦编程只读存储器技术、闪存技术、静态随机存储器技术等常用的可编程技术。然后从静态CMOS反相器的电路结构出发，编写了D触发器、静态随机存储器与查找表的逻辑实现方法。使学生能够从FPGA最基本的逻辑单元和最底层的结构出发，加深对FPGA技术的理解，从而对FPGA的硬件结构和设计开发有初步的认识，以提高复杂数字系统的设计与调试能力。
第3章介绍了支持 Cyclone Ⅳ系列FPGA芯片设计的集成开发软件Quartus Prime。Cyclone Ⅳ系列FPGA采用优化的低功耗工艺，对于通用逻辑设计开发是很好的选择。
该章以实验案例形式详细介绍了Quartus Prime 17.1的使用，包括工程项目创建、源文件输入、设计文件分析与综合、分配引脚与编译、下载与测试等操作流程。并且还介绍了FPGA片上调试与测试工具即嵌入式逻辑分析仪（SignalTap Ⅱ）的使用，以及仿真软件ModelSim和大学计划VWF的操作过程。
第4章首先从数字系统角度介绍了数字逻辑电路实验基础知识，包括数字信号、数字信号输入方式、逻辑门与逻辑
模块、逻辑电路分析与设计以及逻辑电路调试与测试方法，让学生建立起数字系统设计、调试与测试的概念。
然后以原理图的方式给出17个基础实验项目，包括经典组合逻辑电路和时序逻辑电路的实验项目，还有面向行为级的状态机实验项目，以及基于IP核的ROM、RAM与数字锁相环（PLL）的功能测试实验。
第5章首先介绍了综合实践项目的模块化设计理念、工程规范性要求、通用模块和模块接口制作方法等重要工程实践经验，使学生可以更加方便灵活地开展项目开发、维护与升级。然后以数字电子钟、简易电子琴和智能交通灯等6个综合
实践项目为案例，引导学生开展项目设计与综合测试，让学生逐步理解数字系统设计及
综合测试方法，积累工程实践经验，开发出具有稳定性、精确性和可靠性的数字系统。最后给出6个待开发的实用性选题，包括智能售货机控制、电梯控制、电动机控制、民航机场客流量统计和模拟飞机照明
灯控制电路设计等综合实践项目，拓展学生综合实践项目开发空间。
第6章首先介绍了Verilog HDL语言中最常用的语法知识，包括数字表示、标识符、运算符和程序框架等，给出编程规范，以便让初学者能够编写出整洁美观、易于调试与维护的实用程序代码。然后以编程案例形式给出18个实验项目，包括一位全加器实验、译码器实验、按键消抖实验、分频器设计实验、数码管动态显示实验、简易电子琴设计、简易抢答器控制设计、直接数字频率合成器(DDS)、高速A/D数据采集测试和FIR数字滤波器等基础与综合实验项目。在编程案例中，循序渐进地给出Verilog HDL常用语法知识和编程方法，使学生深入理解Verilog HDL语言在复杂数字系统行为级与寄存器传输级描述中的实现本质，提高其灵活运用Verilog HDL语言构建复杂数字系统的能力。
第7章梳理了在工程设计、综合编译、仿真调试与实验板卡下载测试以及FPGA片上调试与测试工具SignalTap Ⅱ中学生遇到的常见实验问题，按照“问题概述或报错信息—原因—解决方法—经验积累”的要素总结，注重学生工程实践能力的培养和系统思维的养成，可帮助学生在遇到问题时快速寻找解决办法。
本书由王淑艳主编，其中第1~5章由王淑艳编写，第6章由倪健民编写，第7章和附录由孙佳慧编写； 另外孙佳慧对本书进行了校对。在本书的编写过程中，还得到了邢东洋和张磊等老师的帮助，在此表示衷心感谢！
本书相关数字资源可通过扫描书中的二维码获得。
由于编者水平有限，加之编写时间仓促，书中难免有疏漏之处，敬请读者批评指正，提出宝贵意见！
编者
2023年7月
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