本书采用电子设计自动化的设计思想与方法对数字电子系统中的关键电路和实用电路进行分析与设计。各设计实例都从原理叙述和逻辑分析出发，然后采用EDA方法进行设计输入、设计仿真和个体实现。全书共章，内容包括：组合逻辑电路中的码制转换器、数值比较器、算术运算电路、时序逻辑电路中的计数器、串/并发生器和序列检测器，以及综合实用的电子钟电路。

随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子电路的设计与计算机系统紧密相连。电子设计自动化（EDA）是在计算机辅助设计（CAD）的技术基础上发展起来的计算机设计开发技术，其主要特点是自动化程度高、功能较完善、操作界面友好，并且有良好的数据开放性和互换性。目前，EDA技术已经被世界上许多公司、企业和科研院所广泛使用，同时，各所大学的电子类专业大部分亦开设了EDA课程。EDA作为一门实用技术，对于学习者和电路开发者而言，关键在于实际电路的设计与实现以及相关工具软件使用。本书以常用的EDA开发系统为经，以数字系统中的关键电路为纬，精选出8个典型的数字电路，采用原理图和硬件描述语言两种输入方式对其进行设计。附录中介绍了常用的4种EDA工具软件的使用。

本书内容

本书共分8章，通过实例详细讲解了8个典型的EDA与数字系统的设计。

第1章介绍码制转换器设计，主要讲格雷码到BCD码转换器的设计与实现。这是组合逻辑电路中的典型电路设计。本章详细介绍了格雷码和BCD码的特点与作用，论证了多种转换方式的优缺点，而选择适合EDA方式设计的高速高效设计方案。即采用原理图和VHDL语言两种输入方式对其进行设计。同时，还详细介绍了EDA中的层次化设计方法。

第2章是数值比较器的设计与实现。在数字系统中经常要求对两个数字进行比较，以判别它们之间的大小和相等关系，进而实现对数字信号的监视和控制问题，如绕制电机绕组时对绕组匝数的监控，计件产品的计量和包装，送料电机的运转速度等，应用数值比较器可以构成一个完整的监控器，通过比较所测的数值与预定值来判别其大小并进而产生相应的控制信号，生成相应的动作。本章中从一位数值比较器的设计出发，详细介绍了四位数值比较的设计与实现，以及由四位数值比较器构成多位数值比较的方法，也是从原理图和VHDL语言两方面对其进行设计。     第3章是算术电路设计。加法器是构成算术运算器的基本单元，两个二进制数之间的加、减、乘、除运算都可以化作若干步的加法运算。本章首先简单介绍了一位半加器和一位全加器的原理与实现，尔后重点介绍四位行波加法器、超前进位加法器的设计与实现，并分析了二者的区别，最后介绍了四位乘法器的设计与实现方法。

第4章是2421BCD码十进制递增计数器的设计。本章是数字系统中同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路的典型设计实例。同一个功能，由两种不同的时序方式来实现，使读者理解同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路的优缺点以及掌握同步时序和异步时序在EDA中的实现方法。

第5章是串并转换器和并串转换器的设计与实现。数字通信中通常在线路上传递的信息是串行的数据，而终端的输入或输出又往往要求是并行的，因而需要将串行信号转换成并行信号，或由并行信号转换成串行信号。本章采用基于移位寄存器的方法，从原理图和VHDL语言两方面来描述并串转换器和串并转换器的设计与实现。通过本章可以掌握移位寄存器的特点，以及并串转换器和串并转换器的设计方法。

第6章是序列信号发生器的设计与实现。伪随机序列在扩频通信、雷达、遥控/遥测、加密/解密和无线电测量系统邻域中有着广泛的应用，直接利用FPGA产生伪随机序列可以为系统设计和测试带来极大的方便。在本章中，我们详细介绍了两种M序列的产生方法，即根据给定的序列信号设计序列信号生成电路或根据序列长度，选择长度为M的序列信号来设计序列信号生成电路，并从原理图和VHDL语言两方面描述两种不同的M序列产生方法，最后给出了序列信号发生器的一般设计方法。

第7章是序列信号检测器的设计与实现。本章主要采用状态机的方法来设计序列信号检测器，并给出了该方法进行电路设计的一般流程。这里在从原理图和VHDL语言两方面描述序列信号110的检测器的基础上，给出了一个综合实例：自动售货机的设计，从而进一步加深读者对状态机这种设计方法及序列信号检测的应用的理解。

第8章是电子钟电路设计与实现。数字钟已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人、家庭，以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。电子钟电路的基本组成包含了数字电路的主要组成部分，因此进行数字钟的设计是必要的。本章以同步十进制计数器74160芯片作为底层模块来设计一个电子钟电路，也是从原理图和VHDL语言两方面对其进行设计，通过本章学习，读者可以掌握如何用74160芯片构成多进制计数器，以及BCD-七段译码器的相关知识。

本书特色

（1）本书提供了许多具体实用的硬件电路和较完整的应用程序以及设计思路，对于一个电子电路与系统的研究开发人员来讲，其中内容只须稍加修改或不做修改即可应用在读者的实际应用场合。

（2）每一实例都给出全部的设计过程，设计开发的每一个步骤都详细地展现给读者，力求初学者能看懂，这是本书最突出的特点之一。这不但对学习EDA的学生，还是EDA应用开发人员，特别是对EDA工具软件使用不熟练的读者有极高的参考价值。

（3）详细的数字逻辑推导，让初学者或数字逻辑较差的读者都能舒畅的阅读本书。

（4）每一个课题都采用多种方案进行设计，以便拓展读者的视野。

编者力图使本书有助于读者采用EDA为各自的领域解决实际问题。因此，在编写本书时，力求深入浅出、通俗易懂，注重理论联系实际，并着重实际应用。本书实例的选择具有代表性、基础性和实用性。我们希望本书能使学习EDA的学生学到课堂上难以学到的实际应用开发知识，也希望本书的应用实例能够对EDA应用开发人员有所帮助。

本书由黄科、艾琼龙、李磊等编写，黄科负责全书的统稿和审阅。本书的全部实例均是编者在实际教学和EDA应用系统开发中自己总结的成果。第1章以及附录A主要由黄科编写，第2、3、5章以及附录B、附录C主要由艾琼龙编写，第6~8章由李磊编写，第4章以及附录D主要由黄峰编写。

另外，湖南省社会科学院助理研究员刘艳文对本书的实用性进行了认真的调查研究，在此表示感谢。

编  者

2009年11月

第1章  码制转换器设计 1

1.1  格雷码与BCD码 2

1.1.1  格雷码简述 2

1.1.2  BCD码简述 3

1.2  方案设计与论证 4

1.2.1  格雷码转换为自然二进制码的方案设计与论证 5

1.2.2  自然二进制码转换为8421BCD码的方案设计与论证 6

1.3  原理图逻辑设计 11

1.3.1  设计逻辑电路图 11

1.3.2  原理图逻辑输入及仿真测试 24

1.4  VHDL硬件描述语言设计 48

1.4.1  设计方案论证 48

1.4.2  硬件描述语言设计输入方法 49

1.5  总结 55

1.6  相关设计课题 55

课题1：自然二进制码到格雷码转换器的设计与实现 55

课题2：8421BCD码到其他BCD码的转换电路设计 56

1.7  参考文献 56

第2章  数值比较器设计 57

2.1  引言 58

2.2  数值比较器的设计原理 58

2.3  原理图逻辑设计 59

2.3.1  设计逻辑电路图 59

2.3.2  原理图逻辑输入及仿真测试 66

2.4  VHDL硬件描述语言设计 86

2.4.1  一位数值比较器的硬件描述语言设计 87

2.4.2  不带扩展端的四位数值比较器的硬件描述语言设计 90

2.4.3  带扩展位的四位数值比较器的硬件描述语言设计 93

2.5  总  结 101

2.6  相关设计课题 101

课题1：六位数值比较器的设计 101

课题2：六十四位数值比较器的设计 101

2.7  参考文献 102

第3章  算术电路设计 103

3.1  引言 104

3.2  加法器的设计 104

3.2.1  原理图逻辑设计 104

3.2.2  VHDL硬件描述语言设计 129

3.3  乘法器的设计 136

3.3.1  原理图逻辑设计 136

3.3.2  VHDL硬件描述语言设计 142

3.4  总  结 144

3.5  相关设计课题 144

课题1：十六位加法器的设计 144

课题2：八位乘法器的设计 144

3.6  参考文献 144

第4章  2421BCD码十进制 递增计数器设计 145

4.1  引言 146

4.2  系统总体设计 147

4.2.1  系统方案设计 147

4.2.2  设计方式和设计步骤 148

4.3  原理图逻辑设计 150

4.3.1  设计逻辑电路图 150

4.3.2 原理图逻辑输入及仿真测试 164

4.4  VHDL硬件描述语言设计 172

4.4.1  计数器硬件描述语言设计方案论证 172

4.4.2  计数器硬件描述语言设计输入方法 173

4.5  总  结 180

4.6  相关设计课题 180

课题1：双模递增计数器的设计 180

课题2：具有异步清零、同步置数功能的同步8421BCD码十进制计数器设计 181

课题3：具有异步清零、同步可逆功能的四位二进制计数器设计 181

4.7  参考文献 181

第5章  串并/并串转换器 设计 182

5.1  引  言 183

5.2  串并转换器的设计与实现 184

5.2.1  串并转换器原理图设计 184

5.2.2  串并转换器的硬件描述语言设计 190

5.3  并串转换器的设计与实现 192

5.3.1  并串转换器原理图设计 192

5.3.2串并转换器的硬件描述语言设计 199

5.4  总  结 201

5.5  相关设计课题 201

课题1：串入串出移存器设计 201

课题2：双向移位寄存器设计 202

课题3：串入串出双向移位寄存器设计 202

5.6  参考文献 202

第6章  序列发生器的设计 203

6.1  引  言 204

6.2  序列发生器的设计思路 204

6.3  原理图逻辑设计 205

6.3.1  设计给定序列的信号发生电路 205

6.3.2  根据序列循环长度 的要求设计发生器电路 217

6.4  VHDL硬件描述语言设计 224

6.4.1  移存型序列信号发生器 224

6.4.2  计数型序列信号发生器 227

6.4.3  反馈型序列发生器 228

6.5  总  结 230

6.6  相关设计课题 230

课题：序列信号发生器的设计 230

6.7  参考文献 230

第7章  序列检测器的设计 231

7.1  引  言 232

7.2  序列检测器的硬件电路设计 234

7.2.1  设计逻辑电路图 235

7.2.2  原理图仿真测试 238

7.3  序列检测器的VHDL硬件描述语言设计 243

7.4  自动售货机的设计 245

7.4.1  自动售货机的逻辑电路设计 245

7.4.2  自动售货机的硬件语言描述设计 248

7.5  总  结 251

7.6  相关设计课题 251

课题1：1011序列检测器的设计 251

课题2：计数器的设计 251

7.7  参考文献 252

第8章  电子钟电路设计 253

8.1  引  言 254

8.2  原理图逻辑设计 254

8.2.1  设计逻辑电路图 254

8.2.2  原理图仿真测试 261

8.3  硬件描述述语言设计 274

8.3.1  十进制计数器的设计 274

8.3.2  六进制计数器设计 276

8.3.3  二十四进制计数器设计 278

8.3.4  BCD七段译码器设计 280

8.3.5  电子钟顶层设计 281

8.4  总  结 284

8.5  相关设计课题 285

课题1：显示年、月、日的电子日历的设计 285

课题2：跑表的设计 285

课题3：闹钟系统的设计 285

8.6  参考文献 285

附录A  ispDesignEXPERT开发软件 286

附录B  ISE开发软件 316

附录C  ModelSim开发软件 325

附录D  MAX+PLUS II开发软件 331