Разработка устройств обработки сигналов на программируемых логических интегральных схемах

 
 
 
 
 
 
 
 
 

А. А. РОЖЕНЦОВ     А. А. БАЕВ     Д. С. ЧЕРНЫШЕВ 

 
 
 
 

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ  
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ  

НА ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ  

ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ 

 
 
 

Лабораторный практикум 

 
 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

2016 
 

УДК 621.391.6:621.396.96(07) 
ББК  32.95я73 

Р 62 

 
Рецензенты: 
Леухин А. Н., д-р физ.-мат. наук, проректор по научной работе и ин
новационной деятельности Марийского государственного университета 

Громыко Д. С., начальник сектора ПЛИС НТЦ «Коралл» АО «Ма
рийский машиностроительный завод» 

 

Печатается по решению 

редакционно-издательского совета ПГТУ 

 
 

Роженцов, А. А. 

Р 62      Разработка устройств обработки сигналов на программируемых 

логических интегральных схемах: лабораторный практикум / 
А. А. Роженцов, А. А. Баев, Д. С. Чернышев. – Йошкар-Ола: Поволжский 
государственный 
технологический 
университет, 

2016. – 132 с. 
ISBN 978-5-8158-1713-5 

 

Практикум содержит необходимые для выполнения лабораторных ра
бот  теоретические сведения о методах разработки цифровых устройств 
на базе программируемых логических интегральных схем фирмы XILINX 
в среде Xilinx ISE. Первая работа посвящена получению базовых навыков 
разработки устройств ПЛИС; вторая – изучению и разработке типовых 
комбинационных схем на ПЛИС; в третьей работе исследуются последовательностные устройства, в четвертой – изучается работа счетчиков и 
устройств индикации.  

Для студентов специальностей 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и 

комплексы», 11.03.01 «Радиотехника», 12.03.04 «Биотехнические системы 
и технологии», изучающих дисциплины «Цифровые устройства и микропроцессоры», 
«Микропроцессорные 
системы», 
«Проектирование 

устройств обработки сигналов на ПЛИС». 

УДК 621.391.6:621.396.96(07) 
ББК  32.95я73 

 

ISBN 978-5-8158-1713-5 
 А. А. Роженцов, А. А. Баев,  
Д. С. Чернышев, 2016 
 Поволжский государственный 
технологический университет, 2016 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Предисловие ............................................................................................. 4 

Введение ................................................................................................... 5 

Требования по охране труда и технике безопасности  
при выполнении лабораторных работ ................................................... 6 

Общие методические рекомендации к подготовке  
и выполнению лабораторных работ ..................................................... 10 

Лабораторная работа 1. Исследование логических элементов  
на основе программируемых логических интегральных схем 
(ПЛИС) в среде Xilinx ISE .................................................................. 11 

Лабораторная работа 2. Исследование комбинационных схем ..... 42 

Лабораторная работа 3. Последовательностные устройства: 
триггеры и регистры ........................................................................... 73 

Лабораторная работа 4. Последовательностные  
устройства: счетчики ........................................................................ 106 

Список литературы .............................................................................. 131 
 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Настоящий практикум предназначен для студентов специально
стей 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 11.03.01 
«Радиотехника», 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», 
изучающих дисциплины «Цифровые устройства и микропроцессоры», «Микропроцессорные системы», «Проектирование устройств 
обработки сигналов на ПЛИС». 

Издание включает четыре лабораторные работы, охватывающие 

широкий круг вопросов, связанных с разработкой устройств обработки сигналов на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). 

Основная цель лабораторного практикума – привить студентам 

навыки разработки и отладки устройств на ПЛИС, в том числе: 

- научиться разрабатывать схемы на ПЛИС в среде Xilinx ISE, 

выполнять проверку их работоспособности и отладку;  

- научиться пользоваться справочной информацией по элемент
ной базе, в том числе, на иностранном языке; 

- научиться использовать различные способы ввода и вывода 

данных, методы индикации информации в форме, удобной для человека. 

Лабораторный практикум позволяет закрепить и углубить полу
ченные на лекционных занятиях знания и применять их в дальнейшем в курсовом и дипломном проектировании.  

Для помощи в усвоении теоретических сведений и успешного 

выполнения практических заданий к каждой теме предлагается список контрольных вопросов. Также к практикуму прилагается список 
рекомендуемой литературы. 

Для успешного выполнения работ, представленных в данном 

практикуме, студенты должны иметь базовые знания в области дискретной математики, информатики и программирования, электроники, цифровых устройств.  
 

ВВЕДЕНИЕ 

Схемы на базе программируемых логических интегральных схем 

(ПЛИС) применяются в составе устройств, для которых разработка 
интегральных схем специального назначения нецелесообразна. 
К таким устройствам относятся блоки аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования с предварительной обработкой информации, цифровые приемники, устройства обработки видеоданных, в 
том числе, в реальном масштабе времени, интерфейсные схемы, 
схемы управления и т.п. В связи с этим овладение навыками разработки устройств на базе ПЛИС является необходимым условием 
подготовки современного радиоинженера и инженера в области 
биомедицинской техники. 

В настоящее время на рынке ПЛИС присутствует несколько 

крупных производителей. Среди отечественных разработчиков значительное распространение получила продукция фирмы XILINX. 
Это можно объяснить доступностью ее изделий, широкой номенклатурой представленных ПЛИС, их высокими функциональными характеристиками. Немаловажным фактором является доступность 
отладочных плат.  

Данный лабораторный практикум посвящен изучению основ раз
работки цифровых устройств в среде Xilinx ISE. Выполнив все лабораторные работы, обучающийся получит необходимые базовые 
навыки для работы в указанной среде, теоретически и экспериментально исследует работу базовых цифровых схем, изучит методы 
ввода и вывода данных в цифровых устройствах, освоит методы отладки цифровых устройств на базе ПЛИС.  

 
 
 
 

ТРЕБОВАНИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ТЕХНИКЕ 
БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ  
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

1. 
Общие требования безопасности 

1.1. К работе с электроизмерительными приборами, электро
установками, ЭВМ под руководством преподавателя или ответственного за лабораторию, допускаются лица, прошедшие инструктаж по охране труда, медицинский осмотр и не имеющие противопоказаний по состоянию здоровья. 

1.2. При работе в лаборатории студенты должны соблюдать 

правила поведения, расписание учебных занятий, установленные 
режимы труда и отдыха. 

1.3. При работе с электроизмерительными приборами возможно 

воздействие на работающих следующих опасных факторов: 

-  
поражение электрическим током при прикосновении к ого
ленным проводам и при работе с приборами, находящимися под 
напряжением; 

-  
травмирование рук при использовании неисправного ин
струмента.  

ПОМНИТЕ! Электрический ток может вызвать ожоги, обморок, 

судороги, прекращения дыхания, даже смерть. 

1.4. ЗНАЙТЕ! К индивидуальным средствам защиты относятся: 
Для глаз - защитные очки, для лица - маски, для рук - диэлектри
ческие перчатки, для дыхательных путей - респиратор. 

При выполнении лабораторных работ должны использоваться 

указатели напряжений и изолированный инструмент. 

1.5. В лаборатории для выполнения лабораторных работ должна 

быть медицинская аптечка с набором необходимых медикаментов и 
перевязочных средств. 

1.6. Студенты обязаны соблюдать правила пожарной безопасно
сти, знать места расположения первичных средств пожаротушения. 

1.7. При несчастном случае пострадавший или очевидец 

несчастного случая обязан немедленно сообщить преподавателю или 

зав. лабораторией, который известит об этом администрацию ПГТУ. 
При неисправности электроизмерительных приборов, инструмента 
следует прекратить работу и сообщить об этом преподавателю или 
зав. лабораторией. 

1.8. В процессе работы необходимо соблюдать правила ноше
ния спецодежды, пользования индивидуальными и коллективными 
средствами защиты, соблюдать правила личной гигиены, содержать 
в чистоте рабочее место.  

1.9. Студенты, допустившие невыполнение или нарушение ин
струкции по охране труда, привлекаются к дисциплинарной ответственности в соответствии с правилами внутреннего трудового распорядка ПГТУ и подвергаются внеочередной проверке знаний правил охраны труда 

2. 
Требования безопасности перед началом работы 

2.1. Получив разрешение на проведение лабораторных работ, 

ПРОВЕРЬТЕ состояние и исправность электроизмерительных приборов и инструмента, наличие и исправность защитного заземления. 

2.2. Подготовить необходимые для работы материалы, приспо
собления и разложить на свои места, убрать с рабочего стола все 
лишнее. 

2.3. Подготовить к работе средства индивидуальной защиты, 

убедиться в их исправности. 

3. 
Требования безопасности во время работы 

3.1. ПОМНИТЕ! Электрический ток величиной 0.1 А и напря
жением свыше 42 В опасен для жизни человека. 

3.2. Пребывание студентов в лаборатории разрешается только в 

присутствии преподавателя или ответственного за лабораторию. 

3.3. Лабораторные работы студенты проводят только в присут
ствии преподавателя или ответственного за лабораторию. 

3.4. Запрещается применять электроприборы и устройства, не 

соответствующие требованиям безопасности труда. Запрещается 

применять оборудование, приборы и кабели с открытыми токоведущими частями. 

3.5. При сборке электрической схемы использовать провода с 

наконечниками без повреждений изоляции, избегать пересечений 
проводов, источник тока подключать в последнюю очередь. 

3.6. Собранную электрическую схему включать под напряжение 

только после проверки ее преподавателем или ответственным за лабораторию, не производить переключений в цепях до отключения 
источника тока. 

3.7. Наличие напряжения в электрической цепи проверять толь
ко приборами. 

3.8. Не допускать предельных нагрузок измерительных при
боров. 

3.9. Не оставлять без надзора невыключенные электрические 

устройства и приборы. 

4. 
Требования безопасности в аварийных ситуациях 

4.1. При обнаружении неисправности в работе электроизмери
тельных приборов или лабораторной установки, находящихся под 
напряжением (повышенном их нагревании, появлении искрения и 
т.д.), немедленно отключить источник электропитания, вывесить 
табличку о неисправности оборудования и сообщить об этом преподавателю или зав. лабораторией. 

4.2. При коротком замыкании в электроизмерительных прибо
рах и лабораторных установках и их загорании, немедленно отключить их от электросети, сообщить о пожаре в пожарную часть по 
телефону 01 и приступить к тушению очага возгорания углекислотным (порошковым) огнетушителем. 

4.3. При получении травмы сообщить преподавателю или зав. 

лабораторией, оказать пострадавшему первую помощь, при необходимости отправить пострадавшего в ближайшее лечебное учреждение, сообщить об этом администрации ПГТУ. 

 

5. 
Требования безопасности по окончании работы 

5.1. Отключить электроизмерительные приборы и лабораторные 

установки от электросети. 

5.2. Привести в порядок рабочее место. 
5.3. Заявить преподавателю или ответственному за лабораторию 

об окончании работы и получить разрешение на уход из лаборатории. 
 
 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ  
К ПОДГОТОВКЕ И ВЫПОЛНЕНИЮ  
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 

Подготовка к лабораторным работам 

При подготовке  к выполнению лабораторных работ необходимо: 
 
изучить краткие теоретические сведения к лабораторной ра
боте, приведенные в данном лабораторном практикуме; 

 
изучить используемую в лабораторной работе элементную 

базу, опираясь на её техническое описание (datasheet); 

 
получить задание от преподавателя на разработку и модели
рование схемы; 

 
подготовить индивидуальный конспект отчета, содержащий 

название и цель работы, необходимые для защиты теоретические 
сведения, описание принципиальной схемы, при необходимости – 
текст программы; 

 
подготовить ответы на теоретические вопросы, приведенные 

в данном практикуме; 

 
получить у преподавателя допуск к выполнению лаборатор
ной работы. 

Выполнение лабораторных работ 

Для выполнения лабораторной работы необходимо: 
 
изучить краткие теоретические сведения по теме работы; 

 
подготовить конспект с теоретическими сведениями и ре
зультатами выполнения индивидуального задания согласно указанному преподавателем  варианту; 

 
разработать программу, описывающую работу устройства;  

 
собрать модель принципиальной схемы в среде Xilinx ISE; 

 
произвести проверку работоспособности и, при необходимо
сти, отладку схемы; 

 
подготовить итоговый отчет с результатами моделирования 

работы схемы;  

 
сделать выводы по результатам проделанной работы. 

Лабораторная работа № 1 

 

Исследование логических элементов на основе 
программируемых логических интегральных схем 
(ПЛИС) в среде Xilinx ISE 

 
Цель работы – изучить принципы описания цифровых схем, 

анализа их работы и реализации на ПЛИС. Ознакомиться с принципом работы базовых логических элементов. Составить таблицы истинности для логических элементов согласно заданию. Реализовать 
схему на языке описания аппаратуры VHDL. 

Программируемые логические интегральные схемы 

Программируемые логические интегральные схемы являются од
ними из самых перспективных элементов цифровой схемотехники. 
ПЛИС представляет собой микросхему, на кристалле которой расположено большое количество простых логических элементов. Изначально эти элементы не соединены между собой. С помощью 
электронных ключей, расположенных на этом же кристалле, можно 
соединять эти элементы в любом порядке. Электронные ключи 
управляются памятью, в ячейки которой заносится код конфигурации цифровой схемы. Таким образом, записав в память ПЛИС определенные коды, можно получить цифровое устройство практически 
любой степени сложности. В отличие от микропроцессоров, в ПЛИС 
можно организовать алгоритмы цифровой обработки на аппаратном 
(схемном) уровне. Достоинствами технологии проектирования 
устройств на основе ПЛИС являются:  

 
минимальное время разработки схемы;  

 
одна ПЛИС может заменить сложное устройство, состоящее 

из множества обычных микросхем цифровой логики, благодаря чему 
отпадает необходимость в разработке и изготовлении сложных печатных плат;  

 
быстрое преобразование одной конфигурации цифровой 

схемы в другую (замена кода конфигурации схемы в памяти);