前言

“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！

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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