Quartus-ll 采用三种方法实现 D 触发器功能仿真及时序波形仿真详细步骤

目录

本文内容：
1、在 Quartus-II 中自己用门电路设计一个D触发器，并进行仿真，时序波形验证；
2、在 Quartus-II 中直接调用一个D触发器电路，进行仿真，时序波形验证，与2做比较；
3、在 Quartus-II用Verilog语言写一个D触发器，进行仿真验证，与3做比较。

一、D触发器简介

  • D触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。
    在这里插入图片描述
  • D触发器（data flip-flop或delay flip-flop）由4个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。

功能表：

DCLKQQN
0时钟上升沿01
1时钟上升沿10
×0last Qlast QN
×1last Qlast QN

时序图：
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二、创建D触发器原理图并仿真

2.1 新建工程

  • 【File】→【New Project Wizard…】。
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  • 点击【Next >】。
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  • 选择工程保存路径及工程名，然后点击【Next >】。
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  • 这里是添加已有的工程设计文件，不需要添加，点击【Next >】。
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  • 根据使用的 FPGA，进行选择芯片系列及类型，然后点击【Next >】。
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  • 保持 Simulation 为 < None >，然后点击【Next >】。
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  • 配置信息，点击【Finish】。
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2.2 创建原理图文件

  • 【File】→【New…】。
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  • 选择【Block Diagram/Schematic File】，点击【OK】。
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  • 点击【插头图标】弹出工具窗口，搜索元件，然后在图纸上摆放：
    • 4 个 nand2 与非门；
    • 1 个 not 非门。
  • 如下图所示（Ctrl + 滚轮，可放大缩小）：
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  • 添加两个输入管脚和两个输出管脚，双击 Pin Name 即可修改管脚名。
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  • 鼠标左键按住连接管脚即可，完整图如下：
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  • 保存电路图。
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2.3 编译原理图文件

  • 启动分析与综合（全编译）。
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  • 查看硬件电路图：点击【Tools】→【Netlist Viewers】→【RTL Viewer】。
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  • 结果如下：
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2.4 创建 VWF 文件

  • 点击【File】→【New】，选择【University Program VWF】。
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  • 选择【Edit】→【Insert】→【Insert Node or Bus…】。
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  • 点击【Node Finder…】，然后点击【List】会罗列出四个管脚，点击【>>】选择全部，然后点击【OK】，自动补全了【Name】，然后点击【OK】。
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  • 编辑输入 CLK，产生时钟信号。
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  • 选中要修改的区域，然后双击，修改为 1 ，再点击【OK】即可。
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  • 保存文件：【File】→【Save】。
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2.5 波形仿真

功能仿真：

  • 点击【功能仿真按钮——Run Functional Simulation】。
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  • 出现以下错误：
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解决方法：

  • 点击【Tools】→【Lauch Simulation Library Compiler】。
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  • 选择工程目录下的 ...simulationqsim 文件夹，然后点击【Start Compilation】。
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  • 无错误，然后点击【Close】关闭窗口。
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  • 点击【功能仿真按钮——Run Functional Simulation】。
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  • 仿真结果如下（延迟了半个时钟周期）：
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时序仿真：

  • 主界面【Processing】→【Start】→【Start Fitter】。
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  • 点击【Start TimeQuest Timing Analyzer】。
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  • 返回 VMF 文件界面：点击【时序仿真按钮——Run Timing Simulation】。在这里插入图片描述
  • 仿真结果（延迟一个时钟周期）：
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三、调用D触发器并仿真

3.1 新建工程

  • 同第二部分一样。

3.2 创建原理图文件

  • 同第二部分一样。
  • 这时，不再画D触发器的内部结构了，而是直接调用D触发器，元件名：dff。
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  • 再添加输入和输出管脚。
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3.3 编译原理图文件

  • 同第二部分方法一样。
  • 先编译，再查看硬件电路图。
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3.4 创建 VWF 文件

  • 方法同第二部分一样，

3.5 波形仿真

  • 方法同第二部分一样，先编译一下，让它报错，再用解决方法。
  • 功能仿真（只有半个时钟周期的延迟）：
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  • 时序仿真（有一个时钟周期的延迟）：
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  • 相较于第二部分，来说，使用现有的D触发器会更加方便，绘图少，但是对于D触发器的内部结构来说不太清楚，最后仿真出来的结果也是一样的。

四、用Verilog语言实现D触发器并仿真

4.1 新建工程

  • 方法同上。

4.2 编写Verilog文件

  • 【File】→【New】→【Verilog HDL File】。
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  • 复制粘贴如下代码：
//dwave是文件名
module dwave(d,clk,q);
    input d;
    input clk;
    output q;

    reg q;

    always @ (posedge clk)//我们用正的时钟沿做它的敏感信号
    begin
        q <= d;//上升沿有效的时候，把d捕获到q
    end
endmodule

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 保存文件并编译。
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4.3 使用Modelsim手动仿真

  • 打开 Modelsim 软件。
  • 具体步骤如下：
  • 在Quartus创建的工程文件夹下新建一个 tb 文件夹；
  • 点击【File】→【Change Directory】选择 tb 文件夹；
  • 创建新项目：【File】→【New】→【Project…】，编写工程名及选择路径；
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  • 添加现有文件：Add Existing File。
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  • 找到刚刚 Quatrus 编译生成的 .v 文件，再点击【OK】。
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  • 再创建一个新的文件。
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  • 然后关闭添加文件窗口界面。
  • 再双击刚刚新建的 wave_b.v 文件，添加如下代码：
//测试代码
`timescale 1ns / 1ns

module dwave_tb;
    reg clk,d;
    wire q;

    dwave u1(.d(d),.clk(clk),.q(q));

    initial
    begin
        clk = 1;
        d <= 0;
        forever
        begin
            #60 d <= 1;//人为生成毛刺 
            #22 d <= 0;
            #2  d <= 1;
            #2  d <= 0;
            #16 d <= 0;//维持16ns的低电平，然后让它做周期性的循环
        end
    end

    always #20 clk <= ~clk;//半周期为20ns,全周期为40ns的一个信号
endmodule

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 7
  • 8
  • 9
  • 10
  • 11
  • 12
  • 13
  • 14
  • 15
  • 16
  • 17
  • 18
  • 19
  • 20
  • 21
  • 22
  • 23
  • 24
  • 25
  • 然后保存。
  • 点击【编译】按钮，编译所有文件。
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4.4 波形仿真

  • 点击【Simulate】→【Start Simulation…】。
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  • 找到 wave_b.v 文件所在的工程（看路径），取消勾选，点击【OK】。
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  • 右键点击工程名，再点击【Add Wave】。
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  • 设置运行时长，再点击旁边的运行按钮，即可出现仿真效果图。
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  • 相较于第三部分的步骤，这个部分用到了 Modelsim 软件，我个人觉得吧，这个软件略微麻烦了一点点，但也还好，最后出来的仿真效果也是和前面两个部分的相差无几。

五、总结

  • 就我个人来说，使用 Quartus 与 Modelsim 软件来仿真电路，确实挺方便的，但是对于一窍不懂 Verilog 语言的人来说，使用原理图仿真会方便得多，如果对 Verilog 语言较懂的人来说，当遇到复杂繁杂的电路图时，会更加的方便。

六、参考资料

[1] Quartus-II13.1三种方式实现D触发器及时序仿真
[2] D触发器_百度baike
[3] quartus值时序仿真出错及解决

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