多功能數(shù)字鐘設(shè)計

1、摘要本實驗是利用QuartusII 7.0軟件設(shè)計一個多功能數(shù)字鐘，進行試驗設(shè)計和仿真調(diào)試，實現(xiàn)了計時，校時，校分，清零，保持和整點報時等多種基本功能，并下載到SmartSOPC實驗系統(tǒng)中進行調(diào)試和驗證。此外還添加了顯示星期，鬧鐘設(shè)定等附加功能，使得設(shè)計的數(shù)字鐘的功能更加完善。關(guān)鍵字：QuartusII、數(shù)字鐘、多功能、仿真AbstractThis experiment is to design a digital clock which is based on Quartus software and in which many basic functions like time-count

2、ing,hour-correcting,minute-correcting,reset,time-holding and belling on the hour. And then validated the design on the experimental board. In addition, additional functions like displaying and resetting the week and setting alarm make this digital clock a perfect one.Key words: Quartus digital-clock

3、 multi-function simulate目錄一 設(shè)計要求4二 工作原理4三 各模塊說明51) 分頻模塊52) 計時模塊73) 動態(tài)顯示模塊94) 校分與校時模塊 105) 清零模塊 116) 保持模塊 127) 報時模塊 12四 擴展模塊 121) 星期模塊 122) 鬧鐘模塊 13五 總電路的形成 16六 調(diào)試、編程下載 17 七 實驗感想 17八 參考文獻 20一、 設(shè)計要求1. 設(shè)計一個數(shù)字計時器，可以完成00:00:00到23:59:59的計時功能，并在控制電路的作用下具有保持、清零、快速校時、快速校分、整點報時等基本功能。2. 具體要求如下：1) 能進行正常的時、分、秒計時功

4、能，最大計時顯示23小時59分59秒。2) 分別由六個數(shù)碼管顯示時分秒的計時。3) K1是系統(tǒng)的使能開關(guān)，K1=0正常工作，K1=1時鐘保持不變。4) K2是系統(tǒng)的清零開關(guān)，K2=0正常工作，K2=1時鐘的分、秒全清零。5) 在數(shù)字鐘正常工作時可以對數(shù)字鐘進行快速校時和校分。K3是系統(tǒng)的校分開關(guān)，K3=0正常工作K3=1時可以快速校分；K4是系統(tǒng)的校時開關(guān)，K4=0正常工作，K4=1時可以快速校時。3. 設(shè)計提高部分要求1) 時鐘具有整點報時功能，當時鐘計到5953”時開始報時，在5953”, 5955”,5957” 時報時頻率為512Hz,5959”時報時頻率為1KHz。2) 星期顯示：星期

5、顯示功能是在數(shù)字鐘界面顯示星期，到計時到24小時時，星期上顯示的數(shù)據(jù)進一位。3) 鬧表設(shè)定：通過開關(guān)切換顯示至鬧鐘界面，利用鬧鐘校時和校分開 關(guān)對鬧鐘時間進行設(shè)定，且不影響數(shù)字鐘計時。當計時到鬧鐘設(shè)定 時間蜂鳴器鳴叫。 4. 仿真與驗證用Quartus軟件對設(shè)計電路進行功能仿真，并下載到實驗板上對其功能進行驗證。二、 工作原理數(shù)字計時器是由計時電路、譯碼顯示電路、脈沖發(fā)生電路和控制電路等幾部分組成的，控制電路按要求可由校分校時電路、清零電路和保持電路組成。其中，脈沖發(fā)生電路將試驗箱提供的48Mhz的頻率分成電路所需要的頻率；計時電路與動態(tài)顯示電路相連，將時間與星期顯示在七段數(shù)碼管上，并且驅(qū)動蜂

6、鳴器整點報時；校時校分電路對時、分、星期提供快速校時；清零電路作用時，系統(tǒng)的分秒時同時歸零；保持電路作用時，系統(tǒng)停止計時并保持時間不變。其原理框圖如圖所示：三、 各模塊說明1、分頻模塊 分頻模塊將實驗箱提供的48MHZ的頻率分頻，得到所需的頻率。實驗中需要1HZ作為時秒、分、時的時鐘信號，2HZ作為校分、校時的時鐘信號，512HZ、1000HZ作為報時蜂鳴所需頻率信號等。 （1）二分頻2fp 波形圖如下： （2）三分頻3fp 波形圖如下： （3）十分頻10fp 波形圖如下： (4)分頻器總體電路fengping 2、計時模塊 計時電路包括秒，分，時，星期四個模塊，依次進位。其中秒和分的模塊類似

7、，都是一個模六十計數(shù)器，時模塊是一個模24計數(shù)器，而星期則是一個特殊的模7計數(shù)器。設(shè)計時采用的是同步計數(shù)器，它們所接的時鐘信號均為1Hz。 （1）秒計時模塊miao當秒計時至59秒時由四與非門輸出一個低電平將秒個位及秒十位置零，同時變換此低電平為高作為進位信號傳遞給分個位。波形圖如下： （2）分計時模塊fen觀察可發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)與秒計時模塊一致，唯一不同的是由于分清零的條件不僅是分計到59，而且秒也要計到59，故清零信號的輸入還要添加秒計時模塊的輸出。波形圖與秒計時模塊的相類似。 （3）時計時模塊shi時計時模塊與秒，分模塊類似，只是進位信號要設(shè)計在23時置零進位，并且要等到秒與分信號都計到59時

8、它才能進位清零，故清零信號的輸入還要添加秒和分計時模塊的輸出。波形圖如下：3、動態(tài)顯示模塊此模塊是用于數(shù)碼管的動態(tài)顯示，在本實驗中一共需要7個數(shù)碼管參與顯示（秒2位，分2位，時2位，星期1位），所以計數(shù)器74161設(shè)計為模7的循環(huán)，其輸出既作為4片74151的控制端，又作為38譯碼器74138的控制端。因為只有一片BCD譯碼器7447，所以當計數(shù)器到某一個數(shù)值時，四片74151同時選取對應(yīng)位的一個輸入組成計時器某一位的BCD編碼接入顯示譯碼器7447，與此同時根據(jù)計數(shù)器的數(shù)值，74138譯碼器也從七個顯示管的使能端選擇對應(yīng)位有效，從而在實驗箱上顯現(xiàn)一個有效數(shù)據(jù)。掃描的頻率為幾千赫茲,因為人眼視

9、覺停留的原因，會感覺七個數(shù)碼管同時顯示。原理圖如下：xianshi4、校分與校時模塊 （1）校分模塊jiaofen當K3為0時，校分模塊輸出1Hz的脈沖供給分計時模塊正常計數(shù)；當K3為1時，校分模塊輸出2Hz的脈沖供給分計時模塊校分。其中為了防止撥開關(guān)時引發(fā)的顫動給校分帶來影響，在校分模塊中加入了消顫的D觸發(fā)器。由于校分的時候無論秒計時模塊是否計到59，都能進行校分，故秒計時模塊的輸出要與開關(guān)K3相或才能供給校分模塊的使能端。 （2）校時模塊jiaoshi當K4為0時，校時模塊輸出1Hz的脈沖供給時計時模塊正常計數(shù)；當K4為1時，校時模塊輸出2Hz的脈沖供給時計時模塊校分。其中為了防止撥開關(guān)時

10、引發(fā)的顫動給校時帶來影響，在校時模塊中加入了消顫的D觸發(fā)器。由于校時的時候無論秒和分計時模塊是否都計到59，都能進行校時，故秒計時模塊的輸出要與開關(guān)K4相或才能供給校分模塊的使能端。5、清零模塊 通過增加一個開關(guān)K2來控制計時電路，開關(guān)通過非門直接接在每個74160的清零端，當開關(guān)斷開時，計時器正常工作，當開關(guān)閉合時，計時器清零。 K2=0，RD=1；K2=1，RD=0。Qingling6、保持模塊通過開關(guān)K1控制秒的使能信號，當秒停止計時，計時器就“保持”了。K1=0，ENT=1；K1=1，ENT=0。7、報時模塊當電路計時到59分53，55，57秒時，分別發(fā)出一聲較低的蜂鳴聲；當計時到59

11、分59秒時，發(fā)出一聲較高的蜂鳴聲。需要在某時刻報時，就將該時刻輸出為“1”的信號作為觸發(fā)信號，選通報時脈沖信號進行報時。 設(shè)計思路：設(shè)F是報時函數(shù)，F(xiàn)1是低音報時函數(shù)，F(xiàn)2是高音報時函數(shù)。所有函數(shù)為高電平時報時。則有：F=5953F1+5955F1+5957F1+5959F2 =5951（2F1+4F1+6F1+8F2） =5951·(2F1·4F1·8F2)原理圖如下：baoshi四、 擴展模塊1、星期模塊星期計時關(guān)鍵是實現(xiàn)一個模七的計時循環(huán)，這里利用同步十進制計數(shù)器74160來實現(xiàn)。星期的跳變需要秒分計到59并且時計到23，即時的進位輸出。原理圖如下：week

12、2、鬧鐘模塊鬧鐘模塊的設(shè)計主要需要解決三個問題，分別是鬧鐘校分校時的控制，顯示模塊的復(fù)用和鬧鈴在規(guī)定的時間響起。 （1）鬧鐘校分校時的控制 以2HZ頻率來校分和校時，原理圖分別如下：cfencshi 用開關(guān)K7控制界面，K3和K4控制校分和校時，原理圖如下：cfenshi （2）顯示模塊復(fù)用 用K7控制選擇器的輸出，當K7=0時，輸出的是計時器的值，K7=0時切換至鬧鐘校分校時界面，原理圖如下：naobiao 其中，32選16的內(nèi)部電路如下圖：32xuan16顯示模塊的復(fù)用是通過設(shè)計一個32選16的選擇器實現(xiàn)的。由于K7是鬧鐘模式控制開關(guān)，當K7為0時選擇正常計數(shù)輸出給顯示模塊，當K7為1時，

13、選擇鬧鐘校時的輸出給顯示模塊顯示。這樣做的好處是不需要新增顯示模塊，節(jié)約工作量。 （3）鬧鐘定時響起 計時輸出與鬧鐘校分校時結(jié)果比較：naozhong其中，comp模塊內(nèi)部電路：comp鬧鐘定時響起的條件是計數(shù)時間與設(shè)定時間一致，這就需要一個比較器來實現(xiàn)，比較器的輸出接蜂鳴器，當輸入數(shù)據(jù)相等時比較結(jié)果為高電平，從而驅(qū)動蜂鳴器。五、 總電路的形成 （1）計時器電路jishi該計時器電路中，不僅包含了秒、分、時電路，同時將校分、校時、保持、清零電路一起連入，形成完整的計時器基本電路。（2） 總電路六、 調(diào)試、編程下載選擇“Processing-start complication”進行全編譯，編譯

14、通過后要進行管腳分配，選擇“AssignmentsàPins”，在打開的對話框中的“Location”欄中選擇相應(yīng)的管腳填入，并將未用到的管腳置為三態(tài)，最后將程序下載到SmartSOPC實驗系統(tǒng)中運行，檢驗結(jié)果是否正確。七、 實驗感想1問題和解決在本次試驗中，從對軟件的不熟悉到熟悉，從對原理的了解到認知深入，以及在硬件平臺的實戰(zhàn)演示，整個過程都出現(xiàn)了這樣那樣的問題，預(yù)料之中和之外的，在此，我將我所遇到的問題和解決方案進行如下總結(jié)：（1）軟件應(yīng)用首先是編譯，因為沒有習慣QuartusII軟件，所以在一開始很容易就會忘記將所要編譯的文件設(shè)為頭文件，因此做了很多無用功，且解決不了問題。漸漸

15、熟悉軟件后此問題就迎刃而解了。其次是在編譯中出現(xiàn)的錯誤，一開始不能理解那些專業(yè)英文術(shù)語的解釋，因此也很難知道自己究竟錯在哪里，后來慢慢熟悉了軟件就了解到，本軟件對命名的要求很高，不區(qū)分大小寫，輸入輸出必須對稱等。總結(jié)來說，遇到的編譯錯誤大部分為命名問題，因此這個問題在最后也很好的得到了解決，而編譯成功率也越來越高。然后是仿真，同編譯一樣，一開始總是對一個文件重復(fù)仿真，且不懂保存，經(jīng)老師指導后很快得到了解決。最后是下載，雖然資料上講了如何下載，可是一旦自己要進行操作就是不順利，比如管腳號分配不對，機器沒有打開等問題。（2）實驗原理脈沖發(fā)生電路在本電路設(shè)計中，思路清晰，但是碎玉進位的上升邊沿下降邊

16、沿等細節(jié)問題產(chǎn)生了一定的混亂，最后仔細研究了74161的功能，解決了問題。計時電路在本電路設(shè)計中，分秒的60計數(shù)很簡單就實現(xiàn)了，在實現(xiàn)24小時計數(shù)時產(chǎn)生了一定的問題，原思路為設(shè)計成模30，一旦計數(shù)器為23:59:59，則全部清零，但是這樣實現(xiàn)較麻煩。因此改良的設(shè)計方案，在前面的計數(shù)設(shè)計中，均運用的74161的置數(shù)端，小時計數(shù)的設(shè)計將清零端也用于其中，即當高位為0和1時低位置數(shù)模10，當高位為2時低位清零模4，這樣就簡單實現(xiàn)了效果。還有，星期的計數(shù)應(yīng)從1開始，因此74161的置數(shù)端應(yīng)設(shè)為0001.清零電路這部分的設(shè)計思路很簡單，但74161清零端為低電平有效，而實驗要求為低電平正常工作，因此很容

17、易就想到了將開關(guān)輸入先非，這是所有開關(guān)的處理方法。校時電路這部分設(shè)計的思路是明確的，但因為用的是門電路來實現(xiàn)，因此一開始進入了邏輯混亂的狀態(tài)，后來通過靜下心來仔細思考，解決了問題。整點報電路這部分設(shè)計思路繁多，簡單運用門電路即可實現(xiàn)，但一開始的設(shè)計較復(fù)雜，也能實現(xiàn)最終結(jié)果，后來經(jīng)過同學提醒，改良了設(shè)計方案，現(xiàn)在的整點報時內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單明了。顯示電路這部分的設(shè)計一開始不是很明確，且數(shù)碼管的知識鬧鐘電路這部分的設(shè)計思路不成熟，而且一開始一直自相矛盾，考慮不好應(yīng)該如何分開顯示，如何設(shè)定時間而使得它保持在設(shè)定時間，計數(shù)是不是用原來的計數(shù)器等問題。由于時間有限，我最終沒有成功實現(xiàn)該功能。防顫這部分一開始沒

18、有想到，下載到硬件后演示過程太隨機，不穩(wěn)定，因此思考解決方案，最終設(shè)計出防顫開關(guān)，效果很好。2感想為期一周的EDA設(shè)計結(jié)束了，就像有同學說的，突然就空虛了，原本每天都早出晚歸，想著怎么讓自己的設(shè)計盡善盡美，每天都是緊張有序的生活，突然一下就結(jié)束了，覺得還不夠盡興。這次實驗不僅僅學會了QuartusII軟件的使用和SmartSOPC平臺的應(yīng)用，更重要的讓我實實在在的提高了實踐動手能力而且可以有很多自己的想法和構(gòu)思，這給了我很大的發(fā)揮空間，增強了興趣，也樹立了一定的自信心。更不同于我們平時的課程實驗，EDA設(shè)計是一種自主性的實踐性學習，我認為這在我們的大學教育中是很需要受到重視和增強的。在這樣的學習中，我所學到的東西是由我自己發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)悟來的，思維會變得更加活躍，同學間、師生間的交流也會變的更多且更具專業(yè)性，學校的整個學術(shù)氛圍也會更加趨于活躍和開放。從大的方面來說，這對于人才的培養(yǎng)，對于學生個人的發(fā)展，對于大學的發(fā)展，乃至社會的發(fā)展都將會有極為積極的作用；從小的方面來說，我喜歡這種自主性、開發(fā)性的實驗，是對自己能力的肯定也是對知識的校驗過程，從中也可以發(fā)現(xiàn)