數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、- 2 - 電子課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：EDA與數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)學(xué)號：姓名： 專業(yè)：電氣卓越班指導(dǎo)老師：鐘維年課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目EDA與數(shù)字系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容了解各種PLD器件的基本結(jié)構(gòu)，掌握MAX+Plus2的使用方法，用圖形輸入法和Verilog HDL完成規(guī)定的基本練習(xí)題，在此基礎(chǔ)上完成一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)題的設(shè)計(jì)、仿真、下載（FPGA實(shí)現(xiàn)）。應(yīng)收集的資料1. EDA與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)李國麗 朱維勇 欒銘主編2. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石主編設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì) 劃講課： EDA簡介 實(shí)驗(yàn)一：Max+Plus2使用練習(xí)，完成一個(gè)簡單門電路的圖形設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真、管腳分配、下載。實(shí)驗(yàn)二：圖形設(shè)計(jì)輸

2、入3-8譯碼器, 同步二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器、同步六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。設(shè)計(jì)輸入、編譯、仿真、管腳分配、下載。實(shí)驗(yàn)三：完成實(shí)驗(yàn)二的Verilog HDL設(shè)計(jì)輸入。講課：掃描顯示電路原理，數(shù)碼管驅(qū)動方式，對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)箱的掃描模塊介紹。實(shí)驗(yàn)四：例1-4-1設(shè)計(jì)一個(gè)電路，使八個(gè)數(shù)碼管依次顯示0、1、2、A、B、E、F。例1-4-2 設(shè)計(jì)一個(gè)電路，使兩個(gè)數(shù)碼管顯示112的十二進(jìn)制計(jì)數(shù)，兩個(gè)數(shù)碼管顯示059的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)五布置一個(gè)數(shù)字多功能時(shí)鐘設(shè)計(jì)題，講解設(shè)計(jì)要求、原理框圖、設(shè)計(jì)提示。方案設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)調(diào)試、下載驗(yàn)證。 （12學(xué)時(shí)）設(shè)計(jì)考核驗(yàn)收，寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告。(4學(xué)時(shí))，主要參考文 獻(xiàn)1 李國麗，朱維勇. 電子技

3、術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.合肥：中國科技大學(xué)出版社，20002 王金明編，楊吉斌. 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL.北京：電子工業(yè)出版社，20023 潘松，黃繼業(yè). EDA技術(shù)實(shí)用教程.北京：科學(xué)出版社，2002指導(dǎo)教師意 見按照設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃要求完成每一步任務(wù)備注- 12 -1 總體功能設(shè)計(jì)- 1 -2 子模塊設(shè)計(jì)- 1 -2.1 基本顯示模塊- 1 -2.1.1六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器- 1 -2.1.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器- 3 -2.1.3 級聯(lián)顯示- 5 -2.2 時(shí)鐘校準(zhǔn)調(diào)整功能- 6 -2.3 鬧鐘設(shè)定提醒功能- 6 -2.3.1 時(shí)間比較- 6 -2.3.3 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器- 7 -2.3.3 鬧鐘

4、定時(shí)模塊- 9 -2.3.4 蜂鳴器控制模塊- 11 -2.3.5鬧鐘模塊組合- 12 -2.4 按鍵精簡- 12 -2.4.1 模式選擇控制- 13 -2.4.2 模式分配- 13 -2.4.3 按鍵精簡- 14 -2.4.3.1 調(diào)時(shí)按鍵- 14 -2.4.3.2 鬧鐘按鍵- 15 -2.4.4 顯示切換- 15 -2.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)- 17 -3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證- 17 -4 結(jié)束語- 18 - 12 -1 總體功能設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的是具有時(shí)間校準(zhǔn)、鬧鐘提醒功能的數(shù)字時(shí)鐘，能實(shí)現(xiàn)正常時(shí)間的順序顯示、分鐘、小時(shí)的校準(zhǔn)調(diào)整、鬧鐘定時(shí)提醒功能。試驗(yàn)箱上面硬件采用的是FPGA器件Cyclone系列的ER

5、2C8Q208。設(shè)計(jì)的時(shí)候，顯示分成時(shí)、分、秒部分六個(gè)數(shù)碼管顯示，加脈沖提供時(shí)鐘運(yùn)行動力，按鍵1進(jìn)行模式選擇，按鍵2提供手動脈沖進(jìn)行位加，模式一為正常顯示，模式二為時(shí)鐘小時(shí)校準(zhǔn)，模式三為時(shí)鐘分鐘校準(zhǔn)，模式四為鬧鐘小時(shí)調(diào)整，模式五為鬧鐘分鐘調(diào)整。所有模式均在RESET置1的情況下工作，后四個(gè)模式下按按鍵2加位進(jìn)行調(diào)整。正常顯示：由六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成秒鐘、分鐘，秒鐘進(jìn)位讓分鐘加一；二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成時(shí)鐘，分鐘進(jìn)位讓時(shí)鐘加一。時(shí)間校準(zhǔn)：模式二、三時(shí)分鐘、時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)，按鍵2加位調(diào)整。鬧鐘調(diào)整：模式四、五時(shí)顯示鬧鐘定時(shí)，由按鍵2加位調(diào)整，時(shí)鐘正常計(jì)時(shí)。達(dá)到時(shí)鐘所定時(shí)間時(shí)，通過顯示時(shí)鐘與鬧鐘時(shí)鐘的比較

6、產(chǎn)生高電平，與脈沖相與后由十進(jìn)制調(diào)整在20分鐘內(nèi)響十聲進(jìn)行提醒。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)功能，可畫出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖： 正常走時(shí)脈沖調(diào)時(shí)中斷手動脈沖鬧鐘定時(shí)時(shí)間比較蜂鳴器輸出圖12 子模塊設(shè)計(jì)2.1 基本顯示模塊由上述設(shè)計(jì)，基本顯示實(shí)現(xiàn)秒和分的六十進(jìn)制進(jìn)位以及時(shí)的二十四進(jìn)制進(jìn)位。這兩個(gè)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)如下：2.1.1六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖2六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器采用74160與74161級聯(lián)，從0000 0000開始計(jì)數(shù)，在輸入端RESET為1時(shí)由外接脈沖計(jì)數(shù)，8位輸出，計(jì)數(shù)達(dá)到0101 1001（59）時(shí)反饋清零，同時(shí)進(jìn)位端CO輸入高電平。時(shí)序圖如下圖32.1.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器24進(jìn)制功能實(shí)現(xiàn)于六十進(jìn)制計(jì)數(shù)相似，電

7、路圖、封裝圖、時(shí)序仿真如下：圖5 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理圖圖7 24進(jìn)制時(shí)序仿真圖2.1.3 級聯(lián)顯示正常顯示模塊由兩個(gè)60進(jìn)制和一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器級聯(lián)組成，其中兩個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器控制秒和分的顯示，24進(jìn)制計(jì)數(shù)器控制小時(shí)的顯示。上一級計(jì)數(shù)器的co進(jìn)位端為下一級的計(jì)數(shù)器提供計(jì)數(shù)脈沖。Reset鍵控制所有模塊清零。原理圖實(shí)現(xiàn)如下圖8 級聯(lián)顯示模塊此模塊為數(shù)字時(shí)鐘基本顯示模塊，之后的調(diào)時(shí)模塊和鬧鐘模塊將以此為基礎(chǔ)進(jìn)行添加。2.2 時(shí)鐘校準(zhǔn)調(diào)整功能時(shí)鐘調(diào)整模塊要實(shí)現(xiàn)調(diào)整時(shí)鐘時(shí)，正常走時(shí)的分和時(shí)暫停，由手動脈沖進(jìn)行輸入自加。原理圖如下：圖9 調(diào)時(shí)功能添加如圖，設(shè)計(jì)了按鍵change進(jìn)行正常顯示和調(diào)時(shí)的切換。

8、上一級的進(jìn)位端與change進(jìn)行“與”運(yùn)算，當(dāng)change為1的時(shí)候上一級的進(jìn)位輸入，進(jìn)行正常的時(shí)鐘顯示，同時(shí)“非”門阻礙了手動輸入端的輸入，防止正常顯示時(shí)手動輸入對顯示的影響。change為0時(shí)clk脈沖端被堵住，時(shí)和分的顯示暫停，change通過“非”門打開手動輸入端，通過按鍵min和hor分別進(jìn)行時(shí)和分的手動輸入。2.3 鬧鐘設(shè)定提醒功能2.3.1 時(shí)間比較鬧鐘定時(shí)后要與正常時(shí)鐘各位輸出進(jìn)行比較，當(dāng)全部輸出位相同時(shí)觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行提醒，因此需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘和分鐘共16位的時(shí)鐘比較電路。電路原理圖如下：圖10 時(shí)鐘比較器時(shí)鐘比較原理即鬧鐘輸入和時(shí)鐘輸出向?qū)?yīng)每兩個(gè)位通過與非門連接，當(dāng)對應(yīng)的兩位輸

9、入同為0或1的時(shí)候輸出為1，所有輸出通過8位與門連接，即當(dāng)所有位都對應(yīng)相同是滿足條件，總輸出賦1。2.3.3 鬧鐘定時(shí)模塊鬧鐘定時(shí)要實(shí)現(xiàn)鬧鐘時(shí)間的手動輸入，并與正常走時(shí)的分鐘和時(shí)鐘進(jìn)行比較，當(dāng)兩者完全相同時(shí)向蜂鳴器發(fā)出信號。原理圖如下：圖14 鬧鐘定時(shí)模塊如原理圖所示，上方為一個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別通過按鍵ringmin和ringhor進(jìn)行手動定時(shí)，輸出通過16個(gè)引腳顯示，令有16個(gè)引腳引入正常時(shí)鐘的時(shí)間，通過下面的兩個(gè)時(shí)鐘比較器與鬧鐘定時(shí)進(jìn)行比較，比較器通過與門輸出，當(dāng)所有對應(yīng)位都相同時(shí)滿足條件，總輸出為1，其他情況均輸出0。2.3.4 蜂鳴器控制模塊蜂鳴器控制模塊是定時(shí)

10、計(jì)數(shù)模塊的下一級模塊，有鬧鐘定時(shí)輸出端提供輸入，控制十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的通斷，通過計(jì)數(shù)器產(chǎn)生10次脈沖讓蜂鳴器發(fā)出十次斷續(xù)提醒。原理圖如下：圖16 蜂鳴器控制模塊如圖，時(shí)間比較結(jié)果通過input輸入，由clk提供脈沖。當(dāng)時(shí)間比較結(jié)果相同時(shí)input輸入為1，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，共輸出10個(gè)二進(jìn)制數(shù)后停止，計(jì)數(shù)器輸出端所有引腳通過或門連接，即只要計(jì)數(shù)器有數(shù)字有輸出，或門最終輸出即為1，此輸出結(jié)果與脈沖相“與”，將輸出的連續(xù)信號變成脈沖信號，輸出控制蜂鳴器發(fā)聲。圖18 蜂鳴器控制模塊時(shí)序圖由時(shí)序圖可以驗(yàn)證控制模塊功能實(shí)現(xiàn)正常。2.3.5鬧鐘模塊組合將顯示時(shí)鐘的輸出和手動輸入按鍵接入時(shí)鐘比較器的輸入端，

11、時(shí)鐘比較器的輸出用引腳輸出，判斷結(jié)果接入蜂鳴器控制模塊就實(shí)現(xiàn)了最終鬧鐘模塊的組合。原理圖如下：圖19 鬧鐘模塊2.4 按鍵精簡按鍵精簡要實(shí)現(xiàn)的功能是除reset復(fù)位鍵以外，用A、B兩個(gè)按鍵所有模塊的操作。其中A按鍵進(jìn)行模式選擇，時(shí)鐘系統(tǒng)共分為正常顯示、時(shí)間調(diào)時(shí)、時(shí)間調(diào)分、鬧鐘調(diào)時(shí)、鬧鐘調(diào)分五個(gè)模式，A按鍵每按一下，時(shí)鐘模式順序切換一次，實(shí)現(xiàn)五個(gè)模式的順序循環(huán)切換。按鍵B實(shí)現(xiàn)的是在后四個(gè)模式下，對顯示進(jìn)行手動脈沖輸入，按鍵B每按一次，對應(yīng)顯示加一。2.4.1 模式選擇控制為了對時(shí)鐘的五個(gè)模式進(jìn)行選擇控制，需要有控制模塊提供五種不同的信號。為此通過五進(jìn)制計(jì)數(shù)器和3線8線譯碼器的級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。原理圖如下

12、：圖20 模式選擇控制74160為4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過門的邏輯連接，用反饋清零的方法實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器功能，將其輸出接入38譯碼器，取譯碼器y0、y1、y2、y3低4位輸出，輸出為1110、1101、1011、0111、1111循環(huán)。后面即用這五個(gè)二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)五種模式進(jìn)行選擇控制。2.4.2 模式分配先對五種模式對應(yīng)功能和選擇信號進(jìn)行分配：模式功能控制信號1正常時(shí)鐘顯示11102時(shí)間校準(zhǔn)調(diào)時(shí)11013時(shí)間校準(zhǔn)調(diào)分10114鬧鐘調(diào)時(shí)01115鬧鐘調(diào)分1111表1 模式分配利用非門和與門對五種模式進(jìn)行選通，原理圖如下：圖21 模式選通以模式1為例，將y3、y2、y1用與門連接，y0由非門接入與門端

13、，當(dāng)模式選擇產(chǎn)生信號1110時(shí)，輸出端1輸出高電平，選通模式1。剩下4個(gè)模式用同樣的方法進(jìn)行選通。2.4.3 按鍵精簡2.4.3.1 調(diào)時(shí)按鍵精簡前，正常顯示和調(diào)時(shí)模式的切換按鍵為change（如圖22）。change為1時(shí)正常顯示，change為0時(shí)進(jìn)行調(diào)時(shí)，這時(shí)即相當(dāng)于精簡后的模式2和3的合并，可用同或門連接模式2、3輸出（如圖23）。按鍵B定義為input，分別與模式2、3輸入相與接入電路，分別實(shí)現(xiàn)調(diào)時(shí)、調(diào)分的手動加一（如圖23）。圖22 調(diào)時(shí)模塊精簡前圖23 調(diào)時(shí)模塊精簡后2.4.3.2 鬧鐘按鍵鬧鐘模式與正常模式的切換是通過turn按鍵實(shí)現(xiàn)的，turn為1時(shí)時(shí)鐘正常顯示，為0時(shí)顯示鬧

14、鐘調(diào)時(shí)。精簡前的鬧鐘模式即包括精簡后的模式4（鬧鐘調(diào)時(shí)）和模式5（鬧鐘調(diào)分），因此只要將模式4、5進(jìn)行“或非”連接后輸出即為turn等于0時(shí)模式（輸出端為ring），再通過“非”門輸出即為turn等于1的模式（輸出端為dp）。圖24 鬧鐘模塊精簡后2.4.4 顯示切換五個(gè)模式中，正常顯示模式和校準(zhǔn)調(diào)時(shí)、分模式的顯示是通過同樣的端口輸出，而鬧鐘顯示通過其他端口輸出，為了用六個(gè)數(shù)碼管顯示全部模式的功能，要對引腳進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)顯示切換。圖25 鬧鐘顯示輸出端圖26 顯示切換如圖所示，正常顯示的數(shù)據(jù)輸出端與正常顯示的選擇輸出端（dp）相“與”，鬧鐘顯示的數(shù)據(jù)輸出端與鬧鐘顯示的選擇輸出端（ring）

15、相“與”后即對兩種顯示狀態(tài)進(jìn)行了選擇，兩者再通過“或”門連接輸出，就實(shí)現(xiàn)了顯示切換功能。2.5 整點(diǎn)報(bào)時(shí)這個(gè)附加功能實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)分鐘、秒鐘同時(shí)清零（整點(diǎn)）時(shí)蜂鳴器提醒一聲。原理圖如下，只要將秒鐘進(jìn)位和分鐘進(jìn)位相“與”后，與鬧鐘的蜂鳴器輸出端用“或”門連接，接到蜂鳴器即可。這樣鬧鐘信號和報(bào)時(shí)信號都會讓蜂鳴器發(fā)聲。圖27 整點(diǎn)報(bào)時(shí)3 系統(tǒng)功能驗(yàn)證將以上模塊對應(yīng)端口相連接就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘的系統(tǒng)功能，總體機(jī)構(gòu)圖如下圖28 總結(jié)構(gòu)圖此原理圖最終實(shí)現(xiàn)4個(gè)輸入端：clk脈沖接口、reset復(fù)位開關(guān)、selece選擇按鍵（即功能要求中按鍵A）、input手動脈沖按鍵（即功能要求中按鍵B）；25個(gè)輸出端，即

16、時(shí)、分、秒各8位輸出提供給數(shù)碼管顯示，以及一個(gè)蜂鳴器連接端口。連接線路，將reset復(fù)位鍵連接高電平后驗(yàn)證功能如下：正常顯示：秒鐘每一個(gè)脈沖加1,滿60秒置零并向分鐘加1，分鐘滿60秒向時(shí)鐘加1。時(shí)鐘滿24計(jì)數(shù)清零，且每到整點(diǎn)時(shí)鐘報(bào)時(shí)一次。校準(zhǔn)調(diào)時(shí)：按鍵select按下兩次，時(shí)鐘、分鐘暫停，按input時(shí)鐘加1；select按下三次，時(shí)鐘分鐘暫停，按input分鐘加1。鬧鐘調(diào)時(shí)：按鍵select按下四次，數(shù)碼管顯示鬧鐘定時(shí)數(shù)字，按input鬧鐘時(shí)鐘設(shè)定加1；按鍵select按下五次，數(shù)碼管顯示鬧鐘定時(shí)數(shù)字，按input鬧鐘分鐘設(shè)定加1。鬧鐘提醒：時(shí)鐘顯示達(dá)到鬧鐘設(shè)定時(shí)間時(shí)，從第0秒開始報(bào)時(shí)，每

17、1秒響一聲，共響10聲。4 結(jié)束語這次EDA課程設(shè)計(jì)歷時(shí)三天半，在整整三天半的日子里，可以說是苦多于甜，但是可以學(xué)的到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深了對EDA的了解，讓我對它有了更加濃厚的興趣。特別是當(dāng)每一個(gè)子模塊調(diào)試成功時(shí)，心里特別的開心。當(dāng)然也遇到了不少問題，特別是各元件之間的連接，以及信號的定義，總是有錯誤，在細(xì)心的檢查下，終于找出了錯誤和警告，排除困難后，問題解決了，心里終于舒了一口氣。 通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立