多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、摘要本實(shí)驗(yàn)是利用QuartusII 7.0軟件設(shè)計(jì)一個(gè)多功能數(shù)字鐘，進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)，校時(shí)，校分，清零，保持和整點(diǎn)報(bào)時(shí)等多種基本功能，并下載到SmartSOPC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)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(jì)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(jì)要求4二 工作原理4三 各模塊說(shuō)明51) 分頻模塊52) 計(jì)時(shí)模塊73) 動(dòng)態(tài)顯示模塊94) 校分與校時(shí)模塊 105) 清零模塊 116) 保持模塊 127) 報(bào)時(shí)模塊 12四 擴(kuò)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(shí)驗(yàn)感想 17八 參考文獻(xiàn) 20一、 設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器，可以完成00:00:00到23:59:59的計(jì)時(shí)功能，并在控制電路的作用下具有保持、清零、快速校時(shí)、快速校分、整點(diǎn)報(bào)時(shí)等基本功能。2. 具體要求如下：1) 能進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功

4、能，最大計(jì)時(shí)顯示23小時(shí)59分59秒。2) 分別由六個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)分秒的計(jì)時(shí)。3) K1是系統(tǒng)的使能開(kāi)關(guān)，K1=0正常工作，K1=1時(shí)鐘保持不變。4) K2是系統(tǒng)的清零開(kāi)關(guān)，K2=0正常工作，K2=1時(shí)鐘的分、秒全清零。5) 在數(shù)字鐘正常工作時(shí)可以對(duì)數(shù)字鐘進(jìn)行快速校時(shí)和校分。K3是系統(tǒng)的校分開(kāi)關(guān)，K3=0正常工作K3=1時(shí)可以快速校分；K4是系統(tǒng)的校時(shí)開(kāi)關(guān)，K4=0正常工作，K4=1時(shí)可以快速校時(shí)。3. 設(shè)計(jì)提高部分要求1) 時(shí)鐘具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)鐘計(jì)到5953”時(shí)開(kāi)始報(bào)時(shí)，在5953”, 5955”,5957” 時(shí)報(bào)時(shí)頻率為512Hz,5959”時(shí)報(bào)時(shí)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(jì)時(shí)到24小時(shí)時(shí)，星期上顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)一位。3) 鬧表設(shè)定：通過(guò)開(kāi)關(guān)切換顯示至鬧鐘界面，利用鬧鐘校時(shí)和校分開(kāi) 關(guān)對(duì)鬧鐘時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，且不影響數(shù)字鐘計(jì)時(shí)。當(dāng)計(jì)時(shí)到鬧鐘設(shè)定 時(shí)間蜂鳴器鳴叫。 4. 仿真與驗(yàn)證用Quartus軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行功能仿真，并下載到實(shí)驗(yàn)板上對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證。二、 工作原理數(shù)字計(jì)時(shí)器是由計(jì)時(shí)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(shí)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(yàn)箱提供的48Mhz的頻率分成電路所需要的頻率；計(jì)時(shí)電路與動(dòng)態(tài)顯示電路相連，將時(shí)間與星期顯示在七段數(shù)碼管上，并且驅(qū)動(dòng)蜂

6、鳴器整點(diǎn)報(bào)時(shí)；校時(shí)校分電路對(duì)時(shí)、分、星期提供快速校時(shí)；清零電路作用時(shí)，系統(tǒng)的分秒時(shí)同時(shí)歸零；保持電路作用時(shí)，系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)并保持時(shí)間不變。其原理框圖如圖所示：三、 各模塊說(shuō)明1、分頻模塊 分頻模塊將實(shí)驗(yàn)箱提供的48MHZ的頻率分頻，得到所需的頻率。實(shí)驗(yàn)中需要1HZ作為時(shí)秒、分、時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)，2HZ作為校分、校時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)，512HZ、1000HZ作為報(bào)時(shí)蜂鳴所需頻率信號(hào)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(jì)時(shí)模塊 計(jì)時(shí)電路包括秒，分，時(shí)，星期四個(gè)模塊，依次進(jìn)位。其中秒和分的模塊類似

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

8、它才能進(jìn)位清零，故清零信號(hào)的輸入還要添加秒和分計(jì)時(shí)模塊的輸出。波形圖如下：3、動(dòng)態(tài)顯示模塊此模塊是用于數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，在本實(shí)驗(yàn)中一共需要7個(gè)數(shù)碼管參與顯示（秒2位，分2位，時(shí)2位，星期1位），所以計(jì)數(shù)器74161設(shè)計(jì)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?yàn)橹挥幸黄珺CD譯碼器7447，所以當(dāng)計(jì)數(shù)器到某一個(gè)數(shù)值時(shí)，四片74151同時(shí)選取對(duì)應(yīng)位的一個(gè)輸入組成計(jì)時(shí)器某一位的BCD編碼接入顯示譯碼器7447，與此同時(shí)根據(jù)計(jì)數(shù)器的數(shù)值，74138譯碼器也從七個(gè)顯示管的使能端選擇對(duì)應(yīng)位有效，從而在實(shí)驗(yàn)箱上顯現(xiàn)一個(gè)有效數(shù)據(jù)。掃描的頻率為幾千赫茲,因?yàn)槿搜垡?/p>

9、覺(jué)停留的原因，會(huì)感覺(jué)七個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。原理圖如下：xianshi4、校分與校時(shí)模塊 （1）校分模塊jiaofen當(dāng)K3為0時(shí)，校分模塊輸出1Hz的脈沖供給分計(jì)時(shí)模塊正常計(jì)數(shù)；當(dāng)K3為1時(shí)，校分模塊輸出2Hz的脈沖供給分計(jì)時(shí)模塊校分。其中為了防止撥開(kāi)關(guān)時(shí)引發(fā)的顫動(dòng)給校分帶來(lái)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(shí)候無(wú)論秒計(jì)時(shí)模塊是否計(jì)到59，都能進(jìn)行校分，故秒計(jì)時(shí)模塊的輸出要與開(kāi)關(guān)K3相或才能供給校分模塊的使能端。 （2）校時(shí)模塊jiaoshi當(dāng)K4為0時(shí)，校時(shí)模塊輸出1Hz的脈沖供給時(shí)計(jì)時(shí)模塊正常計(jì)數(shù)；當(dāng)K4為1時(shí)，校時(shí)模塊輸出2Hz的脈沖供給時(shí)計(jì)時(shí)模塊校分。其中為了防止撥開(kāi)關(guān)時(shí)

10、引發(fā)的顫動(dòng)給校時(shí)帶來(lái)影響，在校時(shí)模塊中加入了消顫的D觸發(fā)器。由于校時(shí)的時(shí)候無(wú)論秒和分計(jì)時(shí)模塊是否都計(jì)到59，都能進(jìn)行校時(shí)，故秒計(jì)時(shí)模塊的輸出要與開(kāi)關(guān)K4相或才能供給校分模塊的使能端。5、清零模塊 通過(guò)增加一個(gè)開(kāi)關(guān)K2來(lái)控制計(jì)時(shí)電路，開(kāi)關(guān)通過(guò)非門直接接在每個(gè)74160的清零端，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，計(jì)時(shí)器正常工作，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，計(jì)時(shí)器清零。 K2=0，RD=1；K2=1，RD=0。Qingling6、保持模塊通過(guò)開(kāi)關(guān)K1控制秒的使能信號(hào)，當(dāng)秒停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器就“保持”了。K1=0，ENT=1；K1=1，ENT=0。7、報(bào)時(shí)模塊當(dāng)電路計(jì)時(shí)到59分53，55，57秒時(shí)，分別發(fā)出一聲較低的蜂鳴聲；當(dāng)計(jì)時(shí)到59

11、分59秒時(shí)，發(fā)出一聲較高的蜂鳴聲。需要在某時(shí)刻報(bào)時(shí)，就將該時(shí)刻輸出為“1”的信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，選通報(bào)時(shí)脈沖信號(hào)進(jìn)行報(bào)時(shí)。 設(shè)計(jì)思路：設(shè)F是報(bào)時(shí)函數(shù)，F(xiàn)1是低音報(bào)時(shí)函數(shù)，F(xiàn)2是高音報(bào)時(shí)函數(shù)。所有函數(shù)為高電平時(shí)報(bào)時(shí)。則有：F=5953F1+5955F1+5957F1+5959F2 =5951（2F1+4F1+6F1+8F2） =5951·(2F1·4F1·8F2)原理圖如下：baoshi四、 擴(kuò)展模塊1、星期模塊星期計(jì)時(shí)關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)一個(gè)模七的計(jì)時(shí)循環(huán)，這里利用同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160來(lái)實(shí)現(xiàn)。星期的跳變需要秒分計(jì)到59并且時(shí)計(jì)到23，即時(shí)的進(jìn)位輸出。原理圖如下：week

12、2、鬧鐘模塊鬧鐘模塊的設(shè)計(jì)主要需要解決三個(gè)問(wèn)題，分別是鬧鐘校分校時(shí)的控制，顯示模塊的復(fù)用和鬧鈴在規(guī)定的時(shí)間響起。 （1）鬧鐘校分校時(shí)的控制 以2HZ頻率來(lái)校分和校時(shí)，原理圖分別如下：cfencshi 用開(kāi)關(guān)K7控制界面，K3和K4控制校分和校時(shí)，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(dāng)K7=0時(shí)，輸出的是計(jì)時(shí)器的值，K7=0時(shí)切換至鬧鐘校分校時(shí)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(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)32選16的選擇器實(shí)現(xiàn)的。由于K7是鬧鐘模式控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)K7為0時(shí)選擇正常計(jì)數(shù)輸出給顯示模塊，當(dāng)K7為1時(shí)，

13、選擇鬧鐘校時(shí)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(shí)響起 計(jì)時(shí)輸出與鬧鐘校分校時(shí)結(jié)果比較：naozhong其中，comp模塊內(nèi)部電路：comp鬧鐘定時(shí)響起的條件是計(jì)數(shù)時(shí)間與設(shè)定時(shí)間一致，這就需要一個(gè)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較器的輸出接蜂鳴器，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)相等時(shí)比較結(jié)果為高電平，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。五、 總電路的形成 （1）計(jì)時(shí)器電路jishi該計(jì)時(shí)器電路中，不僅包含了秒、分、時(shí)電路，同時(shí)將校分、校時(shí)、保持、清零電路一起連入，形成完整的計(jì)時(shí)器基本電路。（2） 總電路六、 調(diào)試、編程下載選擇“Processing-start complication”進(jìn)行全編譯，編譯

14、通過(guò)后要進(jìn)行管腳分配，選擇“AssignmentsàPins”，在打開(kāi)的對(duì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中運(yùn)行，檢驗(yàn)結(jié)果是否正確。七、 實(shí)驗(yàn)感想1問(wèn)題和解決在本次試驗(yàn)中，從對(duì)軟件的不熟悉到熟悉，從對(duì)原理的了解到認(rèn)知深入，以及在硬件平臺(tái)的實(shí)戰(zhàn)演示，整個(gè)過(guò)程都出現(xiàn)了這樣那樣的問(wèn)題，預(yù)料之中和之外的，在此，我將我所遇到的問(wèn)題和解決方案進(jìn)行如下總結(jié)：（1）軟件應(yīng)用首先是編譯，因?yàn)闆](méi)有習(xí)慣QuartusII軟件，所以在一開(kāi)始很容易就會(huì)忘記將所要編譯的文件設(shè)為頭文件，因此做了很多無(wú)用功，且解決不了問(wèn)題。漸漸

15、熟悉軟件后此問(wèn)題就迎刃而解了。其次是在編譯中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，一開(kāi)始不能理解那些專業(yè)英文術(shù)語(yǔ)的解釋，因此也很難知道自己究竟錯(cuò)在哪里，后來(lái)慢慢熟悉了軟件就了解到，本軟件對(duì)命名的要求很高，不區(qū)分大小寫，輸入輸出必須對(duì)稱等?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，遇到的編譯錯(cuò)誤大部分為命名問(wèn)題，因此這個(gè)問(wèn)題在最后也很好的得到了解決，而編譯成功率也越來(lái)越高。然后是仿真，同編譯一樣，一開(kāi)始總是對(duì)一個(gè)文件重復(fù)仿真，且不懂保存，經(jīng)老師指導(dǎo)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(jìn)行操作就是不順利，比如管腳號(hào)分配不對(duì)，機(jī)器沒(méi)有打開(kāi)等問(wèn)題。（2）實(shí)驗(yàn)原理脈沖發(fā)生電路在本電路設(shè)計(jì)中，思路清晰，但是碎玉進(jìn)位的上升邊沿下降邊

16、沿等細(xì)節(jié)問(wèn)題產(chǎn)生了一定的混亂，最后仔細(xì)研究了74161的功能，解決了問(wèn)題。計(jì)時(shí)電路在本電路設(shè)計(jì)中，分秒的60計(jì)數(shù)很簡(jiǎn)單就實(shí)現(xiàn)了，在實(shí)現(xiàn)24小時(shí)計(jì)數(shù)時(shí)產(chǎn)生了一定的問(wèn)題，原思路為設(shè)計(jì)成模30，一旦計(jì)數(shù)器為23:59:59，則全部清零，但是這樣實(shí)現(xiàn)較麻煩。因此改良的設(shè)計(jì)方案，在前面的計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)中，均運(yùn)用的74161的置數(shù)端，小時(shí)計(jì)數(shù)的設(shè)計(jì)將清零端也用于其中，即當(dāng)高位為0和1時(shí)低位置數(shù)模10，當(dāng)高位為2時(shí)低位清零模4，這樣就簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了效果。還有，星期的計(jì)數(shù)應(yīng)從1開(kāi)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(jì)思路很簡(jiǎn)單，但74161清零端為低電平有效，而實(shí)驗(yàn)要求為低電平正常工作，因此很容

17、易就想到了將開(kāi)關(guān)輸入先非，這是所有開(kāi)關(guān)的處理方法。校時(shí)電路這部分設(shè)計(jì)的思路是明確的，但因?yàn)橛玫氖情T電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此一開(kāi)始進(jìn)入了邏輯混亂的狀態(tài)，后來(lái)通過(guò)靜下心來(lái)仔細(xì)思考，解決了問(wèn)題。整點(diǎn)報(bào)電路這部分設(shè)計(jì)思路繁多，簡(jiǎn)單運(yùn)用門電路即可實(shí)現(xiàn)，但一開(kāi)始的設(shè)計(jì)較復(fù)雜，也能實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果，后來(lái)經(jīng)過(guò)同學(xué)提醒，改良了設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在的整點(diǎn)報(bào)時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了。顯示電路這部分的設(shè)計(jì)一開(kāi)始不是很明確，且數(shù)碼管的知識(shí)鬧鐘電路這部分的設(shè)計(jì)思路不成熟，而且一開(kāi)始一直自相矛盾，考慮不好應(yīng)該如何分開(kāi)顯示，如何設(shè)定時(shí)間而使得它保持在設(shè)定時(shí)間，計(jì)數(shù)是不是用原來(lái)的計(jì)數(shù)器等問(wèn)題。由于時(shí)間有限，我最終沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)該功能。防顫這部分一開(kāi)始沒(méi)

18、有想到，下載到硬件后演示過(guò)程太隨機(jī)，不穩(wěn)定，因此思考解決方案，最終設(shè)計(jì)出防顫開(kāi)關(guān)，效果很好。2感想為期一周的EDA設(shè)計(jì)結(jié)束了，就像有同學(xué)說(shuō)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(jì)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(jué)得還不夠盡興。這次實(shí)驗(yàn)不僅僅學(xué)會(huì)了QuartusII軟件的使用和SmartSOPC平臺(tái)的應(yīng)用，更重要的讓我實(shí)實(shí)在在的提高了實(shí)踐動(dòng)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(qiáng)了興趣，也樹(shù)立了一定的自信心。更不同于我們平時(shí)的課程實(shí)驗(yàn)，EDA設(shè)計(jì)是一種自主性的實(shí)踐性學(xué)習(xí)，我認(rèn)為這在我們的大學(xué)教育中是很需要受到重視和增強(qiáng)的。在這樣的學(xué)習(xí)中，我所學(xué)到的東西是由我自己發(fā)現(xiàn)和領(lǐng)悟來(lái)的，思維會(huì)變得更加活躍，同學(xué)間、師生間的交流也會(huì)變的更多且更具專業(yè)性，學(xué)校的整個(gè)學(xué)術(shù)氛圍也會(huì)更加趨于活躍和開(kāi)放。從大的方面來(lái)說(shuō)，這對(duì)于人才的培養(yǎng)，對(duì)于學(xué)生個(gè)人的發(fā)展，對(duì)于大學(xué)的發(fā)展，乃至社會(huì)的發(fā)展都將會(huì)有極為積極的作用；從小的方面來(lái)說(shuō)，我喜歡這種自主性、開(kāi)發(fā)性的實(shí)驗(yàn)，是對(duì)自己能力的肯定也是對(duì)知識(shí)的校驗(yàn)過(guò)程，從中也可以發(fā)現(xiàn)