基于Quartus的多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、 EDA設(shè)計(jì)（二）摘要該實(shí)驗(yàn)是利用QuartusII軟件設(shè)計(jì)一個(gè)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。此外還添加了整點(diǎn)報(bào)時(shí)音樂功能使數(shù)字鐘功能更加完善關(guān)鍵字：Quartus 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-counting,hour-corr

2、ecting,minute-correcting,reset,time-holding and belling on the hour. And then validated the design on the experimental board.In addition,the music behing the belling on the hour make it more perfectKey words: Quartus digital-clock multi-function simulate目錄一 設(shè)計(jì)要求3二 工作原理4三 各模塊說明41) 分頻模塊52) 計(jì)時(shí)模塊83) 動態(tài)顯

3、示模塊104) 校分與校時(shí)模塊115) 清零模塊126) 保持模塊127) 報(bào)時(shí)模塊12四 擴(kuò)展模塊13整點(diǎn)報(bào)時(shí)音樂18五 調(diào)試、編程下載19 六 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題及解決辦法19七 實(shí)驗(yàn)收獲與感受20八 附錄：數(shù)字鐘總原理圖九 參考文獻(xiàn)21一、 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)的使能開關(guān)，K1=0正常工作，K1=1時(shí)鐘保

4、持不變。4) K2是系統(tǒng)的清零開關(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)可以對數(shù)字鐘進(jìn)行快速校時(shí)和校分。K3是系統(tǒng)的校分開關(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5951”時(shí)開始報(bào)時(shí)，在5951”,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：通過開關(guān)切換顯示至鬧鐘界面，利用鬧

5、鐘校時(shí)和校分開關(guān)對鬧鐘時(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，并響起彩鈴。 4) 秒表計(jì)時(shí)：通過開關(guān)切換顯示至秒表界面，分秒部分是100進(jìn)制的，即當(dāng)值為99時(shí)向秒位進(jìn)位。4. 仿真與驗(yàn)證用Quartus軟件對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行功能仿真，并下載到實(shí)驗(yàn)板上對其功能進(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)動蜂鳴器整點(diǎn)報(bào)時(shí)；校時(shí)校分電

6、路對時(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：計(jì)時(shí)電路校分校時(shí)電路脈沖發(fā)生電路譯碼顯示電路報(bào)時(shí)電路清零電路三、 各模塊說明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，2HZ作為校分、校時(shí)的時(shí)鐘信號，200HZ、1000HZ作為報(bào)時(shí)蜂鳴所需頻率信號等。我們實(shí)現(xiàn)的方法是一個(gè)2分頻，一個(gè)24分頻，6個(gè)10分頻級聯(lián)。a）24分頻 封裝成模塊è波形圖：b)1M分頻封裝成模塊è 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

7、，依次進(jìn)位。其中秒和分的模塊類似，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。設(shè)計(jì)時(shí)采用的是同步計(jì)數(shù)器，它們所接的時(shí)鐘信號均為1hz。a）秒計(jì)時(shí)模塊模60計(jì)數(shù)器封裝成模塊è 波形圖：b）時(shí)計(jì)時(shí)模塊模24計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)模塊總圖：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(shí)驗(yàn)中一共需要6個(gè)數(shù)碼管參與顯示（秒2位，分2位，時(shí)2位），所以計(jì)數(shù)器74161設(shè)計(jì)為模6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

8、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)槿搜垡曈X停留的原因，會感覺七個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。24選4數(shù)據(jù)選擇器：封裝成模塊è顯示模塊原理圖：4. 校分與校時(shí)模塊a) 校分模塊當(dāng)K3為0時(shí)，校分模塊輸出的秒計(jì)時(shí)模塊進(jìn)位信號cos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。其中為了防止撥開關(guān)時(shí)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。其輸出送給分計(jì)時(shí)模塊clkb) 校時(shí)模塊當(dāng)K4為0時(shí)，校時(shí)模塊輸出分計(jì)時(shí)模塊進(jìn)位信號com供給時(shí)計(jì)時(shí)

9、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。其中為了防止撥開關(guān)時(shí)引發(fā)的顫動給校時(shí)帶來影響，在校時(shí)模塊中加入了消顫的D觸發(fā)器。5. 清零模塊 通過增加一個(gè)開關(guān)K2來控制計(jì)時(shí)電路，開關(guān)通過非門接在每個(gè)74160的清零端，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，計(jì)時(shí)器正常工作，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，計(jì)時(shí)器清零。，6. 保持模塊通過開關(guān)K1控制秒的使能信號，當(dāng)秒停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器就“保持”了。將其輸出接到74160使能端7. 報(bào)時(shí)模塊當(dāng)電路計(jì)時(shí)到59分51，53，55，57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”的信號作為觸發(fā)信號，

10、選通報(bào)時(shí)脈沖信號進(jìn)行報(bào)時(shí)。四、 擴(kuò)展模塊整點(diǎn)報(bào)時(shí)音樂： 各音調(diào)頻率：2khz，1khz , 500hz, 250hz, 125hz, 62hz, 31hz, 16hz各音調(diào)分頻器：封裝成模塊è波形圖：通過74160計(jì)數(shù)，74151選擇 將各音調(diào)頻率輸出封裝成模塊è時(shí)、分全為0時(shí)，開始響起音樂，持續(xù)1分鐘。若將開關(guān)撥到1，音樂停止。整點(diǎn)報(bào)時(shí)音樂原理圖：五、 調(diào)試、編程下載 選擇“Processing-start complication”進(jìn)行全編譯，編譯通過后要進(jìn)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)

11、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。六、 試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決辦法本次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)遇到了很多問題，主要原因有的是本身思考問題不全面，導(dǎo)致調(diào)試時(shí)漏洞百出，還有就是設(shè)計(jì)方法的問題以及作圖時(shí)不夠細(xì)致。以下是設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些問題及解決方法：a) 分頻模塊在設(shè)計(jì)分頻模塊的時(shí)候，由于沒有考慮整體功能實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)不同頻率的輸出，而只把1HZ作為我們的目標(biāo)，導(dǎo)致后來用到時(shí)又返回去增加輸出，導(dǎo)致模塊的變動，也給整個(gè)工程帶來了麻煩。b) 譯碼顯示問題在檢驗(yàn)計(jì)時(shí)輸出時(shí)，發(fā)現(xiàn)分的個(gè)位顯示亂碼，經(jīng)老師指導(dǎo)后才知道原來是輸出的四位二進(jìn)制位的順序倒了，該

12、軟件中數(shù)組表示時(shí)一般高位在前，即應(yīng)該是mg3.0的形式。c) 校分校時(shí)問題在一開始調(diào)試校分電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)分和時(shí)并不在59后歸零，而是一直不停的計(jì)數(shù)下去。經(jīng)討論，是因?yàn)樵确智辶愕囊笫欠趾兔氲挠?jì)數(shù)值都為59，而在校分的時(shí)候，不需要秒位也是59，因此對分的清零信號進(jìn)行修改，要加入K3的作用，同理，時(shí)的清零信號要加入K4的作用。 d) 顯示復(fù)用問題本次實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)就是譯碼管的復(fù)用問題，要在正常計(jì)時(shí)、鬧鐘校時(shí)及秒計(jì)時(shí)三種狀態(tài)下進(jìn)行切換，經(jīng)同學(xué)指點(diǎn)發(fā)現(xiàn)可以用開關(guān)控制選擇器來達(dá)到選擇顯示界面的效果。e) 消顫問題在調(diào)試校時(shí)模塊的時(shí)候發(fā)現(xiàn)撥動開關(guān)時(shí)數(shù)字顯示跳動不正常，經(jīng)驗(yàn)分析這是由于開關(guān)波動時(shí)會產(chǎn)生抖動造

13、成的，所以要給開關(guān)加上消顫處理，其原理很簡單，就是利用D鎖存器的鎖存功能。七、 實(shí)驗(yàn)收獲和感受本次試驗(yàn)一方面需要我們掌握數(shù)字邏輯電路的知識，另一方面又要適應(yīng)新的軟件Quartus和試驗(yàn)箱的用法。雖說和電工電子實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容基本一樣，但用的方法卻不一樣。上次實(shí)驗(yàn)除了理論知識外，還需要相當(dāng)高的人品，萬一哪邊沒接地或哪個(gè)孔差錯(cuò)了可能害你花掉整個(gè)小時(shí)的時(shí)間去查錯(cuò)，而且萬一芯片壞了也很麻煩，效率比較低，而且眼花繚亂。而這一次，可以利用軟件仿真，觀察波形，調(diào)試，而且不會發(fā)生芯片燒壞的情況。當(dāng)然，本次試驗(yàn)中我也遇到不少新的問題。在調(diào)試的過程中，我經(jīng)常會遇到一些錯(cuò)誤，但一般錯(cuò)誤都是能自己改正的，遇到最多的錯(cuò)誤就是

14、輸入、輸出忘標(biāo)了，主要還是不夠細(xì)致造成的。當(dāng)然也有許多問題是自己不能解決的，這時(shí)就要請教老師，或跟同組的商量。首先在做分頻的時(shí)候感覺很順利，就是幾個(gè)計(jì)數(shù)器，后來發(fā)現(xiàn)還是不對，輸出就一個(gè)頻率，不夠用，看來還是需要有全局觀念；然后在做顯示模塊的時(shí)候耽擱了一下，原因就是顯示亂碼，是輸出二進(jìn)制位順序反了；接著是校分和校時(shí)，這里面的邏輯關(guān)系比較復(fù)雜，要考慮的因素也比較多，最后在跟同組同學(xué)的商量下把問題解決了；然而，最大的問題還是顯示復(fù)用問題，剛開始對這個(gè)問題是一頭霧水，因?yàn)橐郧暗臄?shù)字鐘實(shí)驗(yàn)需要幾個(gè)顯示就給幾個(gè)顯示管，這一次遇到了切換的問題，我們開始每想到用選擇器來控制切換，雖然有結(jié)果，但顯示任不正常，且無法解決三種界面的切換問題，最終在其他同學(xué)的指導(dǎo)下采用選擇器解決了問題。對于本次實(shí)驗(yàn)，我體會頗深：作為學(xué)生，