基于Quartus的多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、 EDA設(shè)計(jì)（二）基于Quartus的多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)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。此外還添加了顯示星期，鬧鐘設(shè)定,秒表和彩鈴等附加功能，使得設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘的功能更加完善。關(guān)鍵字：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 f

2、unctions like time-counting,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 reseting the week,setting alarm ,stopwatch,and belling with music make this digital c

3、lock a perfect one.Key words: Quartus digital-clock multi-function simulate目錄1. 設(shè)計(jì)要求42. 工作原理53. 各模塊說明51) 分頻模塊52) 計(jì)時(shí)模塊83) 動(dòng)態(tài)顯示模塊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124. 擴(kuò)展模塊131) 星期模塊132) 鬧鐘模塊143) 秒表模塊185. 調(diào)試、編程下載19 6. 實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題及解決辦法197. 實(shí)驗(yàn)收獲與感受208. 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

4、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(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59

5、51”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，利用鬧鐘校時(shí)和校分開關(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，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(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、

6、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：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(hào)，2

7、HZ作為校分、校時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)，200HZ、1000HZ作為報(bào)時(shí)蜂鳴所需頻率信號(hào)等。我們實(shí)現(xiàn)的方法是8分頻（三個(gè)2分頻級(jí)連），6分頻（一個(gè)2分頻和一個(gè)3分頻的級(jí)連）和分頻（6個(gè)5分頻和6個(gè)2分頻的級(jí)連）。a) 八分頻這個(gè)二分頻電路是由D觸發(fā)器產(chǎn)生的，占空比為50%。波形圖如下：b) 六分頻這里設(shè)計(jì)了如下一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)： 00，01，10，00。采用高位作為分頻信號(hào)輸出，占空比為1：2，此時(shí)再接到一個(gè)T觸發(fā)器的時(shí)鐘端進(jìn)行二分頻，即實(shí)現(xiàn)六分頻，且滿足占空比為50%的要求。三分頻波形圖如下：c) 十分頻該方法與六分頻的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)原理。波形圖如下：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)

8、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，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。a) 秒計(jì)時(shí)模塊當(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：b) 分計(jì)時(shí)模塊觀察可發(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。c) 時(shí)計(jì)時(shí)模塊時(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)它

9、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>

10、覺停留的原因，會(huì)感覺七個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。原理圖如下：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。其中為了防止撥開關(guān)時(shí)引發(fā)的顫動(dòng)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(shí)候無論秒計(jì)時(shí)模塊是否計(jì)到59，都能進(jìn)行校分，故秒計(jì)時(shí)模塊的輸出要與開關(guān)K3相或才能供給校分模塊的使能端。b) 校時(shí)模塊當(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。其中為了防止撥開關(guān)時(shí)引發(fā)的顫動(dòng)給校時(shí)帶來影響，在校時(shí)模塊中加入了

11、消顫的D觸發(fā)器。由于校時(shí)的時(shí)候無論秒和分計(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(gè)開關(guān)K2來控制計(jì)時(shí)電路，開關(guān)通過非門直接接在每個(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。K2=0 CLR=1，K2=1 CLR=06. 保持模塊通過開關(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=07. 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)

12、，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：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：2. 鬧鐘模塊鬧鐘模塊的設(shè)計(jì)主要需要解決三個(gè)問題，分別是鬧鐘校分校時(shí)的

13、控制，顯示模塊的復(fù)用和鬧鈴在規(guī)定的時(shí)間響起。a) 鬧鐘校分校時(shí)的控制以2HZ頻率來校分和校時(shí)，原理圖如下：用開關(guān)K7控制界面，K3和K4控制校分和校時(shí)，原理圖如下：b) 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：32選16內(nèi)部電路：顯示模塊的復(fù)用是通過設(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)，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。c) 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：比較模塊內(nèi)部電路：鬧鐘定時(shí)響

14、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。3. 秒表模塊秒表模塊的設(shè)計(jì)跟計(jì)時(shí)器是一樣的，需要解決的問題是顯示復(fù)用的問題。秒表需要設(shè)計(jì)一個(gè)模100的計(jì)時(shí)模塊（分秒），然后是秒位、分位。之前鬧鐘用的是32選16選擇器，以此來切換正常計(jì)時(shí)和設(shè)定鬧鈴時(shí)間兩個(gè)界面，它的16位輸出加上秒的8位一共是24位；同樣，秒表的輸出也是24位，與前面的24位合起來做48選24選擇器的輸入，用開關(guān)K8控制是否為秒表輸出界面。 秒表電路如下：將50HZ二分頻得到占空比為50%的100HZ頻率分秒模塊為如下：通過設(shè)計(jì)一個(gè)48選24的

15、模塊來實(shí)現(xiàn)顯示復(fù)用，內(nèi)部具體電路為：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(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。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

16、，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(dòng)，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(duì)分的清零信號(hào)進(jìn)行修改，要加入K3的作用，同理，時(shí)的清零信號(hào)要加入K4的作用。 d) 顯示

17、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(dòng)開關(guān)時(shí)數(shù)字顯示跳動(dòng)不正常，經(jīng)驗(yàn)分析這是由于開關(guān)波動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)造成的，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(shí)，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(shí)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)

18、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(huì)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(huì)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(qǐng)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(duì)，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(duì)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