基于Quartus的多功能數(shù)字鐘設(shè)計

1、 EDA設(shè)計（二）基于Quartus的多功能數(shù)字鐘設(shè)計摘要該實驗是利用QuartusII軟件設(shè)計一個數(shù)字鐘，進(jìn)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(diǎn)報時等多種基本功能，并下載到SmartSOPC實驗系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試和驗證。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)計要求42. 工作原理53. 各模塊說明51) 分頻模塊52) 計時模塊83) 動態(tài)顯示模塊104) 校分與校時模塊115) 清零模塊126) 保持模塊127) 報時模塊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. 實驗中出現(xiàn)問題及解決辦法197. 實驗收獲與感受208. 參考文獻(xiàn)21一、 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

4、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(diǎn)報時等基本功能。2. 具體要求如下：1) 能進(jìn)行正常的時、分、秒計時功能，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(jìn)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(diǎn)報時功能，當(dāng)時鐘計到59

5、51”時開始報時，在5951”,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(jìn)一位。3) 鬧表設(shè)定：通過開關(guān)切換顯示至鬧鐘界面，利用鬧鐘校時和校分開關(guān)對鬧鐘時間進(jìn)行設(shè)定，且不影響數(shù)字鐘計時。當(dāng)計時到鬧鐘設(shè)定時間蜂鳴器鳴叫，并響起彩鈴。 4) 秒表計時：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時向秒位進(jìn)位。4. 仿真與驗證用Quartus軟件對設(shè)計電路進(jìn)行功能仿真，并下載到實驗板上對其功能進(jìn)行驗證。二、 工作原理數(shù)字計時器是由計時電路、

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)動蜂鳴器整點(diǎn)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：計時電路校分校時電路脈沖發(fā)生電路譯碼顯示電路報時電路清零電路三、 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，2

7、HZ作為校分、校時的時鐘信號，200HZ、1000HZ作為報時蜂鳴所需頻率信號等。我們實現(xiàn)的方法是8分頻（三個2分頻級連），6分頻（一個2分頻和一個3分頻的級連）和分頻（6個5分頻和6個2分頻的級連）。a) 八分頻這個二分頻電路是由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)計了如下一個計數(shù)循環(huán)： 00，01，10，00。采用高位作為分頻信號輸出，占空比為1：2，此時再接到一個T觸發(fā)器的時鐘端進(jìn)行二分頻，即實現(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現(xiàn)是一個原理。波形圖如下：2. 計時模塊計時電路包括秒，分，時，星期四個模塊，依次進(jìn)

8、位。其中秒和分的模塊類似，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。a) 秒計時模塊當(dāng)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(jìn)位信號傳遞給分個位。波形圖如下：b) 分計時模塊觀察可發(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。c) 時計時模塊時計時模塊與秒，分模塊類似，只是進(jìn)位信號要設(shè)計在23時置零進(jìn)位，并且要等到秒與分信號都計到59時它

9、才能進(jìn)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(dāng)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

10、覺停留的原因，會感覺七個數(shù)碼管同時顯示。原理圖如下：4. 校分與校時模塊a) 校分模塊當(dāng)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(dāng)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(jìn)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。b) 校時模塊當(dāng)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(dāng)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)時引發(fā)的顫動給校時帶來影響，在校時模塊中加入了

11、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(jìn)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(dāng)開關(guān)斷開時，計時器正常工作，當(dāng)開關(guān)閉合時，計時器清零。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，當(dāng)秒停止計時，計時器就“保持”了。K1=0 ENT=1，K1=1 ENT=07. 報時模塊當(dāng)電路計時到59分51，53，55，57秒時，分別發(fā)出一聲較低的蜂鳴聲；當(dāng)計時到59分59秒時，發(fā)出一聲較高的蜂鳴聲。需要在某時刻報時

12、，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(jìn)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：四、 擴(kuò)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(jìn)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(jìn)位輸出。原理圖如下：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

13、控制，顯示模塊的復(fù)用和鬧鈴在規(guī)定的時間響起。a) 鬧鐘校分校時的控制以2HZ頻率來校分和校時，原理圖如下：用開關(guān)K7控制界面，K3和K4控制校分和校時，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，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：32選16內(nèi)部電路：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(dāng)K7為0時選擇正常計數(shù)輸出給顯示模塊，當(dāng)K7為1時，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。c) 鬧鐘定時響起計時輸出與鬧鐘校分校時結(jié)果比較：比較模塊內(nèi)部電路：鬧鐘定時響

14、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(dāng)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。3. 秒表模塊秒表模塊的設(shè)計跟計時器是一樣的，需要解決的問題是顯示復(fù)用的問題。秒表需要設(shè)計一個模100的計時模塊（分秒），然后是秒位、分位。之前鬧鐘用的是32選16選擇器，以此來切換正常計時和設(shè)定鬧鈴時間兩個界面，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)計一個48選24的

15、模塊來實現(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(yùn)行，檢驗結(jié)果是否正確。六、 試驗中出現(xiàn)的問題及解決辦法本次實驗中出現(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)試時漏洞百出，還有就是設(shè)計方法的問題以及作圖時不夠細(xì)致。以下是設(shè)計中出現(xiàn)的一些問題及解決方法：a) 分頻模塊在設(shè)計分頻模塊的時候

16、，由于沒有考慮整體功能實現(xiàn)需要多個不同頻率的輸出，而只把1HZ作為我們的目標(biāo)，導(dǎo)致后來用到時又返回去增加輸出，導(dǎo)致模塊的變動，也給整個工程帶來了麻煩。b) 譯碼顯示問題在檢驗計時輸出時，發(fā)現(xiàn)分的個位顯示亂碼，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)組表示時一般高位在前，即應(yīng)該是mg3.0的形式。c) 校分校時問題在一開始調(diào)試校分電路時，發(fā)現(xiàn)分和時并不在59后歸零，而是一直不停的計數(shù)下去。經(jīng)討論，是因為原先分清零的要求是分和秒的計數(shù)值都為59，而在校分的時候，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，時的清零信號要加入K4的作用。 d) 顯示

17、復(fù)用問題本次實驗的一個難點(diǎn)就是譯碼管的復(fù)用問題，要在正常計時、鬧鐘校時及秒計時三種狀態(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)試校時模塊的時候發(fā)現(xiàn)撥動開關(guān)時數(shù)字顯示跳動不正常，經(jīng)驗分析這是由于開關(guān)波動時會產(chǎn)生抖動造成的，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、 實驗收獲和感受本次試驗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和試驗箱的用法。雖說和電工電子實驗的內(nèi)容基本一樣，但用的方法卻不一樣。上次實驗除了理論知識外，還需要相當(dāng)高的人品，萬一哪邊沒接地或哪個孔差錯了可能害你花掉整個

18、小時的時間去查錯，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)常會遇到一些錯誤，但一般錯誤都是能自己改正的，遇到最多的錯誤就是輸入、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，這時就要請教老師，或跟同組的商量。首先在做分頻的時候感覺很順利，就是幾個計數(shù)器，后來發(fā)現(xiàn)還是不對，輸出就一個頻率，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，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，剛開始對這個問題是一頭霧水，因為以前的數(shù)字鐘實驗需要幾個顯示就給幾個顯示管，這一次遇到了切換的問題，我們開始每想