多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

1、EDAEDA 設(shè)計(jì)（二）設(shè)計(jì)（二）多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)姓名：姓名： 學(xué)號：學(xué)號：院系：電光學(xué)院院系：電光學(xué)院指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 完成時(shí)間：完成時(shí)間：201220122目錄目錄摘要摘要.3一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求.41、內(nèi)容.42、設(shè)計(jì)基本要求.43、設(shè)計(jì)提高部分.4二、設(shè)計(jì)方案二、設(shè)計(jì)方案.5三、子模塊電路設(shè)計(jì)三、子模塊電路設(shè)計(jì).61、分頻模塊.6（1）2 分頻電路.6（2）24 分頻電路.7（3）48 分頻電路.8（4）1000 分頻電路.92、計(jì)時(shí)模塊.10（1）秒計(jì)時(shí)電路.11（2）分計(jì)時(shí)電路.13（3）時(shí)計(jì)時(shí)電路.143、譯碼顯示模塊.154 控制模塊

2、.17（1）清零電路.18（2）保持電路.18（3）校分校時(shí)電路.18四、提高部分設(shè)計(jì)四、提高部分設(shè)計(jì).191、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路.192、星期顯示電路.21五、五、調(diào)試以及編程下載調(diào)試以及編程下載.21六、實(shí)驗(yàn)中遇到問題及解決方法六、實(shí)驗(yàn)中遇到問題及解決方法.22七、實(shí)驗(yàn)收獲與體會七、實(shí)驗(yàn)收獲與體會.23八、參考文獻(xiàn)八、參考文獻(xiàn).243摘要摘要本實(shí)驗(yàn)借助于 Quartus7.0 軟件設(shè)計(jì)一個(gè)多功能的數(shù)字時(shí)鐘，具有24 小時(shí)計(jì)時(shí)、保持、清零、校分校時(shí)等基本功能，并在此基礎(chǔ)上添加了星期顯示、校星期、整點(diǎn)報(bào)時(shí)、動態(tài)顯示等附加功能。并利用Quartus進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試，最后下載到 SmartSO

3、PC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。關(guān)鍵詞：多功能數(shù)字時(shí)鐘，Quartus,計(jì)時(shí)，星期顯示，整點(diǎn)報(bào)時(shí)、動態(tài)顯示、SmartSOPC。ABSTRACTABSTRACTThisThis experimentexperiment isis toto designdesign a a multifunctionalmultifunctional digitaldigital clockclock withwith quartus.Thequartus.The multifunctionalmultifunctional digitaldigital clockclock hashas varitiesv

4、arities ofof thethe functionsfunctions likelike 24-hour24-hour timer,timer, keeping,clearing,adjustingkeeping,clearing,adjusting timetime .It.It alsoalso includesincludes additionaladditional functionsfunctions suchsuch asas weekweek display,display, chimechime onon integralintegral hourhour ,dynami

5、c,dynamic displaydisplay andand soso on.on. wewe designeddesigned andand simulatedsimulated withwith QuartusandQuartusand finallyfinally downloadeddownloaded it it toto thethe experimentexperiment platformplatform toto test.test.KeyKey words:multifunctionalwords:multifunctional digitaldigital clock,

6、qQuartus,timer,week,chimeclock,qQuartus,timer,week,chime onon integralintegral hour,hour, dynamicdynamic display,SmartSOPC.display,SmartSOPC.4多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、內(nèi)容、內(nèi)容利用 QuartusII 軟件設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，并下載到 SmartSOPC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，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)等功能。2、

7、設(shè)計(jì)基本要求、設(shè)計(jì)基本要求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、設(shè)計(jì)提高部分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55951”,595

8、3”, 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。二、設(shè)計(jì)方案二、設(shè)計(jì)方案數(shù)字鐘的原理框圖如圖 1 所示，主要由計(jì)時(shí)電路，脈沖發(fā)生電路，較分電路，清零電路，譯碼顯示電路和報(bào)時(shí)電路組成。計(jì)時(shí)電路在脈沖電路的作用下，產(chǎn)生 24 小時(shí)的計(jì)時(shí)，同時(shí)較分電路控制計(jì)時(shí)電路中的使能端進(jìn)行較分，而清零電路則控制計(jì)時(shí)電路的清零端實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的清零功能，最終將計(jì)時(shí)電路的輸出數(shù)據(jù)輸入到譯碼顯示電路實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的顯示。另外將計(jì)時(shí)電路的輸出數(shù)據(jù)輸入到報(bào)時(shí)電路中，完成報(bào)時(shí)功能。計(jì)時(shí)電路校分校時(shí)

9、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6三、子模塊電路設(shè)計(jì)三、子模塊電路設(shè)計(jì)1、分頻模塊、分頻模塊 （1）2 分頻電路分頻電路2 分頻電路是通過將 D 觸發(fā)器的端與 D 端接在一起就可以從 Q 端得Q到觸發(fā)器信號的 2 分頻信號，電路圖如下：波形圖如下：48MHZ1000 分頻48 分頻24 分頻1000 分頻1000 分頻2 分頻2HZ1HZ1kHZ500HZ7封裝模塊：（2）24 分頻電路分頻電路24 分頻器可由模為 24 的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，由最高位輸出即可得輸入信號的 24 分頻信號。模 24 計(jì)數(shù)器由兩片 74160 通過反饋置數(shù)法構(gòu)成。（圖中 sco 和 mco 是計(jì)時(shí)模塊小時(shí)計(jì)數(shù)

10、調(diào)用模 24 所用。分頻電路中直接置 1） 。電路圖如下：8波形圖：封裝模塊：（3）48 分頻電路分頻電路48 分頻器可由模為 48 的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，由最高位輸出即可得輸入信號的 48 分頻信號。模 48 計(jì)數(shù)器由兩片 74160 通過反饋置數(shù)法構(gòu)成。電路圖如下：9波形圖如下：封裝模塊：（4）1000 分頻電路分頻電路1000 分頻器可由模為 1000 的計(jì)數(shù)器構(gòu)成，由最高位輸出即可得輸入信號的 1000 分頻信號。模 48 計(jì)數(shù)器由三片片 74160 直接串聯(lián)構(gòu)成。電路圖如下：10封裝模塊：分頻模塊總電路：2、計(jì)時(shí)模塊、計(jì)時(shí)模塊計(jì)時(shí)電路由一個(gè)模 24 計(jì)數(shù)器和兩個(gè)模 60 計(jì)數(shù)器構(gòu)成，分別代表

11、時(shí)、分、秒各位?；驹硎牵簩⒚胛坏闹梦欢?LDN 作為分位的使能端，11將分位的置位端 LDN 作為時(shí)位的使能端，高低位之間采用同步的時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為 1Hz 的脈沖信號。特別要注意的是由于小時(shí)跳轉(zhuǎn)時(shí)要達(dá)到 59 分 59 秒故在反饋置數(shù)是條件中要同時(shí)包含分位與個(gè)位的進(jìn)位。同時(shí)留下使能端與清零端接口給清零保持模塊使用。電路圖：（1）秒計(jì)時(shí)電路）秒計(jì)時(shí)電路由模 60 計(jì)數(shù)器構(gòu)成。通過兩片 74160 通過反饋置零法構(gòu)成模 60 計(jì)數(shù)器。當(dāng)秒計(jì)時(shí)至 59 秒的時(shí)候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)將此低電平作為進(jìn)位信號傳遞給分個(gè)位。電路圖如下：12波形圖如下：封裝模塊：13（2）

12、分計(jì)時(shí)電路）分計(jì)時(shí)電路由模 60 計(jì)數(shù)器構(gòu)成。通過兩片 74160 通過反饋清零法構(gòu)成模 60 計(jì)數(shù)器。與秒計(jì)時(shí)電路不同的是反饋部分加入了秒計(jì)時(shí)電路進(jìn)位端。電路圖如下：波形圖同秒計(jì)時(shí)電路波形圖封裝模塊：14（3）時(shí)計(jì)時(shí)電路）時(shí)計(jì)時(shí)電路由模 24 計(jì)數(shù)器構(gòu)成。要注意的是要使進(jìn)位信號設(shè)計(jì)在 23 時(shí)置零進(jìn)位，必須得等到秒與分信號都計(jì)時(shí)到 59 時(shí)才能進(jìn)位清零，所以反饋信號的輸入端還要添加秒和分計(jì)時(shí)模塊的進(jìn)位信號。電路圖如下波形圖：15封裝模塊：3、譯碼顯示模塊、譯碼顯示模塊譯碼顯示電路原理框圖如下：顯示電路主要有 24 選 4 的數(shù)據(jù)選擇器，計(jì)數(shù)器、74138 譯碼器、7447 顯示譯碼器組成。由

13、于要求是動態(tài)顯示，需要以足夠高的頻率來分別顯示時(shí)鐘的時(shí)位、分位和秒位。計(jì)數(shù)器的作用是驅(qū)動 24 選 4的數(shù)據(jù)選擇器分別選擇時(shí)鐘的時(shí)位、分位和秒位送給顯示譯碼器167447 去驅(qū)動數(shù)碼管發(fā)光，同時(shí)又要通過譯碼器 74138 來選擇使用哪個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)鐘的時(shí)位、分位和秒位。由于時(shí)、分、秒每個(gè)都需要兩個(gè)數(shù)碼管來顯示，所以計(jì)數(shù)器應(yīng)該為模 6 的計(jì)數(shù)器。24 選 4 的計(jì)數(shù)器可由 3 個(gè) 74157 組成，其中每個(gè) 74157 的相同的輸出相或后充當(dāng)新的輸出。實(shí)際的電路圖如下：其中 24 選 4 電路如下：174 控制模塊控制模塊控制模塊由清零，保持，校分校時(shí)三個(gè)子模塊構(gòu)成電路圖如下：18(1) 清零電

14、路清零電路清零電路比較簡單，通過開關(guān)直接接到計(jì)時(shí)電路中秒計(jì)時(shí)，分計(jì)時(shí)以及時(shí)計(jì)時(shí)的清零端口。通過開關(guān)（上圖的 K2 為清零開關(guān)）的閉合，來決定是否清零。（2）保持電路）保持電路保持電路與清零電路類似。都是通過開關(guān)，只是保持電路控制的是電路中的使能端，直接接到秒計(jì)數(shù)起的使能端進(jìn)控制。 （上圖的 K1為保持開關(guān)） 。（3）校分校時(shí)電路）校分校時(shí)電路校分校時(shí)電路類似。均相當(dāng)于一個(gè)二選一電路。當(dāng) K 為 1 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) K 為 0 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

15、 觸發(fā)器。但注意為了控制校 59 時(shí)跳轉(zhuǎn)為零，在電路的計(jì)時(shí)電路中還要額外加開關(guān)控制輸入的進(jìn)位信號。 （k3 校分，k4 校時(shí)，k5 校星期屬于附加電路但原理相同）電路圖如下：19控制電路封裝模塊：四、提高部分設(shè)計(jì)四、提高部分設(shè)計(jì)1、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路：報(bào)時(shí)電路是要求電路中的蜂鳴器在每個(gè)小時(shí)的 59 分 53 秒、55秒、57 秒發(fā)出低音，而在 59 分 59 秒發(fā)出高音。用二進(jìn)制數(shù)分別表示如下表：20分十位分個(gè)位秒十位秒個(gè)位時(shí)刻m8m7m6m5m4m3m2m1s8s7s6s5s4s3s2s1音高頻率59 分 53秒0101100101010011低約 500Hz59 分 55秒0101

16、100101010101低約 500Hz59 分 57秒0101100101010111低約 500Hz59 分 59秒0101100101011001高約 1000Hz蜂鳴器發(fā)聲情況表電路圖如下：封裝模塊：212、星期顯示電路、星期顯示電路星期顯示電路難度不大，與計(jì)時(shí)電路相似。由模 7 計(jì)數(shù)器構(gòu)成。但要注意的是進(jìn)位端的控制信號要考慮到秒進(jìn)位信號與分進(jìn)位信號。電路圖如下：22五、五、調(diào)試以及編程下載調(diào)試以及編程下載選擇“Processing-start complication”進(jìn)行全編譯，編譯通過后要進(jìn)行管腳分配，選擇“AssignmentsPins” ，如圖：在打開的對話框中的“Locat

17、ion”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。六、實(shí)驗(yàn)中遇到問題及解決方法六、實(shí)驗(yàn)中遇到問題及解決方法1、將基本電路搭完第一次下載到芯片上運(yùn)行時(shí)，數(shù)碼管顯示的 8個(gè) 8 即全亮，因?yàn)閺南螺d結(jié)果中沒有看到問題所在只好進(jìn)行仿真。先從顯示譯碼那部分進(jìn)行仿真，沒有問題。然后計(jì)時(shí)電路發(fā)現(xiàn)模 7計(jì)數(shù)器的使能端接錯。在下載還是有問題，繼續(xù)仿真，發(fā)現(xiàn)分頻電路的 48 分頻打錯改過來，繼續(xù)下載正常計(jì)數(shù)。232、發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)時(shí)，時(shí)位在 59 分即跳轉(zhuǎn)，星期位在 23 小時(shí)即跳轉(zhuǎn)。分析計(jì)時(shí)電路，發(fā)現(xiàn)問題情況類似，即高位的使能端信號沒有控制秒位的分位的進(jìn)位

18、條件。3、校分電路校分時(shí)會從 0 一直跳到 99 才跳轉(zhuǎn)為零。分析電路，問題出在校分電路中沒有控制計(jì)時(shí)條件。于是在計(jì)時(shí)電路中使能端信號中低位進(jìn)位信號也。七、實(shí)驗(yàn)收獲與體會七、實(shí)驗(yàn)收獲與體會這次實(shí)驗(yàn)由于是第一次接觸 QuartusII 和實(shí)驗(yàn)箱，所以一開始做起來還是比較困難的。自己也付出蠻多的努力，但是有付出必有回報(bào)，自己的收獲也是很多。首先是對軟件的熟悉，短短幾天由于實(shí)驗(yàn)的需要，由一開始的一竅不通到后來自己查書問老師逐漸熟悉了這款軟件，掌握了仿真等諸多強(qiáng)大的功能。其次是自己解決問題能力的提高，以前遇到問題總是直接找老師，而這次實(shí)驗(yàn)老師交給我們更多的是解決問題的方法，遇到問題要思考，要通過仿真來解決，通過仿真得到的波形其實(shí)解決問題起來會事半功倍。還有就是進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)要總體考慮，要有大局