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題目： 多功能數(shù)字鐘 摘 要 該設(shè)計(jì)利用QuartusII軟件設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，結(jié)合所學(xué)過的數(shù)字電路、EDA技術(shù)等知識，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，并在此基礎(chǔ)上添加鬧鐘等功能，經(jīng)過對各功能分析得到各個(gè)基礎(chǔ)模塊，然后設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊，最后進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。利用quartusⅡ進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試，設(shè)計(jì)出多功能數(shù)字鐘。 關(guān)鍵字：Quartus 數(shù)字鐘 多功能 目 錄 一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 1 二、 設(shè)計(jì)要求 1 三、 方案論證 1 四、 基本電路 2 （一）脈沖發(fā)生電路 2 （二）計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì) 8 （三）校時(shí)校分保持電路 13 （四）清零電路 13 （五）消顫電路 14 （六）譯碼顯示電路 16 五、 擴(kuò)展模塊 17 （一）星期計(jì)時(shí)器 18 （二）報(bào)時(shí)電路 19 （三）鬧鐘電路 20 （四）秒表電路的設(shè)計(jì) 22 六、 多功能數(shù)字時(shí)鐘的整體結(jié)構(gòu) 25 七、 試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決辦法 25 八、 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 26 參考文獻(xiàn) 27 致謝 28 1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 利用Quartus軟件設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，可以完成00：00：00至23：59：59的計(jì)時(shí)功能，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，并且添加星期等附加功能，設(shè)計(jì)成一個(gè)多功能數(shù)字鐘。 2、 設(shè)計(jì)要求 1.基本功能 （1）準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，以數(shù)字形式顯示時(shí)、分、秒的時(shí)間； （2）小時(shí)的計(jì)時(shí)要求為24進(jìn)位，分和秒的計(jì)時(shí)要求為60進(jìn)位； （3）校正時(shí)間，時(shí)、分快校（1HZ）； （4）清零、消顫； （5）校時(shí)校分保持 2.擴(kuò)展功能 （1） 星期； （2） 整點(diǎn)報(bào)時(shí)； （3） 鬧鐘； （4） 秒表； 3.仿真與驗(yàn)證 用Quartus軟件對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行功能仿真。 3、 方案論證 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，根據(jù)要求，設(shè)計(jì)出基本計(jì)時(shí)、秒表和星期。清零電路作用時(shí)，系統(tǒng)的分秒時(shí)同時(shí)歸零。最后報(bào)時(shí)等電路通過蜂鳴器輸出，基本計(jì)時(shí)、秒表電路在數(shù)碼管上顯示。 多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)有很多種方法，例如用數(shù)字電路中的555芯片做脈沖發(fā)生器，利用面包板搭電路，更容易理解，但由于實(shí)驗(yàn)起來比較復(fù)雜，搭制電路板的也比較繁瑣，容易出錯(cuò)，并且不易排查出出錯(cuò)的地方，所以在這里不用數(shù)字電路的方法。多功能數(shù)字鐘也可以利用編程的方法實(shí)現(xiàn)，但編寫程序?qū)懫饋聿惶菀?，也不容易排查改錯(cuò)誤所以最終選擇利用原理圖的方法來實(shí)現(xiàn)，不僅容易理解而且可以鞏固數(shù)字電路與EDA技術(shù)知識，使數(shù)字電路與EDA技術(shù)相結(jié)合。 星期電路 校分校時(shí)電路 脈 沖 發(fā) 生 電 路 報(bào)時(shí)電路 基本計(jì)時(shí)電路 保持電路 清零電路 蜂 鳴 器 譯 碼 顯 示 電 路 秒表電路 鬧鐘電路 定時(shí)電路 圖3.1 多功能數(shù)字鐘整體設(shè)計(jì)框圖 4、 基本電路 （1） 脈沖發(fā)生電路 實(shí)驗(yàn)中使用的震蕩頻率源為48MHz，而基本實(shí)驗(yàn)電路所需的頻率為1KHz，500Hz,2Hz及1Hz。因此，為了獲取我們所需的頻率，我們需要設(shè)計(jì)不同的分頻器并加以不同的組合，這樣就構(gòu)成了我們的脈沖發(fā)生電路。本實(shí)驗(yàn)中，記時(shí)電路與較分電路用的都是1Hz的信號頻率，消顫電路用的是2Hz的信號頻率，報(bào)時(shí)電路用到的是500Hz及1KHz的信號頻率。 1KHZ 500HZ 48MHZ 8分頻 3分頻 2分頻 2分頻 1000分頻 2HZ 1000分頻 2分頻 1HZ 圖4.1 總分頻電路流程圖 1.分頻電路 （1）2分頻電路 2分頻仿真結(jié)果： 2分頻封裝圖： 2分頻電路由一個(gè)D觸發(fā)器及一個(gè)非門實(shí)現(xiàn)，通過將D觸發(fā)器的和相連，在端即得到一連串的2分頻信號。 （2）3分頻電路 3分頻仿真結(jié)果： 3分頻封裝圖 3分頻電路通過74160用置數(shù)法實(shí)現(xiàn)，其輸出端按照0000→0001→0010→0000的方式循環(huán)計(jì)數(shù)就可以對其輸入的脈沖進(jìn)行3分頻，輸出信號由引出。 （3）8分頻電路 8分頻仿真結(jié)果： 8分頻封裝圖： 8分頻電路由3個(gè)2分頻電路級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 （4）24分頻電路 仿真結(jié)果： 24分頻封裝圖： 24分頻電路由3分頻和8分頻電路級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 （5）10分頻電路 10分頻仿真結(jié)果： 10分頻封裝圖： 10分頻電路由一片74163和一個(gè)與非門得到，在1100時(shí)置數(shù)0011，計(jì)數(shù)器循環(huán)方式如下所示： 0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111 ↑ ↓ 1100←1011←1010←1001←1000 （6）1000分頻電路 1000分頻仿真結(jié)果： 1000分頻封裝圖： 1000分頻電路由3個(gè)10分頻電路級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。 2.脈沖發(fā)生總電路 脈沖發(fā)生電路封裝圖： （二）計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì) 基本計(jì)數(shù)完成的是從00:00:00到23:59:59的計(jì)時(shí)功能。計(jì)時(shí)模塊包括秒、分、時(shí)，星期四個(gè)模塊，依次進(jìn)位。為產(chǎn)生秒位，需要設(shè)計(jì)一個(gè)模60計(jì)數(shù)器，給以1Hz的信號頻率；由秒的進(jìn)位產(chǎn)生分位，分位也是用的模60計(jì)數(shù)器；再用一個(gè)模24計(jì)數(shù)器對分位的進(jìn)位脈沖計(jì)數(shù)，產(chǎn)生小時(shí)位；計(jì)時(shí)采用的是同步計(jì)數(shù)器，整個(gè)數(shù)字時(shí)鐘的計(jì)時(shí)電路部分共包括六位：小時(shí)十位、小時(shí)個(gè)位、分十位、分個(gè)位、秒十位和秒個(gè)位。 圖5.1 計(jì)時(shí)電路示意圖 1.秒計(jì)時(shí)模塊 秒計(jì)時(shí)仿真結(jié)果： 秒計(jì)時(shí)封裝圖： ms、mg分別表示模60計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，在59處有個(gè)進(jìn)位脈沖。 秒計(jì)時(shí)模塊模60計(jì)數(shù)器由兩片74160組成，前面一片為秒的個(gè)位，后面一片為秒的十位。74160為模10計(jì)數(shù)器，從0000->1001。后面一片通過在0101置數(shù)實(shí)現(xiàn)從0000->0101。 2.分計(jì)時(shí)模塊 分計(jì)時(shí)仿真結(jié)果： 分計(jì)時(shí)封裝圖： fs、fg分別表示模60計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，在59處有個(gè)進(jìn)位脈沖。 分計(jì)時(shí)與秒計(jì)時(shí)的遠(yuǎn)離差不多，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，故清零信號的輸入還要添加秒計(jì)時(shí)模塊的輸出。 3.時(shí)計(jì)時(shí)模塊 時(shí)計(jì)時(shí)仿真結(jié)果： 模24計(jì)數(shù)器進(jìn)行封裝： ss、sg分別表示模24計(jì)數(shù)器的十位和個(gè)位，由兩片74160組成，并且通過sg[1]、sg[0]、ss[1]、EN相與非完成置數(shù)和進(jìn)位。 4.計(jì)時(shí)總電路 4.1基本計(jì)時(shí)電路 基本計(jì)時(shí)電路仿真結(jié)果： 從上圖我們可以看出，計(jì)時(shí)總電路是由兩個(gè)模60計(jì)數(shù)器與一個(gè)模24計(jì)數(shù)器和一個(gè)與門共同構(gòu)成。從左到右，一次完成的是秒、分、時(shí)的計(jì)數(shù)，秒的進(jìn)位CO與分的脈沖輸入端CP直接相連，完成的是逢60秒分進(jìn)一的計(jì)數(shù)原則；而時(shí)的脈沖輸入端CP接將分的進(jìn)位端CO與EN相連，這是因?yàn)橹挥挟?dāng)滿足59分59秒，及分與秒同時(shí)進(jìn)位時(shí)，小時(shí)才加一計(jì)數(shù)。如果沒有上面的與門，直接將分的進(jìn)位端CO與模24計(jì)數(shù)器的CP端下聯(lián)的話，則會導(dǎo)致分一到59將產(chǎn)生進(jìn)位，每小時(shí)將少計(jì)一分鐘的時(shí)間。 4.2計(jì)時(shí)電路 計(jì)時(shí)電路仿真結(jié)果： 計(jì)時(shí)電路封裝圖： （三）校時(shí)校分保持電路 校時(shí)校分保持電路封裝圖： 管腳說明： 輸入:1hz為計(jì)時(shí)脈沖,同時(shí)為外部脈沖，用來校分時(shí)；mjfi為秒計(jì)時(shí)電路輸出的進(jìn)位；fjsi為分計(jì)時(shí)電路輸出的進(jìn)位；ks為校時(shí)開關(guān)；kf為校分開關(guān)；kbao為保持開關(guān)； 輸出：mjsq1HZ為秒計(jì)時(shí)電路輸入的計(jì)時(shí)脈沖；mjfo為分計(jì)時(shí)電路的輸入脈沖；fjso為時(shí)計(jì)時(shí)電路的輸入脈沖。 （四）清零電路 清零電路封裝圖： 管腳說明： 輸入：qingling,表示輸入清零信號； 輸出：clrm秒清零，clrf分清零，clrs時(shí)清零，clrxq星期清零。 （五）消顫電路 消顫封裝圖： 由D觸發(fā)器構(gòu)成消顫電路，利用D觸發(fā)器鎖存開關(guān)的動(dòng)作信號，并避免顫抖。 消顫開關(guān)組： 消顫組合封裝圖： 管腳說明： 輸入：kbaoi為保持開關(guān)的輸入，kclri表示清零輸入，kfi表示校分輸入，ksi表示 校時(shí)輸入，kxqi表示校星期輸入； 輸出：kbaoo為保持開關(guān)的輸出，kclro表示清零輸出，kfo表示校分輸出，kso表示 校時(shí)輸出，kxqo表示校星期輸出； （6） 譯碼顯示電路 顯示電路主要由數(shù)據(jù)選擇器74151、譯碼器74138、計(jì)數(shù)器、顯示譯碼器7447和數(shù)碼顯示管組成計(jì)數(shù)器74161設(shè)計(jì)為模8的循環(huán)計(jì)數(shù)器，其輸出既作為4片74151的控制端，又作為3－8譯碼器74138的控制端。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到某一個(gè)數(shù)值時(shí)，四片74151同時(shí)選取對應(yīng)位的輸入組成計(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譯碼器也通過數(shù)碼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)數(shù)據(jù)。掃描的頻率為1KHz,因?yàn)槿搜鄣囊曈X停留，會感覺七個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。 實(shí)驗(yàn)電路圖如下所示： 譯碼顯示電路進(jìn)行封裝： 5、 擴(kuò)展模塊 （一）星期計(jì)時(shí)器 星期模塊仿真結(jié)果： 星期計(jì)數(shù)電路封裝圖： 星期電路實(shí)際上是一個(gè)模7計(jì)數(shù)器，完成的是從1到7,分別對應(yīng)著星期一到星期日這七天。星期計(jì)時(shí)器由74160，從0001計(jì)數(shù)到0111后重新置數(shù)到0001；xq4、xq3、xq2、xq1分別表示從高位到低位，從0001到0111，再跳回0001。 （二）報(bào)時(shí)電路 當(dāng)計(jì)時(shí)到59分53秒, 59分55秒,59分57秒時(shí)，分別發(fā)出一聲較低的蜂鳴聲（500hz）；當(dāng)計(jì)時(shí)到59分59秒時(shí)，發(fā)出一聲較高的蜂鳴聲（1khz）。需要在某時(shí)刻報(bào)時(shí)，就在時(shí)刻輸出信號1作為觸發(fā)信號，選通報(bào)時(shí)脈沖信號進(jìn)行報(bào)時(shí)。我們將各時(shí)刻各位對應(yīng)的二進(jìn)制碼作如下表進(jìn)行比較： 表（1）各時(shí)刻各位對應(yīng)的二進(jìn)制碼 時(shí)間 分十位 分個(gè)位 秒十位 秒個(gè)位 59:53 0101 1001 0101 0011 59:55 0101 1001 0101 0101 59:57 0101 1001 0101 0111 59:59 0101 1001 0101 1001 從上表我們總結(jié)出，首先分鐘必須是59分，即分的二進(jìn)制碼為01011001，同時(shí)秒的十位必須為5，即0101，而滿足三聲低音的秒的個(gè)位條件為（假設(shè)秒的個(gè)位由高到低為）且或者且。 圖（5.6.1）報(bào)時(shí)原理圖 報(bào)時(shí)電路仿真結(jié)果： fh3、fh1、fl4、fl1、mh3、mh1、ml分別表示分十位第2位，分十位的第4位，分個(gè)位的第1位，分個(gè)位的第4位，秒十位的第2位，秒十位的第4位，秒個(gè)位，圖中表示59分59秒，報(bào)時(shí)輸出確是跟著1Khz下降沿同步。 報(bào)時(shí)電路封裝圖： （三）鬧鐘電路 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)的控制，顯示模塊的復(fù)用和鬧鈴在規(guī)定的時(shí)間響起。 以2HZ頻率來校分和校時(shí)，原理圖如下： 鬧鐘電路仿真結(jié)果： 鬧鐘電路封裝圖： knz=0表示計(jì)時(shí)模式，kf、ks、jsf、jss表示校時(shí)校分和校時(shí)校分的結(jié)果；knz=1表示鬧鐘模式，kf、ks、nzf、nzs表示鬧鐘定時(shí)定分和結(jié)果。nzxh1表示鬧鐘信號。 （四）秒表電路的設(shè)計(jì) 1.模100計(jì)數(shù)器 模100計(jì)數(shù)器由兩片74160組成，在計(jì)數(shù)到99是通過置數(shù)將計(jì)數(shù)值置為0實(shí)現(xiàn)模100的計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器工作在100hz頻率下作為秒表的分秒位。 模100仿真結(jié)果： 圖中可以看出計(jì)數(shù)從0計(jì)到99時(shí)有一個(gè)進(jìn)位脈沖。 模100計(jì)數(shù)器封裝圖： 2. 秒表 秒表仿真結(jié)果： fh、fl、mh、ml、fmh、fml分別表示分十位、分個(gè)位、秒十位、秒個(gè)位、分秒十位和分秒個(gè)位，從圖中可以看出分秒位為模100計(jì)數(shù)器，秒位為模60計(jì)數(shù)器，分位和秒位用的計(jì)數(shù)器相同。 秒表封裝圖： 秒表由模100計(jì)數(shù)器、模60計(jì)數(shù)器組成，模100計(jì)數(shù)器表示秒表的分秒位，模60計(jì)數(shù)器表示秒表的秒位和分位。清零輸入后加了非門是為了最后用高電平控制清零的信號。 3. 秒表計(jì)時(shí)選擇電路 上圖是由24個(gè)或門構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路，左邊兩列完成的是24小時(shí)計(jì)時(shí)器中秒位的高低8位二進(jìn)制數(shù)與秒表中秒分位的高低8個(gè)二進(jìn)制數(shù)的相或輸出，中間兩列完成的是24小時(shí)計(jì)時(shí)器中分位的高低8位二進(jìn)制數(shù)與秒表中秒位的高低8個(gè)二進(jìn)制數(shù)的相或輸出，最右邊兩列完成的是24小時(shí)計(jì)時(shí)器中時(shí)位的高低8位二進(jìn)制數(shù)與秒表中分位的高低8個(gè)二進(jìn)制數(shù)的相或輸出。輸出的y[5..0]剛好作為譯碼顯示模塊的輸入值，顯示在數(shù)碼管上。若為24小時(shí)計(jì)時(shí)電路，則數(shù)碼管上從右往左依次顯示的是秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位、時(shí)個(gè)位、時(shí)十位；若為秒表計(jì)時(shí)電路，則數(shù)碼管上從右往左依次顯示的是秒分個(gè)位、秒分十位、秒個(gè)位、秒十位、分個(gè)位、分十位，以此完成了選擇。 秒表選擇電路封裝圖： 6、 多功能數(shù)字時(shí)鐘的整體結(jié)構(gòu) 7、 試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題及解決辦法 1.分頻電路 1000分頻電路是由3個(gè)10分頻電路級聯(lián)而成，在做10分頻電路的時(shí)候，開始是直接用74160從0000開始計(jì)數(shù)，直到1001清零或者置數(shù)到0000，但是從仿真的結(jié)果中看到，并不是占空比為1：1的電路，在重新設(shè)計(jì)的過程中，發(fā)現(xiàn)假如從0011到1100計(jì)數(shù)，則最高位D正好是從5個(gè)0至5個(gè)1，正好是50%，所以直接置數(shù)0011，從QD位直接輸出，但是結(jié)果占空比還是做不到1：1，沿著0011的想法，通過畫卡諾圖得出表達(dá)式為,最后設(shè)計(jì)出現(xiàn)在的原理圖，而且也達(dá)到占空比為1：1。 在設(shè)計(jì)1000分頻的過程中，一直認(rèn)為只要將3個(gè)10分頻的計(jì)數(shù)器級聯(lián)就可以了，但是在最開始做的占空比不為1：1的10分頻計(jì)數(shù)器級聯(lián)之后，仿真的結(jié)果是錯(cuò)誤的，根本達(dá)不到1000分頻，經(jīng)過幾次試驗(yàn)之后，才做出1000分頻計(jì)數(shù)器。 2. 計(jì)數(shù)電路 在設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)模塊的時(shí)候，一開始認(rèn)為時(shí)為24，分和秒都為60，那么分和秒做一個(gè)就可以了，但是在把3個(gè)模塊相連到一起時(shí)，從仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不能在59分59秒的下一時(shí)刻做到1小時(shí)0分0秒，所以重新設(shè)計(jì)秒60和分60模塊，兩個(gè)模塊幾乎一樣，僅僅是分模塊在清零信號的輸入還要添加秒計(jì)時(shí)模塊的輸出。 3. 星期電路 星期電路的設(shè)計(jì)其實(shí)很簡單，只用1-7循環(huán)就可以了，但是想做的完美一些，就想把星期天設(shè)計(jì)為星期8，因?yàn)樵陲@示上8就和日一樣，看上去就是星期日，那么整個(gè)循環(huán)就是1-6、8，但是經(jīng)過幾個(gè)實(shí)驗(yàn)后我做不到從星期6直接跳到星期8，所以到最后也沒能實(shí)現(xiàn)。 4. 秒表 秒表是從0-99計(jì)數(shù)，所以增加了一個(gè)模為100的計(jì)數(shù)器，并且在計(jì)數(shù)到99的時(shí)候，要有一個(gè)進(jìn)位脈沖，可是在設(shè)計(jì)的過程中不知道是哪里除了一點(diǎn)小問題，在計(jì)數(shù)到98的時(shí)候就有一個(gè)小脈沖，非常小，最開始以為沒關(guān)系，但是在設(shè)計(jì)秒表的整體電路的時(shí)候，仿真過程中發(fā)現(xiàn)整個(gè)的仿真結(jié)果是錯(cuò)誤的，經(jīng)過修改，消除了98的脈沖信號，得到現(xiàn)在的電路。 5. 譯碼顯示 在做總體編譯的時(shí)候，秒表功能與普通計(jì)數(shù)都要接入譯碼顯示上，所以在編譯的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤，標(biāo)線重復(fù)，改了很多次都不行，最后加入了一個(gè)計(jì)數(shù)秒表選擇電路才解決問題，其作用就是把選擇是計(jì)數(shù)模式或者是秒表模式。 參考文獻(xiàn) [1]潘松，王芳，張?bào)阍?EDA技術(shù)及其應(yīng)用(第二版)[M].科學(xué)出版社，2011 [2]蔣立平，姜萍，譚雪琴，花漢兵.數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版,2008 [3]劉艷萍，高振斌，李志軍. 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