基于Quartus的多功能數字鐘設計

1、 EDA設計（二）摘要該實驗是利用QuartusII軟件設計一個數字鐘，進行試驗設計和仿真調試，實現了計時，校時，校分，清零，保持和整點報時等多種基本功能，并下載到SmartSOPC實驗系統(tǒng)中進行調試和驗證。此外還添加了整點報時音樂功能使數字鐘功能更加完善關鍵字：Quartus 數字鐘 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 設計要求3二 工作原理4三 各模塊說明41) 分頻模塊52) 計時模塊83) 動態(tài)顯

3、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12四 擴展模塊13整點報時音樂18五 調試、編程下載19 六 實驗中出現問題及解決辦法19七 實驗收獲與感受20八 附錄：數字鐘總原理圖九 參考文獻21一、 設計要求1. 設計一個數字計時器，可以完成00:00:00到23:59:59的計時功能，并在控制電路的作用下具有保持、清零、快速校時、快速校分、整點報時等基本功能。2. 具體要求如下：1) 能進行正常的時、分、秒計時功能，最大計時顯示23小時59分59秒。2) 分別由六個數碼管顯示時分秒的計時。3) K1是系統(tǒng)的使能開關，K1=0正常工作，K1=1時鐘保

4、持不變。4) K2是系統(tǒng)的清零開關，K2=0正常工作，K2=1時鐘的分、秒全清零。5) 在數字鐘正常工作時可以對數字鐘進行快速校時和校分。K3是系統(tǒng)的校分開關，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，K4=0正常工作，K4=1時可以快速校時。3. 設計提高部分要求1) 時鐘具有整點報時功能，當時鐘計到5951”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字鐘界面顯示星期，到計時到24小時時，星期上顯示的數據進一位。3) 鬧表設定：通過開關切換顯示至鬧鐘界面，利用鬧

5、鐘校時和校分開關對鬧鐘時間進行設定，且不影響數字鐘計時。當計時到鬧鐘設定時間蜂鳴器鳴叫，并響起彩鈴。 4) 秒表計時：通過開關切換顯示至秒表界面，分秒部分是100進制的，即當值為99時向秒位進位。4. 仿真與驗證用Quartus軟件對設計電路進行功能仿真，并下載到實驗板上對其功能進行驗證。二、 工作原理數字計時器是由計時電路、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碼管上，并且驅動蜂鳴器整點報時；校時校分電

6、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，2HZ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。我們實現的方法是一個2分頻，一個24分頻，6個10分頻級聯。a）24分頻 封裝成模塊波形圖：b)1M分頻封裝成模塊 2. 計時模塊計時電路包括秒，分，時，星期四個模塊，依次進位。其中秒和分的

7、模塊類似，都是一個模六十計數器，時模塊是一個模24計數器。設計時采用的是同步計數器，它們所接的時鐘信號均為1hz。a）秒計時模塊模60計數器封裝成模塊 波形圖：b）時計時模塊模24計數器計時模塊總圖：3. 動態(tài)顯示模塊此模塊是用于數碼管的動態(tài)顯示，在本實驗中一共需要6個數碼管參與顯示（秒2位，分2位，時2位），所以計數器74161設計為模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。因為只有一片BCD譯碼器7447，所以當計數器到某一個數值時，四片74151同時選取對應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，與此同時根據計數器的數值，

8、74138譯碼器也從七個顯示管的使能端選擇對應位有效，從而在實驗箱上顯現一個有效數據。掃描的頻率為幾千赫茲,因為人眼視覺停留的原因，會感覺七個數碼管同時顯示。24選4數據選擇器：封裝成模塊顯示模塊原理圖：4. 校分與校時模塊a) 校分模塊當K3為0時，校分模塊輸出的秒計時模塊進位信號cos供給分計時模塊正常計數；當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。其輸出送給分計時模塊clkb) 校時模塊當K4為0時，校時模塊輸出分計時模塊進位信號com供給時計時模塊正常計數；當K4為1時，校時模塊輸出2hz的

9、脈沖供給時計時模塊校分。其中為了防止撥開關時引發(fā)的顫動給校時帶來影響，在校時模塊中加入了消顫的D觸發(fā)器。5. 清零模塊 通過增加一個開關K2來控制計時電路，開關通過非門接在每個74160的清零端，當開關斷開時，計時器正常工作，當開關閉合時，計時器清零。，6. 保持模塊通過開關K1控制秒的使能信號，當秒停止計時，計時器就“保持”了。將其輸出接到74160使能端7. 報時模塊當電路計時到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，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行報時。四、 擴展模塊整點報時

10、音樂： 各音調頻率：2khz，1khz , 500hz, 250hz, 125hz, 62hz, 31hz, 16hz各音調分頻器：封裝成模塊波形圖：通過74160計數，74151選擇 將各音調頻率輸出封裝成模塊時、分全為0時，開始響起音樂，持續(xù)1分鐘。若將開關撥到1，音樂停止。整點報時音樂原理圖：五、 調試、編程下載 選擇“Processing-start complication”進行全編譯，編譯通過后要進行管腳分配，選擇“AssignmentsPins”，在打開的對話框中的“Location”欄中選擇相應的管腳填入，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

11、行，檢驗結果是否正確。六、 試驗中出現的問題及解決辦法本次實驗中出現遇到了很多問題，主要原因有的是本身思考問題不全面，導致調試時漏洞百出，還有就是設計方法的問題以及作圖時不夠細致。以下是設計中出現的一些問題及解決方法：a) 分頻模塊在設計分頻模塊的時候，由于沒有考慮整體功能實現需要多個不同頻率的輸出，而只把1HZ作為我們的目標，導致后來用到時又返回去增加輸出，導致模塊的變動，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)現分的個位顯示亂碼，經老師指導后才知道原來是輸出的四位二進制位的順序倒了，該軟件中數組表示時一般高位在前，即應該是mg3.0的形式。c) 校分校時問題在一開始調

12、試校分電路時，發(fā)現分和時并不在59后歸零，而是一直不停的計數下去。經討論，是因為原先分清零的要求是分和秒的計數值都為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) 顯示復用問題本次實驗的一個難點就是譯碼管的復用問題，要在正常計時、鬧鐘校時及秒計時三種狀態(tài)下進行切換，經同學指點發(fā)現可以用開關控制選擇器來達到選擇顯示界面的效果。e) 消顫問題在調試校時模塊的時候發(fā)現撥動開關時數字顯示跳動不正常，經驗分析這是由于開關波動時會產生抖動造成的，所以要給開關加上消顫處理，其原理很簡單，就是利用D鎖存器的鎖存功能。七、 實驗

13、收獲和感受本次試驗一方面需要我們掌握數字邏輯電路的知識，另一方面又要適應新的軟件Quartus和試驗箱的用法。雖說和電工電子實驗的內容基本一樣，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，調試，而且不會發(fā)生芯片燒壞的情況。當然，本次試驗中我也遇到不少新的問題。在調試的過程中，我經常會遇到一些錯誤，但一般錯誤都是能自己改正的，遇到最多的錯誤就是輸入、輸出忘標了，主要還是不夠細致造成的。當然也有許多問題是自己不能解決的，這時就要

14、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，就是幾個計數器，后來發(fā)現還是不對，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，是輸出二進制位順序反了；接著是校分和校時，這里面的邏輯關系比較復雜，要考慮的因素也比較多，最后在跟同組同學的商量下把問題解決了；然而，最大的問題還是顯示復用問題，剛開始對這個問題是一頭霧水，因為以前的數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，我們開始每想到用選擇器來控制切換，雖然有結果，但顯示任不正常，且無法解決三種界面的切換問題，最終在其他同學的指導下采用選擇器解決了問題。對于本次實驗，我體會頗深：作為學生，我們