多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)報(bào)告

1、多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)報(bào)告姓名： 學(xué)號： 專業(yè)： 院系： 指導(dǎo)教師： 時間： 摘要：為了對所學(xué)的數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程進(jìn)行實(shí)踐，借eda實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，利用quartusii軟件設(shè)計(jì)一個數(shù)字鐘，并下載到smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺中?？梢酝瓿?0:00:00到23:59:59的計(jì)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(diǎn)報(bào)時，鬧鐘設(shè)定等功能。介紹了對以上各個功能的具體實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)思路。this study is conducted to practice the knowledge learned in course digital logic circuits and s

2、ystems design， opportunity to eda experiment by using quartusii software to design a digital clock, and downloaded to smartsopc experimental platform. the clock can complete function 00:00:00 to 23:59:59 of the time, and under the control circuits have functions to maintain, initialization, quick ad

3、justment minutes and hours, chime on integral hour, alarm settings and other. describe the concrete realization of these features and design ideas.關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘 digitalclock eda實(shí)驗(yàn) eda experiment quartusii quartusiismartsopc實(shí)驗(yàn)平臺smartsopc experimental platform 目錄一、設(shè)計(jì)要求說明- 3 -設(shè)計(jì)基本要求：- 3 -設(shè)計(jì)提高要求：- 3 -二、方案論證（整

4、體電路的工作原理）- 3 -三、各子模塊設(shè)計(jì)原理- 4 -1、脈沖發(fā)生電路：- 4 -2、計(jì)時電路：- 4 -3、動態(tài)譯碼顯示電路：- 4 -4、校分校時電路：- 5 -關(guān)于開關(guān)的消顫問題：- 5 -5、報(bào)時電路：- 5 -6、保持電路：- 5 -7、清零電路：- 5 -8、鬧鐘電路：- 5 -四、調(diào)試與實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決問題的方法- 6 -五、仿真- 7 -3分頻仿真波形：- 7 -2分頻仿真波形：- 7 -10分頻仿真波形：（3個級聯(lián)成1千分頻器，占空比6：4）- 7 -16分頻仿真波形：- 8 -模24計(jì)時器仿真波形：- 8 -模60計(jì)數(shù)器仿真波形：- 8 -六、編程下載- 9

5、-結(jié)論：- 9 -實(shí)驗(yàn)的收獲與感受：- 9 -期望及要求：- 9 - 參考文獻(xiàn)：- 9 -正文：一、設(shè)計(jì)要求說明設(shè)計(jì)基本要求：1、 能進(jìn)行正常的時、分、秒計(jì)時功能；2、 分別由六個數(shù)碼管顯示時分秒的計(jì)時；3、 設(shè)置系統(tǒng)的使能開關(guān) （key8開關(guān)低電平正常工作，高電平時鐘保持不變）；4、 設(shè)置是系統(tǒng)的清零開關(guān)（key7開關(guān)低電平正常工作，高電平時鐘的分、秒全清零）；5、 設(shè)置是系統(tǒng)的校分開關(guān)（key1開關(guān)低電平正常工作，高電平時可以快速校分）；6、 設(shè)置是系統(tǒng)的校時開關(guān)（key2開關(guān)低電平正常工作，高電平時可以快速校分）；設(shè)計(jì)提高要求：1、使時鐘具有整點(diǎn)報(bào)時功能（當(dāng)時鐘計(jì)到5953”時開始報(bào)時，

6、在5953”, 5955”,5957” 時報(bào)時頻率為512hz,5959”時報(bào)時頻率為1khz）；2、鬧表設(shè)定功能，key3開關(guān)高電平時進(jìn)入鬧鐘設(shè)定狀態(tài)，key4和key5分別對鬧鐘狀態(tài)的分鐘和小時進(jìn)行快速調(diào)校，key6作為鬧鐘鈴聲的開關(guān)，低電平處于關(guān)閉狀態(tài)，高電平為開啟狀態(tài)。二、方案論證（整體電路的工作原理）設(shè)計(jì)一個電子時鐘，大致需要一下幾個部分，如圖1：圖（1） 其中，脈沖發(fā)生電路提供包括計(jì)時電路的秒脈沖和提供給報(bào)時電路的蜂鳴器在內(nèi)的各種頻率脈沖，然后由計(jì)時電路完成00:00:00到23:59:59的計(jì)時功能，通過顯示譯碼器發(fā)送信號到7段數(shù)碼管上，清零電路連接在計(jì)時電路中各計(jì)數(shù)器的清零端，

7、即可通過異步清零方式來實(shí)現(xiàn)功能，校分校時電路原理相同，通過引入一個快速調(diào)校的脈沖來取代原計(jì)數(shù)器的時鐘信號即可實(shí)現(xiàn)功能。最后的鬧鐘功能通過另加一套計(jì)時器，即通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存的功能，儲存下設(shè)定的時間，最后使之與計(jì)時電路的輸出相比較，實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能。三、各子模塊設(shè)計(jì)原理1、脈沖發(fā)生電路： 如果把整個電子鐘系統(tǒng)比作人體的話，秒脈沖電路就是整個系統(tǒng)的心臟，由他給整個系統(tǒng)運(yùn)行的信號，而時鐘的精確性也要依靠秒脈沖來保證，所以脈沖發(fā)生電路是十分重要的，由于本次eda試驗(yàn)中的smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺用的是cyclone的ep1c12q240c8型號的芯片，這個芯片的系統(tǒng)時鐘是48mhz，所以需要通過分頻電

8、路來分出本設(shè)計(jì)中需要的各級頻率。整個設(shè)計(jì)中，包括基礎(chǔ)的秒脈沖，蜂鳴器需要的高頻信號和消顫信號，一共需要1hz、125hz、500hz、1000hz四個頻率的時鐘輸出。為分出以上頻率，設(shè)計(jì)了3個二分頻器，1個三分頻器，1個十六分頻器和2個一千分頻器。其中二分頻器由1個d觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，三分頻器由74160計(jì)數(shù)器做成的模三計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，十六分頻器由模16計(jì)數(shù)器74163實(shí)現(xiàn)，一千分頻器由3塊模十計(jì)數(shù)器74160級聯(lián)實(shí)現(xiàn)。在這里，要考慮到一個占空比的問題，即時鐘信號中低電平0和高電平1的比例，這個比例不能過大否則經(jīng)過級聯(lián)的放大后，會出現(xiàn)999999:1這種情況系統(tǒng)將無法檢測到這個相比之下類似毛刺的脈沖信號

9、。我組通過觀察后發(fā)現(xiàn)，在09的bcd碼中，要滿足保持連續(xù)，比例最接近5:5，線路連接簡易等條件，則可采用將bc位相或的方法，即27的bcd碼中間2位能邏輯或出1，其余出0，占空比為6比4，要滿足5:5可通過卡諾圖來計(jì)算出更為復(fù)雜的邏輯關(guān)系，但相應(yīng)的就不能滿足邏輯連線簡易的條件。2、計(jì)時電路：以上脈沖發(fā)生電路是心臟的話，計(jì)時電路就是人體中的大腦，由他來控制整個計(jì)時器最重要的功能，即計(jì)時。計(jì)時電路的秒鐘位和分鐘位各使用一個模六十計(jì)數(shù)器，小時位使用一個模二十四計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。其中秒的時鐘信號源為脈沖電路給出的1hz的秒脈沖；分鐘的時鐘信號源為秒十位的進(jìn)位信號，每隔60秒一次；小時位的時鐘信號源為分十位

10、的進(jìn)位信號，每60分鐘一次。模六十計(jì)數(shù)器和模二十四計(jì)數(shù)器都由2個模十計(jì)數(shù)器74160通過級聯(lián)和邏輯關(guān)系構(gòu)成。具體電路可參見附帶的程序圖。在這里要注意到一個時序邏輯電路中的冒險(xiǎn)問題，其輸入信號和時鐘信號在時間配合上未滿足一定的條件就會產(chǎn)生冒險(xiǎn)，為了解決冒險(xiǎn)問題，應(yīng)該用同步時序邏輯電路代替異步時序邏輯電路，并盡量簡化各級聯(lián)間的邏輯關(guān)系。3、動態(tài)譯碼顯示電路： 七段數(shù)碼管可有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示2種，前者每個數(shù)碼管都要對應(yīng)一個顯示譯碼器，而動態(tài)顯示使用數(shù)據(jù)選擇器來實(shí)現(xiàn)分時復(fù)用，巧妙的利用人眼的視覺殘留現(xiàn)象，使一個顯示譯碼器來驅(qū)動多個七段數(shù)碼管，顯然動顯所耗費(fèi)的系統(tǒng)資源要少，本次試驗(yàn)要求使用動態(tài)顯示來驅(qū)

11、動顯示譯碼管。由于要顯示的時鐘有6位，所以需要的bcd碼也有6位（組），分別為sl、sh、ml、mh、hl、hh，故需要一個24選四的數(shù)據(jù)選擇器，6組24個bcd碼被送到數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端，采用quartusii軟件提供的自定義lpm_mux器件，定義一個4*6選1（組）數(shù)據(jù)選擇器，選出的那組4個bcd碼送入七段顯示譯碼器7448進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生七段顯示碼給數(shù)碼管，24選4數(shù)據(jù)選擇器的地址選擇信號由計(jì)數(shù)器74160的低三位輸出來做出一個模八信號來給出（由于74160的時鐘頻率夠高，多兩個狀態(tài)也無所謂，實(shí)際只需要模六就夠了，但要做模六勢必要添加邏輯結(jié)構(gòu)，不夠簡潔），同時這低三位給一個74139

12、譯碼器，其輸出作為6個七段數(shù)碼管位碼dig的選通信號，這樣每選通一個數(shù)碼管都能顯示出對應(yīng)位的數(shù)字出來。只要頻率夠高，就能實(shí)現(xiàn)輪流顯示，在人眼看來，仿佛就是同時顯示的一半，從而實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示功能。4、校分校時電路：校分和校時電路的原理相同，現(xiàn)列舉校分電路來解釋其原理。添加一個分個位計(jì)數(shù)器的時鐘信號，使之有兩個不同的周期來源，一個來自秒十位計(jì)數(shù)器給它的進(jìn)位信號，還有一個就是快速校分信號，這里我組選用1hz作為快速調(diào)校頻率(校時亦同)。根據(jù)一個開關(guān)和三個與門形成的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇正常計(jì)時狀態(tài)或者是快速調(diào)校狀態(tài)。關(guān)于開關(guān)的消顫問題：由于smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺使用的key是機(jī)械開關(guān)，機(jī)械開關(guān)在接通或斷

13、開過程中，因?yàn)橄鄬τ谛酒乃俣忍幚硭俣?，機(jī)械的彈簧出片接觸的時間會顯得長，期間由于機(jī)械的彈性形變，會產(chǎn)生一連串脈沖式的振動，在電路中會相應(yīng)產(chǎn)生一串電脈沖，若不采取措施，就會使邏輯電路發(fā)生錯誤動作，為了消除這種誤動作，需要設(shè)計(jì)一個消顫開關(guān)。在具體實(shí)現(xiàn)中我們采用觸發(fā)器來完成消顫啟動開關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)平臺提供的是按鈕式開關(guān)而非單刀雙擲開關(guān)，故選擇d觸發(fā)器作為吸收顫抖的期間。其原理如下：給d觸發(fā)器一個時鐘頻率，其頻率不能太大，不能高于機(jī)械顫抖的頻率，否則不能消除顫抖，這樣一來只在d觸發(fā)器收到上升沿觸發(fā)信號到來的時候才會記錄開關(guān)的狀態(tài)，從而消除了機(jī)械顫抖，我組選擇125hz做為消顫頻率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可行。5、報(bào)時

14、電路： 數(shù)字鐘的報(bào)時功能由一個邏輯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，由它來決定報(bào)時的時間，按照設(shè)計(jì)要求，當(dāng)時鐘計(jì)到5953”時開始報(bào)時，在5953”, 5955”,5957” 時報(bào)時頻率為500hz,5959”時報(bào)時頻率為1khz，報(bào)時所需要的頻率由第一個模塊脈沖發(fā)生電路提供，最后將邏輯輸出接到發(fā)聲器件蜂鳴器beep。6、保持電路： 將一個經(jīng)過消顫處理后的開關(guān)（key8）通過一個與門與接給秒個位的秒脈沖信號相連，由于設(shè)計(jì)要求開關(guān)0位為正常工作，1位保持，故開關(guān)信號后要添加一個非門，相應(yīng)的，1hz的秒脈沖信號也是通過一個非門后再接入與門，否則會引起時序上的錯誤。7、清零電路： 通過一個開關(guān)（key7）加上一定邏輯電路

15、與12個計(jì)數(shù)器（包括鬧鐘設(shè)定的那6個）的清零端連接，由于功能是清零，所以無所謂機(jī)械開關(guān)的振動，不需要加入消顫電路。8、鬧鐘電路： 最后的鬧鐘功能通過另加一套計(jì)時器，即通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存的功能，它能儲存下設(shè)定的時間，這幾個計(jì)時器通過另一個24選4的數(shù)據(jù)選擇器，其輸出和第一個數(shù)據(jù)選擇器所選出的計(jì)時信號通過一個開關(guān)(key3,在正常計(jì)時和鬧鐘設(shè)定間切換顯示狀態(tài))選擇并輸出給七段顯示譯碼管7447。鬧鐘的這套計(jì)時電路我們并不給它始終信號，只是引入和校分校時相同原理的電路，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定鬧鐘時間的功能。關(guān)于如何使系統(tǒng)在設(shè)定的時間鬧鈴，我組選擇使用4個7485數(shù)值比較器，比較鬧鐘和時鐘計(jì)時器的小時位分鐘

16、位的的四位數(shù)據(jù)，全一致后，輸出一個500hz的信號給beep蜂鳴器，為了使鬧鈴更人性化，在這個500hz的鬧鈴信號上，再加一個開關(guān)(key6)作為鬧鐘鈴聲的開關(guān)，低電平處于關(guān)閉狀態(tài)，高電平為開啟狀態(tài)。四、調(diào)試與實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決問題的方法1、在設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生電路中的10分頻器時遇到占空比過大的問題，導(dǎo)致級聯(lián)后無法仿真，通過修改輸出邏輯關(guān)系，將占空比改為4:6。2、在設(shè)計(jì)模24計(jì)數(shù)器即小時位的計(jì)時器時，由于使用hl位的進(jìn)位給hh的時鐘端作為時鐘信號，導(dǎo)致2片計(jì)數(shù)器工作不同步，雖然仿真成功，但在編程下載到smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺后，實(shí)際運(yùn)行時發(fā)生錯誤（錯誤表現(xiàn)：時鐘在21:59:59進(jìn)位發(fā)

17、生錯誤，下一時刻本為22:00:00，卻變成02:00:00），由于仿真無誤，百思不得其解，經(jīng)老師指正錯誤在于計(jì)數(shù)器由于不同步發(fā)生冒險(xiǎn)，雖然在實(shí)驗(yàn)之前老師一再強(qiáng)調(diào)這點(diǎn)，但在實(shí)驗(yàn)中還是不知不覺的犯了這個錯誤。最后將2片計(jì)數(shù)器接同一個時鐘信號，hl的進(jìn)位信號輸出給hh的使能端。修改后編程下載觀察，錯誤排除。3、在做鬧鐘功能要比較2組時間數(shù)據(jù)時，經(jīng)老師提醒才想起用7485數(shù)值比較器，說明對基礎(chǔ)知識的掌握還不夠扎實(shí)。4、在做開關(guān)的時候，雖然有之前電工電子做數(shù)字鐘的經(jīng)驗(yàn)，知道要做防抖開關(guān)，但卻忽略了開關(guān)的區(qū)別，電工電子實(shí)驗(yàn)時用的是單刀雙擲開關(guān)，可以用rs鎖存器加d觸發(fā)器配合的電路來解決抖動問題，而sma

18、rtsopc實(shí)驗(yàn)平臺中使用的是按鈕開關(guān)的單邊啟動電路，所以在參考了1的第178頁中的按鈕式消顫啟動開關(guān)后對開關(guān)電路做了修改，使用給一個d觸發(fā)器一個時鐘信號的辦法，使開關(guān)信號僅在時鐘下降沿才通過，別的顫抖被d觸發(fā)器吸收。五、仿真3分頻仿真波形：2分頻仿真波形：10分頻仿真波形：（3個級聯(lián)成1千分頻器，占空比6：4）16分頻仿真波形：模24計(jì)時器仿真波形：模60計(jì)數(shù)器仿真波形：六、編程下載所有功能完成后，編程下載到smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺中，經(jīng)反復(fù)檢測，所有功能均得到實(shí)現(xiàn)，并通過老師的驗(yàn)收。結(jié)論：實(shí)驗(yàn)的收獲與感受： 從零開始設(shè)計(jì)這個多功能數(shù)字鐘的過程中遇到了很多問題，在小組討論調(diào)試和老師的幫助下，從做出最基礎(chǔ)的秒脈沖信號，到看著自己的時鐘逐漸的擁有各種功能，并且運(yùn)行無誤，雖然當(dāng)遇到一個難題怎么試都錯誤，有過想不出消顫的方法，甚至午飯都不去吃，就買個面包當(dāng)午飯，在實(shí)驗(yàn)室畫電路，但每成功測試一個功能后的喜悅就能將之前的疲勞全都消除，繼續(xù)到下一個功能的設(shè)計(jì)修改中。本來還要設(shè)計(jì)添加一個12小時制和24小時制的功能，最后由于時間和12小時計(jì)數(shù)器的問題沒能實(shí)現(xiàn)，但大致的原理，和添加到總電路的方法都已經(jīng)確定了，不得不說是這次實(shí)驗(yàn)的遺憾。我覺得這次的eda實(shí)驗(yàn)，