南理工EDA2多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)試驗(yàn)報(bào)告（蔣立平）

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EDAⅡ試驗(yàn)報(bào)告

--多功能數(shù)字鐘

學(xué)院專業(yè):學(xué)生學(xué)號(hào):指導(dǎo)老師:交稿時(shí)間:

蔣立平2023年3月25日

EDAⅡ試驗(yàn)報(bào)告—多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

摘要

本試驗(yàn)借助于quartusⅡ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)、星期顯示、保持、清零、校分校時(shí)校星期、整點(diǎn)報(bào)時(shí)等基本功能，并在此基礎(chǔ)上添加了鬧鐘、音樂鬧鐘、秒表等附加功能。同時(shí)，留有萬年歷的接口可以便利的進(jìn)行擴(kuò)展。.利用quartusⅡ進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試，最終下載到SmartSOPC試驗(yàn)系統(tǒng)上驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

EDAⅡ試驗(yàn)報(bào)告—多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)

生1hz的信號(hào)來計(jì)時(shí)。報(bào)時(shí)電路檢測(cè)計(jì)時(shí)電路的小時(shí)、分鐘，當(dāng)時(shí)間為59分53秒、55秒、57秒時(shí)以500hz的頻率驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，59秒時(shí)以1Khz的頻率驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。時(shí)、分、秒的十位和個(gè)位、星期通過譯碼顯示電路動(dòng)態(tài)顯示。用校時(shí)校分保持電路、校星期電路和清零電路來控制基本計(jì)時(shí)電路。2.2秒表電路原理

脈沖發(fā)生電路為秒表電路提供100hz的頻率以驅(qū)動(dòng)其分秒位。秒表由模100計(jì)數(shù)器和模60計(jì)數(shù)器組成分秒位、秒位和分位。用清零、保持電路來控制秒表電路。

2.3鬧鐘電路原理

脈沖發(fā)生電路提供鬧鐘電路所需的各種頻率。鬧鐘電路由模60計(jì)數(shù)器和模2.4計(jì)數(shù)器組成分位和時(shí)位。

通過鬧鐘里的比較器電路比較設(shè)定的時(shí)間和計(jì)時(shí)電路里的當(dāng)前時(shí)間是否一致來決定是否觸發(fā)音樂電路使得蜂鳴器響。

3數(shù)字時(shí)鐘子模塊的設(shè)計(jì)

3.1基本計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)3.1.1脈沖發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

通過分頻電路將試驗(yàn)箱的48Mhz分成1hz（為基本計(jì)時(shí)電路提供時(shí)鐘），2hz快速校星期、校時(shí)、校分，500hz、1Khz為報(bào)時(shí)電路提供脈沖。

（1）2分頻電路

由D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)2分頻電路仿真結(jié)果：

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（2）3分頻電路

由74160構(gòu)成模3計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)3分頻電路仿真結(jié)果：

（3）8分頻電路2分頻電路進(jìn)行封裝：

由3個(gè)2分頻電路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)8分頻電路

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仿真結(jié)果：

（4）24分頻電路

由3分頻和8分頻電路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)24分頻電路

仿真結(jié)果：

（5）10分頻電路

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由74160構(gòu)成模10計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)10分頻，0、1、2、3、4輸出1,5、6、7、8、9輸出0，實(shí)現(xiàn)1:1的占空比。

卡諾圖為：

所得表達(dá)式為：

仿真結(jié)果：

(6)1000分頻電路

由3個(gè)10分頻的電路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)1000分頻的電路仿真結(jié)果：

輸入周期為20ps輸出周期為20ns，1000分頻，占空比1：1

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（7）脈沖發(fā)生電路

仿真結(jié)果：

由于仿真周期的限制，只用2ps代替48Mhz，圖中讀出1Khz的周期96ns,500hz為192ns。

脈沖發(fā)生電路進(jìn)行封裝：

3.1.2計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)（1）模60計(jì)數(shù)器

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模60計(jì)數(shù)器由兩片74160組成，前面一片為秒或分的個(gè)位，后面一片為秒或分的十位。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。

仿真結(jié)果：

qh、ql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)位脈沖模60計(jì)數(shù)器進(jìn)行封裝：

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（2）模24計(jì)數(shù)器

模24計(jì)數(shù)器由兩片74160組成，前后兩片分別表示個(gè)位和十位。并且通過qh[2]、ql[2]、ql[1]、en相與非完成置數(shù)和進(jìn)位。

仿真結(jié)果：

qh、ql分別表示模24的十位和個(gè)位，在23處有個(gè)進(jìn)位脈沖模24計(jì)數(shù)器進(jìn)行封裝：

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（3）模8計(jì)數(shù)器

模8計(jì)數(shù)器由一片74160組成，用了兩次置數(shù)分別是在0110處置成1000,1000處置成0001。

卡諾圖為：

所得表達(dá)式為：QDQCQB

仿真結(jié)果：

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模8計(jì)數(shù)器進(jìn)行封裝：

（4）星期計(jì)時(shí)器

星期計(jì)時(shí)器由模8計(jì)數(shù)器組成仿真結(jié)果：

xq4、xq3、xq2、xq1分別表示從高位到低位，可以看出圖中有兩個(gè)周期，從0001到0110，再跳到1000，再跳回0001.

（5）報(bào)時(shí)電路

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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同步。

（6）計(jì)時(shí)電路

模60計(jì)數(shù)器分別表示秒位和分位，模24計(jì)數(shù)器表示十位計(jì)數(shù)器

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仿真結(jié)果：

xq、sh、sl、fh、fl、mh、ml分別表示星期、時(shí)十位、時(shí)個(gè)位、分十位、分個(gè)位、秒十位、秒個(gè)位。baoshi表示報(bào)時(shí)信號(hào)。為了能夠看到23:59:59,500hz、1Khz設(shè)為1hz的1倍和2倍，但不影響仿真的結(jié)果?？梢钥闯鲇?jì)時(shí)是正確的，同時(shí)在59分53秒、55秒、57秒為500hz報(bào)時(shí)，59秒為1Khz報(bào)時(shí)。

計(jì)時(shí)電路進(jìn)行封裝：

（7）譯碼顯示電路

8421BCDSLSHMLMHHLHHwe0DIG0DIG1DIG2DIG4DIG1DIG024選4MUX8421BCD顯示譯碼器7447abcdefgDIG2DIG3A2A1A0CLK2計(jì)數(shù)器譯碼器DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7DIG574138DIG6DIG7

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顯示電路由數(shù)據(jù)選擇器74151、譯碼器74138、顯示譯碼器7447、計(jì)數(shù)器和數(shù)碼顯示管組成。由于每一位數(shù)需要四位二進(jìn)制碼來表示，所以需要選用四片74151數(shù)據(jù)選擇器。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示則必需有一個(gè)模7計(jì)數(shù)器，為了便利后面的擴(kuò)展。不妨用模8計(jì)數(shù)器亦不會(huì)影響計(jì)時(shí)電路的顯示。應(yīng)選擇74161作為計(jì)數(shù)器，低三位作為數(shù)據(jù)選擇器和74138譯碼器的輸入。而74138譯碼器輸出接到數(shù)碼管的使能端。74161以1Khz的頻率工作。由于人眼的滯留效應(yīng)，會(huì)覺得8個(gè)數(shù)碼管一直是亮的。以此來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。

譯碼顯示電路進(jìn)行封裝：

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（8）基本計(jì)時(shí)電路的控制電路校時(shí)校分保持電路

校時(shí)校分保持電路進(jìn)行封裝：

清零電路

清零電路進(jìn)行封裝：

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消顫電路

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(hào)，并避免顫抖。消顫開關(guān)組

對(duì)保持開關(guān)、清零開關(guān)、校星期校時(shí)校分開關(guān)進(jìn)行消顫。仿真結(jié)果：

圖中kbaoi、kbaoo分別表示保持開關(guān)的輸入和輸出，可以看出但kbaoi有

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輸入時(shí)，kbaoo就以兩倍周期輸出?？梢?，消顫電路是正確的。其他如kclri、kclro、kfi、kfo、ksi、kso、kxqi、kxqo分別表示清零、校分、校時(shí)、校星期開關(guān)的輸入和輸出。

（9）基本計(jì)時(shí)電路電路圖

仿真結(jié)果：

圖中xqshslfhflmhml分別表示星期、小時(shí)、分鐘、秒，baoshi表示報(bào)時(shí)，可以看出計(jì)時(shí)功能正常，報(bào)時(shí)功能正常。這里的500hz和1Khz也是為了能夠進(jìn)行仿真而設(shè)的，并非真正相對(duì)1hz而言的。不過，這樣的假設(shè)并不影響仿真結(jié)果的正確性。3.2鬧鐘電路的設(shè)計(jì)

3.2.1鬧鐘定時(shí)與計(jì)時(shí)校時(shí)校分復(fù)用電路

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圖中的仿真結(jié)果表示數(shù)字時(shí)鐘的鬧鐘功能正常

圖中的仿真結(jié)果表示校星期和計(jì)時(shí)功能正常

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圖中的仿真結(jié)果表示校時(shí)校分/定時(shí)功能正常

圖中的仿真結(jié)果表示秒表的計(jì)時(shí)和保持功能正常多功能數(shù)字時(shí)鐘的總電路：

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5程序下載、仿真與調(diào)試

編譯好的程序經(jīng)過管腳設(shè)定后即可下載到FPGA芯片進(jìn)行調(diào)試。管教設(shè)定如下：

6試驗(yàn)總結(jié)與感想

6.1試驗(yàn)出現(xiàn)的問題小結(jié)

1.quartusⅡ軟件、VHDL語言去年的暑假我已經(jīng)自學(xué)過了，當(dāng)時(shí)也做過幾個(gè)試驗(yàn)，不過都是電腦仿真，沒有真正下載到試驗(yàn)板上進(jìn)行調(diào)試。EDA試驗(yàn)之前，我用周末的時(shí)間做好了數(shù)字時(shí)鐘的基本計(jì)時(shí)功能，當(dāng)時(shí)數(shù)字鐘已有計(jì)時(shí)功能、整點(diǎn)報(bào)時(shí)和星期顯示，且仿真結(jié)果均正確。但是，周二第一次將程序下到試驗(yàn)箱的時(shí)候。結(jié)果卻是錯(cuò)的，出現(xiàn)不依照正確的順序計(jì)時(shí)。不過，倒是可以通過試驗(yàn)結(jié)果找出可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方。這是讓我覺得收獲很大的經(jīng)驗(yàn)。計(jì)時(shí)時(shí)，數(shù)碼管是可以比較正確顯示數(shù)字的，說明錯(cuò)誤不在顯示模塊。另外，還未進(jìn)行控制就出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以也不會(huì)是控制模塊出問題。最終確定最有可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的模塊是計(jì)數(shù)模塊。查看后發(fā)現(xiàn)問題出現(xiàn)在計(jì)時(shí)電路沒有共用同一個(gè)時(shí)鐘，是異步方式工作的。周一的時(shí)候老師就有提過應(yīng)當(dāng)讓計(jì)時(shí)模塊共用同一個(gè)時(shí)鐘。當(dāng)時(shí)，我的時(shí)鐘已經(jīng)做好，就抱著試一試的想法沒去改動(dòng)。通過這次試驗(yàn)，我覺得做什么事都不應(yīng)當(dāng)有這樣的想法。不過，犯錯(cuò)查錯(cuò)改錯(cuò)確實(shí)讓我覺得此次的試驗(yàn)?zāi)康倪_(dá)到了。查錯(cuò)

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時(shí)我是通過先分后總的想法往下查的，把整個(gè)模塊獨(dú)立出來，引入輸出端，查看仿真結(jié)果。并把計(jì)數(shù)模塊一層一層進(jìn)行修改。最終，基本計(jì)時(shí)模塊正常工作。

2．不過，此次試驗(yàn)我是先將整體方案定好之后才開始往下做的。也就是說，從一開始我就已經(jīng)將基本計(jì)時(shí)模塊、鬧鐘模塊、秒表模塊都規(guī)劃好了。如開關(guān)的復(fù)用、模塊和模塊之間的大致接口。這讓我覺得后面擴(kuò)展功能時(shí)比較簡(jiǎn)單。試驗(yàn)時(shí)看到旁邊的同學(xué)在為開關(guān)復(fù)用問題糾結(jié)，要對(duì)電路進(jìn)行很大規(guī)模的改動(dòng)。通過比較我覺得做一個(gè)項(xiàng)目時(shí)不用考慮到很細(xì)節(jié)的地方，但是你的整體方案應(yīng)當(dāng)有，大致幾個(gè)模塊，怎么控制，留出什么接口作為模塊間的銜接。這樣，就能比較簡(jiǎn)單的在原來正確的電路上進(jìn)行擴(kuò)展新的功能。

3.利用硬件電路實(shí)現(xiàn)音樂功能，我專門去查了一下簡(jiǎn)譜里音調(diào)對(duì)應(yīng)的頻率。發(fā)現(xiàn)音調(diào)的頻率范圍大致在300hz到1500hz之間，硬件電路實(shí)現(xiàn)這一塊倒不是什么難事。本來想做一個(gè)比較簡(jiǎn)單就能實(shí)現(xiàn)各種音樂編輯的模塊，音調(diào)模塊做好了（在clock這個(gè)工程下有yindiao這個(gè)文件，但是并沒有在最終的總電路中用上）。不過，還有個(gè)地方時(shí)硬件電路搭建比較繁雜的地方，那就是節(jié)奏。一首音樂里面的節(jié)奏若要用硬件電路搭建是很繁雜的。最終，考慮到時(shí)間的因素。忽略了對(duì)節(jié)奏的考慮。

6.2試驗(yàn)感想

這次EDA試驗(yàn)是我第一次獨(dú)立完成可編程規(guī)律器件的使用。個(gè)人覺得試驗(yàn)中用原理圖來實(shí)現(xiàn)整個(gè)方案而不是用VHDL，可以讓我們比較簡(jiǎn)單理解可編程規(guī)律器件的工作原理。雖然，后面正在的開發(fā)設(shè)計(jì)工作大部分都是用VHDL（