多功能數(shù)字鐘.doc

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(guò)的數(shù)字電路、EDA技術(shù)等知識(shí)，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(guò)對(duì)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quartus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(wèn)題及解決辦法25八、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)26參考文獻(xiàn)27致謝281、 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(duì)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(guò)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(lái)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?lái)不太容易，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(lái)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(shí)，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(hào)頻率，消顫電路用的是2Hz的信號(hào)頻率，報(bào)時(shí)電路用到的是500Hz及1KHz的信號(hào)頻率。1KHZ500HZ48MHZ8分頻3分頻2分頻2分頻1000分頻 2HZ1000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(guò)將D觸發(fā)器的和相連，在端即得到一連串的2分頻信號(hào)。（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(guò)74160用置數(shù)法實(shí)現(xiàn)，其輸出端按照0000000100100000的方式循環(huán)計(jì)數(shù)就可以對(duì)其輸入的脈沖進(jìn)行3分頻，輸出信號(hào)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(jí)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(jí)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：00000001001000110100010101100111 11001011101010011000（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(jí)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(hào)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(duì)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(guò)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(hào)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(guò)sg1、sg0、ss1、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(méi)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(huì)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(shuō)明：輸入:1hz為計(jì)時(shí)脈沖,同時(shí)為外部脈沖，用來(lái)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(shuō)明：輸入：qingling,表示輸入清零信號(hào)；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(hào)，并避免顫抖。消顫開關(guān)組：消顫組合封裝圖：管腳說(shuō)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38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(duì)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(guò)數(shù)碼管的使能端選擇對(duì)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(jué)停留，會(huì)感覺(jué)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(duì)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(hào)1作為觸發(fā)信號(hào)，選通報(bào)時(shí)脈沖信號(hào)進(jìn)行報(bào)時(shí)。我們將各時(shí)刻各位對(duì)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(duì)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59:53010110010101001159:55010110010101010159:57010110010101011159:590101100101011001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(wèn)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(lái)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(hào)。（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(guò)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(hào)。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y5.0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(wèn)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(jí)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(guò)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(guò)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(guò)程中，一直認(rèn)為只要將3個(gè)10分頻的計(jì)數(shù)器級(jí)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(jí)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(guò)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(hào)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(jiǎn)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(guò)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(méi)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(guò)程中不知道是哪里除了一點(diǎn)小問(wèn)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(méi)關(guān)系，但是在設(shè)計(jì)秒表的整體電路的時(shí)候，仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)整個(gè)的仿真結(jié)果是錯(cuò)誤的，經(jīng)過(guò)修改，消除了98的脈沖信號(hào)，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(wèn)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，20112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,20083劉艷萍，高振斌，李志軍. EDA 實(shí)用技術(shù)及應(yīng)用M. 國(guó)防工業(yè)出版社，2006 4石悅.多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 20125謝自美.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.華中科技大學(xué)出版社，20066楊頌華，馮毛官.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.西安電子科技大學(xué)出版社，20037周婷婷，EDA設(shè)計(jì)（二）多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)D.南京理工大學(xué)，2011