基于Quartus的多功能数字钟设计

EDA设计（二） 摘要 该实验是利用QuartusII软件设计一个数字钟，进行试验设计和仿真调试，实现了计时，校时，校分，清零，保持和整点报时等多种基本功能，并下载到SmartSOPC实验系统中进行调试和验证。此外还添加了整点报时音乐功能使数字钟功能更加完善 关键字：Quartus 数字钟 多功能 仿真 Abstract This experiment is to design a digital clock which is based on Quartus software and in which many basic functions like time-counting,hour-correcting,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 perfect Key words: Quartus digital-clock multi-function simulate 目录 一 设计要求……………………………………………3 二 工作原理……………………………………………4 三 各模块说明…………………………………………4 1) 分频模块…………………………………………5 2) 计时模块…………………………………………8 3) 动态显示模块…………………………………10 4) 校分与校时模块………………………………11 5) 清零模块………………………………………12 6) 保持模块………………………………………12 7) 报时模块………………………………………12 四 扩展模块…………………………………………13 整点报时音乐………………………………18 五 调试、编程下载…………………………………19 六 实验中出现问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 及解决办法……………………19 七 实验收获与感受…………………………………20 八 附录：数字钟总原理图………………………… 九 参考文献…………………………………………21 1、 设计要求 1. 设计一个数字计时器，可以完成00:00:00到23:59:59的计时功能，并在控制电路的作用下具有保持、清零、快速校时、快速校分、整点报时等基本功能。 2. 具体要求如下： 1) 能进行正常的时、分、秒计时功能，最大计时显示23小时59分59秒。 2) 分别由六个数码管显示时分秒的计时。 3) K1是系统的使能开关，K1=0正常工作，K1=1时钟保持不变。 4) K2是系统的清零开关，K2=0正常工作，K2=1时钟的分、秒全清零。 5) 在数字钟正常工作时可以对数字钟进行快速校时和校分。K3是系统的校分开关，K3=0正常工作K3=1时可以快速校分；K4是系统的校时开关，K4=0正常工作，K4=1时可以快速校时。 3. 设计提高部分要求 1) 时钟具有整点报时功能，当时钟计到59’51”时开始报时，在59’51”,59’53”, 59’55”,59’57” 时报时频率为512Hz,59’59”时报时频率为1KHz。 2) 星期显示：星期显示功能是在数字钟界面显示星期，到计时到24小时时，星期上显示的数据进一位。 3) 闹表设定：通过开关切换显示至闹钟界面，利用闹钟校时和校分开关对闹钟时间进行设定，且不影响数字钟计时。当计时到闹钟设定时间蜂鸣器鸣叫，并响起彩铃。 4) 秒表计时：通过开关切换显示至秒表界面，分秒部分是100进制的，即当值为99时向秒位进位。 4. 仿真与验证 用Quartus软件对设计电路进行功能仿真，并下载到实验板上对其功能进行验证。 2、 工作原理 数字计时器是由计时电路、译码显示电路、脉冲发生电路和控制电路等几部分组成的，控制电路按要求可由校分校时电路、清零电路和保持电路组成。其中，脉冲发生电路将试验箱提供的48Mhz的频率分成电路所需要的频率；计时电路与动态显示电路相连，将时间与星期显示在七段数码管上，并且驱动蜂鸣器整点报时；校时校分电路对时、分、星期提供快速校时；清零电路作用时，系统的分秒时同时归零；保持电路作用时，系统停止计时并保持时间不变。 其原理框图如图所示： 3、 各模块说明 1. 分频模块 分频模块将实验箱提供的48MHZ的频率分频，得到所需的频率。实验中需要1HZ作为时秒、分、时的时钟信号，2HZ作为校分、校时的时钟信号，200HZ、1000HZ作为报时蜂鸣所需频率信号等。我们实现的方法是一个2分频，一个24分频，6个10分频级联。 a）24分频 封装成模块( 波形图： b)1M分频 封装成模块( 2. 计时模块 计时电路包括秒，分，时，星期四个模块，依次进位。其中秒和分的模块类似，都是一个模六十计数器，时模块是一个模24计数器。设计时采用的是同步计数器，它们所接的时钟信号均为1hz。 a）秒计时模块 模60计数器 封装成模块( 波形图： b）时计时模块 模24计数器 计时模块总图： 3. 动态显示模块 此模块是用于数码管的动态显示，在本实验中一共需要6个数码管参与显示（秒2位，分2位，时2位），所以计数器74161设计为模6的循环，其输出既作为4片74151的控制端，又作为3－8译码器74138的控制端。因为只有一片BCD译码器7447，所以当计数器到某一个数值时，四片74151同时选取对应位的一个输入组成计时器某一位的BCD编码接入显示译码器7447，与此同时根据计数器的数值，74138译码器也从七个显示管的使能端选择对应位有效，从而在实验箱上显现一个有效数据。扫描的频率为几千赫兹,因为人眼视觉停留的原因，会感觉七个数码管同时显示。 24选4数据选择器： 封装成模块( 显示模块原理图： 4. 校分与校时模块 a) 校分模块 当K3为0时，校分模块输出的秒计时模块进位信号cos供给分计时模块正常计数；当K3为1时，校分模块输出2hz的脉冲供给分计时模块校分。其中为了防止拨开关时引发的颤动给校分带来影响，在校分模块中加入了消颤的D触发器。其输出送给分计时模块clk b) 校时模块 当K4为0时，校时模块输出分计时模块进位信号com供给时计时模块正常计数；当K4为1时，校时模块输出2hz的脉冲供给时计时模块校分。其中为了防止拨开关时引发的颤动给校时带来影响，在校时模块中加入了消颤的D触发器。 5. 清零模块 通过增加一个开关K2来控制计时电路，开关通过非门接在每个74160的清零端，当开关断开时，计时器正常工作，当开关闭合时，计时器清零。 ， 6. 保持模块 通过开关K1控制秒的使能信号，当秒停止计时，计时器就“保持”了。 将其输出接到74160使能端 7. 报时模块 当电路计时到59分51，53，55，57秒时，分别发出一声较低的蜂鸣声；当计时到59分59秒时，发出一声较高的蜂鸣声。需要在某时刻报时，就将该时刻输出为“1”的信号作为触发信号，选通报时脉冲信号进行报时。 4、 扩展模块 整点报时音乐： 各音调频率：2khz，1khz , 500hz, 250hz, 125hz, 62hz, 31hz, 16hz 各音调分频器： 封装成模块( 波形图： 通过74160计数，74151选择 将各音调频率输出 封装成模块( 时、分全为0时，开始响起音乐，持续1分钟。若将开关拨到1，音乐停止。 整点报时音乐原理图： 5、 调试、编程下载 选择“Processing-start complication”进行全编译，编译通过后要进行管脚分配，选择“Assignments(Pins”，在打开的对话框中的“Location”栏中选择相应的管脚填入，并将未用到的管脚置为三态，最后将程序下载到SmartSOPC实验系统中运行，检验结果是否正确。 6、 试验中出现的问题及解决办法 本次实验中出现遇到了很多问题，主要原因有的是本身思考问题不全面，导致调试时漏洞百出，还有就是设计方法的问题以及作图时不够细致。以下是设计中出现的一些问题及解决方法： a) 分频模块 在设计分频模块的时候，由于没有考虑整体功能实现需要多个不同频率的输出，而只把1HZ作为我们的目标，导致后来用到时又返回去增加输出，导致模块的变动，也给整个工程带来了麻烦。 b) 译码显示问题 在检验计时输出时，发现分的个位显示乱码，经老师指导后才知道原来是输出的四位二进制位的顺序倒了，该软件中数组表示时一般高位在前，即应该是mg[3..0]的形式。 c) 校分校时问题 在一开始调试校分电路时，发现分和时并不在59后归零，而是一直不停的计数下去。经讨论，是因为原先分清零的要求是分和秒的计数值都为59，而在校分的时候，不需要秒位也是59，因此对分的清零信号进行修改，要加入K3的作用，同理，时的清零信号要加入K4的作用。 d) 显示复用问题 本次实验的一个难点就是译码管的复用问题，要在正常计时、闹钟校时及秒计时三种状态下进行切换，经同学指点发现可以用开关控制选择器来达到选择显示界面的效果。 e) 消颤问题 在调试校时模块的时候发现拨动开关时数字显示跳动不正常，经验 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 这是由于开关波动时会产生抖动造成的，所以要给开关加上消颤处理，其原理很简单，就是利用D锁存器的锁存功能。 7、 实验收获和感受 本次试验一方面需要我们掌握数字逻辑电路的知识，另一方面又要适应新的软件QuartusⅡ和试验箱的用法。虽说和电工电子实验的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 基本一样，但用的方法却不一样。上次实验除了理论知识外，还需要相当高的人品，万一哪边没接地或哪个孔差错了可能害你花掉整个小时的时间去查错，而且万一芯片坏了也很麻烦，效率比较低，而且眼花缭乱。而这一次，可以利用软件仿真，观察波形，调试，而且不会发生芯片烧坏的情况。 当然，本次试验中我也遇到不少新的问题。在调试的过程中，我经常会遇到一些错误，但一般错误都是能自己改正的，遇到最多的错误就是输入、输出忘标了，主要还是不够细致造成的。当然也有许多问题是自己不能解决的，这时就要请教老师，或跟同组的商量。首先在做分频的时候感觉很顺利，就是几个计数器，后来发现还是不对，输出就一个频率，不够用，看来还是需要有全局观念；然后在做显示模块的时候耽搁了一下，原因就是显示乱码，是输出二进制位顺序反了；接着是校分和校时，这里面的逻辑关系比较复杂，要考虑的因素也比较多，最后在跟同组同学的商量下把问题解决了；然而，最大的问题还是显示复用问题，刚开始对这个问题是一头雾水，因为以前的数字钟实验需要几个显示就给几个显示管，这一次遇到了切换的问题，我们开始每想到用选择器来控制切换，虽然有结果，但显示任不正常，且无法解决三种界面的切换问题，最终在其他同学的指导下采用选择器解决了问题。 对于本次实验，我体会颇深：作为学生，我们要学好专业知识和技能，这样在用到时才能得心应手；要有自学新知识的能力，对于陌生的东西要根据已掌握的知识来帮助自己尽快了解它；遇到困难时，首先要自己想办法解决，实在行不通时就要像老师和同学请教，此外，同学之间配合默契也是达到目标的关键。 最后，再次感谢我的同组实验人段朝霞，感谢姜萍老师和花汉兵老师！ 八 附录：数字钟总原理图 九 参考文献 [1] 数字逻辑电路与系统设计 蒋立平主编 电子工业出版社 [2] EDA设计实验指导 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 南京理工大学电子技术中心 清零电路 报时电路 译码显示电路 脉冲发生电路 校分校时电路 计时电路 3