1、EDA設計多功能數字鐘的設計姓名: 學號:同組人：院系：自動化學院指導老師：譚雪琴 蔣萍時間: 2011-50 / 23摘要：此次EDA實驗我們用軟件Quartus和配套的實驗平臺，來設計24小時的數字鐘。在軟件上完成相應電路的搭建及仿真，調試后下載到實驗平臺上進行實際測試。我設計的數字鐘具有24小時計時、校分、校時、整點報時功能。以上的功能都下載到實驗平臺上成功演示出來。我還設計了鬧鐘功能，在仿真時很成功，但后來下載到實驗平臺上有問題。ABSTRACT：During this experiment I learn to use a software named Quartus which i

2、s completely unfamiliar to me. After about four days work I design a digital clock which has the basic functions as counting,resetting hour, resetting minute, ring at each hour. I also design a block which is about setting the alarm. The block is successfully stimulated but has some unknown problems

3、 when down loaded into the platform. I account for this in detail later.關鍵字：多功能數字鐘，校分，校時，整點報時，鬧鐘KEY WORDS: DIGITAL CLOCK, RINGING, ALARM目錄正文11 設計要求說明12 符號說明13 方案論證24 48MHz1Hz 模塊的設計及仿真45 數字鐘時、分、秒為的設計66 24選4和動態顯示模塊的設計及仿真87 整點報時模塊的設計98 模塊的設計及仿真99 鬧鈴模塊的設計和仿真1010 試下載15實驗感想15注解17參考文獻17致謝17正文1. 設計要求說明利用Qua

4、rtusII軟件設計一個數字鐘，并下載到SmartSOPC實驗系統中。本次EDA實驗要求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、整點報時等功能。設計基本要求如下：1) 能進行正常的時、分、秒計時功能；2) 分別由六個數碼管顯示時分秒的計時；3) K1是系統的使能開關（K1=0正常工作，K1=1時鐘保持不變）；4) K2是系統的清零開關（K2=0正常工作，K2=1時鐘的分、秒全清零）；5) K3是系統的校分開關（K3=0正常工作，K3=1時可以快速校分）；6) K4是系統的校時開關（K4=0正常工作，K4=

5、1時可以快速校時）；設計提高部分要求7) 使時鐘具有整點報時功能（當時鐘計到5953”時開始報時，在5953”, 5955”,5957” 時報時頻率為512Hz,5959”時報時頻率為1KHz, ）；8) 鬧表設定功能；9) 自己添加其他功能；2. 符號說明使用符號意義使用符號意義KEY1機械開關K1KEY5設定鬧鈴的分時位KEY2機械開關K2KEY6設定鬧鈴的小時位KEY3機械開關K3KEY7定時、計時切換開關KEY4機械開關K4BEEP蜂鳴器HHD時十位BCD碼DHLD時個位BCD碼DHHC時十位BCD碼CHLC時個位BCD碼CHHB時十位BCD碼BHLB時個位BCD碼BHHA時十位BCD

6、碼AHLA時個位BCD碼AMHD分十位BCD碼DMLD分個位BCD碼DMHC分十位BCD碼CMLC分個位BCD碼CMHB分十位BCD碼BMLB分個位BCD碼BMHA分十位BCD碼AMLA分個位BCD碼ASHD秒十位BCD碼DSLD秒個位BCD碼DSHC秒十位BCD碼CSLC秒個位BCD碼CSHB秒十位BCD碼BSLB秒個位BCD碼BSHA秒十位BCD碼ASLA秒個位BCD碼A3. 方案論證3.1脈沖分頻電路的方案脈沖分頻電路的主要目的是把最初的48MHz的頻率分為1KHz（用于驅動數碼管和蜂鳴器報時用）、512Hz（用于蜂鳴器報時）、2Hz（用于快速校分和校時）和1Hz（用于作秒脈沖）。設計思

7、路：先設計個模48計數器，再設計模1000計數器。模48計數器用兩片74160芯片配若干門電路。模1000計數器用三片74160芯片配以若干門電路。1MHz模48計數器模1000計數器模1000計數器48MHz1KHz1Hz512Hz1KHz2Hz圖148MHz-1Hz原理方框圖方框圖如下3.2 模60計數器的設計方案設計思路：用兩片74160芯片加上少數門電路構成模60計數器，并且把相應的保持、校分、清零功能做上去。Key2（清零）Key1（保持）1Hz秒位BCD碼輸出（8位數據線） 模60秒位 計數器秒位進位信號圖2秒位模塊功能方框圖Key2（校分）Key2（清零）Key1（保持） 模60

8、分位 計數器秒位進位信號分位BCD碼輸出（8位數據線）分位進位信號圖3分位模塊功能方框圖Key4（校時）Key2（清零）Key1（保持）分位進位信號 模24時位 計數器時位BCD碼輸出（8位數據線）圖4時位模塊功能方框圖3.3 報時電路的設計方案使時鐘具有整點報時功能：當時鐘計到5953”時開始報時，在5953”, 5955”,5957” 時報時頻率為512Hz, 5959”時報時頻率為1KHz。表1整點報時邏輯TIMEMHCMHAMLDMLASHDSHCSHBSHASLDSLCSLBSLA5953”1111010100115955”1111010101015957”1111010101115

9、959”111101011010由上表可以看出，Fout=MHC*MHA*MLD*MLA*SHC*SHA*(SLC*SLA+SLB*SLA)*F512Hz+ SLD*SLA*F1KHz3.4 顯示譯碼電路的設計方案顯示譯碼電路由4個81MUX數據選擇器、1個模6分頻器、1個顯示譯碼器7447組成、6個數碼管。考慮到數碼管個數較多，所以采用動態譯碼顯示。 74138譯碼器1KHzA2A1A0A0 模6 計數器數碼管片選信號24選4數據選擇器顯示譯碼器 7447數碼管圖5顯示譯碼模塊功能方框圖3.5 鬧鈴模塊的設計方案設計一個獨立于正常計時模塊外的計時模塊。正常時，顯示時鐘的時間，鬧鈴模塊里鎖存這

10、設定的鬧鈴時間，比較器工作，時刻查詢比較。當時鐘時間和設定的時間相同時比較器給出信號，蜂鳴器響。設計類似校分校時的模塊，設定鬧鐘時間。3.6 整個電路的模塊結構圖6整個電路的模塊方框圖4. 48MHz1Hz模塊的設計及仿真4.1 MOD48計數器由兩個74160計數器構成，搭成如下電路圖。圖7MOD48電路圖圖8MOD48電路圖的仿真結果4.2 MOD1000由三個74160計數器構成，搭成如下電路圖。圖9MOD1000電路圖圖10MOD1000電路圖的仿真結果4.3 MOD48M將上述模塊接連起來，并引出其他有用的頻率。搭建如下電路圖。圖11MOD48M電路圖產生2Hz和512Hz的思想：在

11、最后一個MOD1000計數器的輸出端引QB做為2Hz的信號。把1KHz的頻率經過T觸發器進行分頻，上圖中T觸發器的方程式。5. 數字鐘時、分、秒為的設計5.1 MOD24計數器的設計及仿真模24模塊用于小時位。它要設計保持、校時、清零功能，無需設計進位信號。采用的是74160的清零功能，所以清零信號產生是小時高位出現0110。由于74160本片的進位信號是與1001同時出現的。所以用了D觸發器來延時。保持功能是用74160自身的保持功能ENP輸入端。圖12MOD24計數器電路圖圖13校時與保持電路圖校時功能要把來自開關的校時信號和正常的低位片產生的進位信號整合起來。當KEY4為高電平時，2Hz

12、的校分信號可以通過，分為進位信號MRCO屏蔽；當KEY4為高電平時，2Hz的校分信號被屏蔽，分為進位信號MRCO通過。圖14 MOD24計數器電路圖的仿真圖5.2 MOD60計數器構成秒位的設計及仿真由MOD60模塊設計秒位計數器原理圖及仿真圖如下。其清零信號是當高位出現0110。進位信號是在59時產生的，即出現0101 1001。進位信號經個D觸發器延時后，在整60送出。保持功能同前分析。圖15 MOD60計數器秒位電路圖圖16 MOD60計數器秒位電路圖的仿真5.3 MOD60計數器設計分位計數器原理圖及仿真圖清零、保持功能和校分模塊同前分析。圖17 MOD60計數器分位電路圖圖18 MO

13、D60計數器分位電路圖的仿真6. 24選4和動態顯示模塊的設計及仿真實驗中數碼管的顯示是采用動態驅動顯示的，這樣就設計到了數據的選擇。對引入模塊的1KHz用74160進行6分頻，用來驅動數碼管的片選信號。74160輸出的A2、A1、A0三個信號是8選1選擇器81mux和片選74138的公共輸入信號。圖19 24選4電路圖圖20 24選4電路圖的仿真7. 整點報時模塊的設計分析參見前面的方案論證部分。圖21 整點報時電路圖8. 總模塊的設計及仿真圖22 總的模塊電路圖圖23 總的模塊電路圖的仿真從圖中可以看出，總體的電路是可以正常工作，滿足基本的設計要求：KEY1高電平時數碼保持不變，KEY2高

14、電平時時位分位清零，KEY3高電平時快速校分，KEY4高電平時快速校時。在59分53、55、57秒均有512Hz的脈沖輸出，在59分59秒有1KHz的高頻脈沖輸出。9. 鬧鈴模塊的設計和仿真設計思路：鬧鈴模塊是獨立于上述數字鐘的另一個數字鐘，即設計另一個不帶秒位的時鐘。由于實驗板上總共有8個LED數碼管，所以顯示采用復用方式：正常顯示為時鐘時間，切換后顯示定時時間。這里起切換作用的由開關KEY5充當。當KEY7為低電平時：顯示時鐘時間；鬧鐘定時的時位、分位輸出保持；4片8位數值比較器工作。當KEY7為高電平時：顯示鬧鐘設定的時間，并且只有在此時才能設定鬧鐘，時鐘正常計時，只是不顯示。鬧鈴模塊的

15、總體圖如下：圖24 鬧鈴電路圖表2模塊中使用的符號說明符號意義符號意義HHAT數字鐘小時十位HHD鬧鐘定時小時十位HHBT數字鐘小時十位HHC鬧鐘定時小時十位HHCT數字鐘小時十位HHB鬧鐘定時小時十位HHDT數字鐘小時十位HHA鬧鐘定時小時十位HLAT數字鐘小時個位HLD鬧鐘定時小時個位HLBT數字鐘小時個位HLC鬧鐘定時小時個位HLCT數字鐘小時個位HLB鬧鐘定時小時個位HLDT數字鐘小時個位HLA鬧鐘定時小時個位MHAT數字鐘分鐘十位MHA鬧鐘定時分位十位MHBT數字鐘分鐘十位MHB鬧鐘定時分位十位MHCT數字鐘分鐘十位MHC鬧鐘定時分位十位MHDT數字鐘分鐘十位MHD鬧鐘定時分位十位M

16、LAT數字鐘分鐘個位MLA鬧鐘定時分位個位MLBT數字鐘分鐘個位MLB鬧鐘定時分位個位MLCT數字鐘分鐘個位MLC鬧鐘定時分位個位MLDT數字鐘分鐘個位MLD鬧鐘定時分位個位用4片8位比較器7485構成的比較電路如下：圖25 鬧鈴電路圖中的32位比較器分析其功能：COMPARE是與KEY7進過反相器相接的。當KEY7為高電平時，COMPARE為低電平，這樣第一片7485三個級聯輸入端ALBI,AEBI,AGBI都為低電平，輸出ALBO,AEBO,AGBO也都為低，如此下去，整個比較器都不工作，最后的輸出E3也為0；當KEY7為低電平時，COMPARE為高電平，這樣第一片7485三個級聯輸入端A

17、EBI為高電平，輸出ALBO,AEBO,AGBO則根據小時的高位來比較輸出：設定的鬧鈴時間，其小時的高位比實際的時間小時高位小或大，第一片7485輸出的E0為0，后面幾片E1、E2、E3都為0；若設定鬧鈴時間，其小時的高位比實際的時間小時高位相等，第一片7485輸出的E0為1，后面幾片的分析類似上面。圖26 鬧鈴電路圖中的比較結果輸出電路當比較器輸出“相等”信號，即E3=1時，上面的電路開始工作。該電路的主要功能是當鬧鈴時間到時，輸出頻率有變化的蜂鳴信號。電路簡單，就不再贅述了。圖27 鬧鈴電路圖中的輸入量上圖是對輸入該模塊的幾個信號的說明：該模塊用到2Hz，512Hz，1KHz，KEY5,K

18、EY6,KEY7。圖28 鬧鈴電路圖中的計時器由于該模塊這涉及顯示和比較，不用把時位和分位連接，故沒有進位信號。圖29 鬧鈴電路圖生成的電路單元這是鬧鈴模塊生成的模塊圖，用到很多的輸入和輸出。圖30 鬧鈴電路圖的仿真結果由圖可見：在KEY7為低電平時，設定時間的信號KEY5是不起作用的，而比較器工作，蜂鳴器有輸出。在KEY7為高電平時，KEY5設定分位，KEY6設定時位，比較器不工作，E3輸出0。切換顯示圖31 鬧鈴模塊與正常電路的切換開關切換顯示電路用簡單的邏輯門搭建。KEY7為1時，顯示鬧鈴設定的時間，KEY7為0時，顯示數字鐘的時間。圖32 切換開關陣列由類似門電路搭建的龐大的切換模塊。

19、由于鬧鈴中沒有設置秒位，所以把鬧鈴中的秒位都設為零。見下圖：圖33 鬧鈴模塊中秒位接零示意圖10. 調試下載將電路調試好后，分配管腳，實驗平臺通上電，下載到實驗平臺上。【1】實驗感想1. 實驗過程中遇到的問題及解決問題的方法1.1模60計數器的進位與清零模60計數器使用兩片74160組成。74160是異步8421BCD碼計數器，實驗中用的是異步清零法獲得模60的計數器。清零條件是高位為0110。剛開始我簡單的結成如下的邏輯電路，并且模60計數器低位片向高位片的進位信號直接由低為片的RCO充當。但仿真結果卻是圖34的結果。從圖中可以看出幾個問題：一是低位片為8時，即第九個脈的上升沿到來時，高位及

20、有進位輸入，產生48跳到59在回到50的錯誤現象；另一個是模60計數器最大值到58就會到00狀態；還有錯誤的模60進位信號產生。圖34 進位信號產生示意圖圖35 進位信號產生仿真結果我分析問題可能在74160的進位信號RCO的問題。所以我把74160的單個的時序圖仿真出來：發現在第九個脈沖到來時同時發出了進位信號。如此我就想是不是可以用以個用一個D觸發器，使得進位信號經過D觸發器延時一個時鐘周期。D觸發器接法如圖，CLK是與74160公用的時鐘脈沖。圖36 74160的進位信號RCO仿真 圖37 D觸發器接入及進位信號RCO仿真從而上述問題便解決了。圖38 D觸發器接入后進位信號產生仿真結果1.2機械開關的去抖動將調試好的文件下載到SmartSOPC實驗系統中可編程邏輯器件上，它能正常工作，有校分、校時、保持和清零。但是在撥動開關校分、校時，數碼管數字有跳動。認為是機械開關抖動引起的干擾。設計消顫開關。【2】圖39 D觸發器用于去抖動電路接入消顫開關后，撥動開關校分、校時，數碼管數字穩定，沒