南京理工大学eda多功能数字钟.docx

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南京理工大学eda多功能数字钟

EDA设计实验报告

多功能数字时钟设计

院系:

电光学院

专业：

通信工程

班级：

10042203

学号：

**********

*****

*******

摘要

该实验利用quartusII软件设计一个多功能数字钟，进行实验设计和仿真调试，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。

此外还添加了秒表功能，使得设计的数字钟功能更加完善。

Abstract

：

ThisexperimentistodesignadigitalclockwhichisbasedonQuartussoftwareandinwhichmanybasicfunctionsliketime-counting,hour-correcting,minute-correcting,reset,timing-holdingandbellingonthehour.Andthenvalidatedthedesignontheexperimentalboard.Inaddition,additionalfunctionslikeresetingthestopwatchmakethisdigitalclockaperfectone.

1.设计要求……………………………………………4

2.工作原理……………………………………………4

3.各模块说明…………………………………………5

1）分频模块…………………………………………7

2）计时模块………………………………………13

3）显示模块………………………………………16

4）校分与校时模块………………………………17

5）清零模块………………………………………18

6）保持模块………………………………………18

7）报时模块………………………………………18

4.扩展模块…………………………………………19

1）秒表模块………………………………………19

5.调试、编程下载…………………………………20

6.实验中出现问题及解决办法……………………21

7.实验收获与感受………………………………22

8.参考文献…………………………………………23

一、实验目的

通过设计一个00时00分00秒～23时59分59秒的多功能计数器,巩固和复习数字电路知识，初步掌握EDA设计的基本思路和方法，并能够较为熟练地使用软件Quartus

7.2的相应功能，为课程设计等相关实验课程打下理论与实践两方面的基础。

二、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59’53”时开始报时，在59’53”,59’55”,59’57”时报时频率为500Hz,59’59”时报时频率为1KHz。

2）秒表功能，通过开关转换，数码管显示进入秒表计时状态。

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。

三、电路设计原理

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，并且驱动蜂鸣器整点报时；校时校分电路对时、分提供快速校时；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。

基本时钟电路的系统框图下图所示：

图1：

基本时钟电路的系统框图

下面叙述各单元电路的功能：

1、时钟信号发生器：

为计时电路提供计数时钟脉冲，需要产生出一个秒脉冲，即振荡频率为1Hz的脉冲信号；为报时电路提供512Hz、1KHz的信号；为校分（时）电路提供1Hz的信号；为闹钟电路提供1KHz的信号。

由于实验板上只能提供频率为48MH的系统时钟信号，所以首先要将系统时钟进行分频才能得到相应频率的时钟信号。

分频器采用多片四位同步二进制计数器74161相连组成模48和模1000的计数器，通过高位输出即实现分频功能。

2、计时电路：

完成00时00分00秒～23时59分59秒的计时功能。

利用多片十进制计数器74160组成模24和模60的计数器，两个模60计数器的输出分别作为秒的个位、十位和分的个位和十位；一个模24计数器的输出作为时的个位和十位。

总共输出6个8421BCD码。

3、译码显示电路：

我们在这里采用七段数码管的动态显示驱动电路。

通过显示译码器7447和译码器74138的作用使计数器的输出端信号在六个LED数码管分别显示时十位、时个位、分十位、分个位、秒十位及秒个位。

显示译码器7447选择七段数码管的7个段码，译码器74138选择数码管的位码，通过1KHz的高频率输入实现动态显示。

总共是六个数码管，我们可以构造模六计数器，通过24选4数据选择器，在一个时间内选择输出秒个、秒时、分个、分时、时个、时十中的一个，如此循环，由于提供的是高频信号源，所以看起来是六个同时显示的。

4、校分电路：

设置一个开关，当开关打到“正常”档时，计数器正常计数；当开关打到“校分”挡时，分计数器可以进行快速校分，即分计时器可以不受秒计数器的进行信号控制，而选通一个频率较快的校分信号进行校分。

引入1Hz的脉冲信号直接在分位计数，然后根据校分开关的不同状态决定送入分计数器的脉冲来源,选择完成正常工作或快速校分功能。

5、校时电路：

和校分电路的原理实现一样。

快速校时信号同样可以是秒进位信号。

6、清零电路：

任意时刻通过开关实现手动清零；实现开机自动清零；显示时间到23时59分59秒时电路自动清零。

7、保持电路：

通过开关控制时、分、秒各位均保持在当前状态，不随输入脉冲信号变化，我们只需要在需要保持的时候将最低位秒信号输入源断开即可进行保持。

8、整点报时电路：

分别在各小时的59分53秒，59分55秒，59分57秒三个时刻报出一个频率为500Hz的低音，在59分59秒报出一个频率为1KHz的高音。

我们只需要将秒个、秒时、分个、分时、时个、时十的输出在要求报警的时刻的“1”电平输出端进行逻辑组合然后和相应的输入频率进行组合，如果没有到这个时间那么逻辑组合输出为零；一旦到了这个将特定的时刻逻辑组合输出为高电平与频率脉冲接入报时电路，分配给蜂鸣器后，即可完成在特定时间报时的功能。

9、安装调整电路，并在实验平台上观察结果，直至达到要求为止。

设计提高要求：

1、秒表电路：

我们可以用模100的计数功能来完成对秒输入信号的统计，具体原理和计时电路相似，只是需要输入一个较高频率的信号源，我们采用100hz的输入。

它和计时电路同时工作，只是显示的时间不同，我们可以设置一个开关来进行显示选择，秒表电路同样具有清零、保持、显示，原理同上。

四、各模块说明

1、分频模块

实验板上振荡源为48MHz，为获得秒脉冲信号和报时电路中需要的音频，需要对该振荡源进行分频处理。

处理的过程示意如下：

【1】2分频电路

2分频电路是通过jk触发器完成的，把jk触发器的jk都接高电平于是构成一个T'电路是Qn=Qn非，于是完成二分频电路。

原理图：

波形图：

【2】3分频电路

3分频电路是通过74160用置数法实现。

其输出端

按照如下方式循环计数时就可以对其输入的脉冲进行3分频，输出信号由

直接引出。

74160置数端为低电平有效，所以将

作为置数信号的输入。

3分频电路图如下：

波形图

封装图为：

【3】8分频

将3个2分频串联实现8分频电路。

8分频电路图如下：

波形图为：

【4】24分频

将一个8分频和一个3分频连接起来组成一个24分频

电路图为：

波形图为：

封装图为：

【5】10分频

模10计数器是由计数器74161来QDQCQBQA=1111时置数

电路图为：

波形图为：

封装图为：

【6】1000分频

是由三个10分频电路连接而成

电路图为：

波形图为：

封装图为：

【7】1khz、500hz、1hz、2hz

原理图为：

电路图为：

波形图为：

（由于48mhz和其他的频率相差较大于是只能看见48mhz而其他的频率为一条直线）

封装图为：

2、计时模块

计时模块包括秒、分、时三个模块，依次进位。

其中秒和分的模块都是一个模60计数器，时模块是一个模24技术区。

计时采用的是同步计数器，它们所用的时钟信号均为１ＨＺ。

【1】秒计时模块

秒钟部分除了要实现自身的59’’置0’’功能以外，还要将这59’’作为进位信号送到分计数器的使能端。

秒钟部分实际上就是一个模60计数器，当输出为59的时候，即输出01011001时，把为1的输出端通过一个四与非门接到两片74160的置数端，即可完成自身的59’’置0’’功能。

另外，将这四个输出端接到分个位的使能端，即可完成59’’向1’的进位功能。

电路图

波形图：

封装图：

【2】分计时模块

分钟部分除了要实现自身的59’置0’功能以外，还要将59’59’’作为进位信号送到时计数器的使能端。

电路图：

波形图：

封装图：

【3】时计时模块

电路图：

波形图：

封装图：

3、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译码器也从六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。

原理图如下：

4、校分与校时模块

【1】校分模块

当K3为0时，校分模块输出1hz的脉冲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。

由于校分的时候无论秒计时模块是否计到59，都能进行校分，故秒计时模块的输出要与开关K3相或才能供给校分模块的使能端。

【3】校时模块

当K4为0时，校时模块输出1hz的脉冲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。

由于校时的时候无论秒和分计时模块是否都计到59，都能进行校时，故秒计时模块的输出要与开关K4相或才能供给校分模块的使能端。

5、清零模块

通过增加一个开关K2来控制计时电路，开关通过非门直接接在每个74160的清零端，当开关断开的时候，计时器正常工作，当开关闭合时，计时器清零。

K2=0CLR=1，K2=1CLR=0

6、保持模块

通过开关K1控制秒的使能信号，当秒停止计时时，计时器就“保持”了。

K1=0，ENT=1；K1=1，ENT=0

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。

设F是报时函数，F1是低音报时函数，F2是高音报时函数。

所有函数为高电平时报时。

则有：

F=59’53’’F1+59’55’’F1+59’57’’F1+59’59’’F2

=59’51’’（2’’F1+4’’F1+6’’F1+8’’F2）

=59’51’’·（2’’F1·4’’F1·8’’F2）

AND4是表示59分，分个位：

1001。

分十位：

0101

AND3是表示51秒，秒个位：

0001.秒十位：

0101

下面AND2分别是加0010、加0100、加1000

原理图如下：

四、扩展模块

秒表电路

秒表可实现当开关K4按下后，数码管显示进入秒表计时状态，秒表后两位为100进制（将1s分成100份，即100Hz），秒表的中间两位为60进制（单位是秒），秒表的最高两位也为60进制（单位是分）则秒表的时钟脉冲不是1Hz，而是100Hz。

除了时钟脉冲不同，秒表计时器也可以仿照计时、清零模块去做，只需将清零，和进位信号稍加改动便可设计出秒表计时器。

其电路图如下图所示:

封装图为：

秒表实现电路的连接和计时电路连接相似，都是采用动态显示，其电路图如下：

五、调试、编程下载

选择“Processing-startcomplication”进行全编译，编译通过后要进行管脚分配，选择“AssignmentsPins”，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。

管脚设置：

五、实验中出现的问题以及解决方法

1.在刚开始建立工程的时候不知道只能建一个工程于是就每个分模块都建立了一个工程，导致以后的工作无法进行，分离在不同的工程里面，于是推倒从新做。

2.在存放的时候不是存放在一个文件夹中二十分离很多文件夹，于是就存在系统找不到的情况，最后把他们放在一个文件夹里。

3.在设置文件夹名时使用了中文，导致编译错误。

于是把文件夹名改为英文。

4.在一个模块设计错误以后没有及时删掉，导致软件对其混淆，编译出错。

于是把错误的删掉或者是放到文档中。

5.在设计分计时时，只考虑其是一个模六十但是忘了考虑他也需要秒的进位，于是导致不进位，于是加入秒进位。

6.在开关开始的时候会产生抖动，于是加了消颤开关，即可显示异常。

六、实验收获感受

1.对Quartus软件应用从完全不懂到能应用其基本功能是要付出很多的。

从电路设计、调试、仿真、封装到下载每一步都需要我们去摸索探究。

经历了很多终于有了结果，也是一件令人欣喜的事情。

2.对基本功能的实现是对我们之前学习的理论的知识的实践，把书本上的东西应用到实际，才发现原来科学是如此的神奇。

也有些书到用时方恨少，应该在理论课上更加的加紧学习，才能更好的应用于实践。

实践也能对以前的知识进行巩固和加深。

3.在原有的基本电路上加了一个附加电路秒表，虽然不是什么很难的电路，但是也颇有成就感，在其中也遇到了很多困难，也感谢帮助过我的老师和同学。

4.在实验中真的遇到很多的困难，虽然我们只有一个下午的时间在哪里做实验，但是其实从我们早上7:

30起床一直到晚上12点甚至有一天熬夜到了凌晨3点都在做这个实验，其中因为各种原因，我从新做了5次。

期间精神上和身体上都有一种药崩溃的感觉，但是不管怎么样我都挺了过来，努力做到最好，最终的结果我还是比较满意的。

从新做的原因大多都因为之前的一点点小错，到后来就酿成了大错而不得不返工，于是深知做工程的人是容不得一点点的马虎的，否则不是自己受苦就是别人被拖累，于是决心以后做事要更加的严谨，为以后打好基础。

七、参考文献

1.《数字逻辑电路》蒋立平南京理工大学出版社

2.《EDA设计实验指导书》南京理工大学电子技术中心