基于EDA技术的数字电子时钟设计论文

术实现 的数字电子钟设计 摘要 电子设计自动化 以下简称 术已经代替传统的集成电路设计方法，逐渐成为电子系统设计者的主要设计手段。 是 有功能强大、界面友好和使用方便等特点，是目前教育与工业界流行的集成电路辅助设计软件。 是一种在电子技术工程与电子技术教学中广泛应用的优秀计算机仿真软件，被誉为“计算机里的电子实验室”。本文介绍了一种基于 软件设计数字电子钟的方法。 关键 词 软件 数字电子钟 目 录 引言 1 第一章 论 2 术概述 2 数字电路课程设计中的必要性 2 概述 3 计电 子钟的可行性分析 3 第二章 设计依据 4 计总体方案 4 计原理 4 计目标和方法 4 第三章 子钟系统设计 5 子钟的功能分析、总体 规划 5 子钟功能分析 5 体规划 5 用 作为数字电子钟设计平台 5 软件仿真特点 5 介绍 6 元电路设计与分析 6 英晶体振荡器 6 频电路 7 、分计数电路 8 计数电路 9 时电路 10 点报时电路 10 时闹钟 12 第四章 电子钟仿真结果 15 电子钟基本功能仿真结果 15 电子钟扩展功能仿真结果 15 电子钟整体仿真结果 15 结束语 17 参考文献 18 1 引 言 随着计算机在国内的逐渐普及， 计算机已经深入到每一个行业，计算机与每个工作领域紧密地联系在了一起。使用计算机可以大大提高工作效率。电子技术作为信息化社会的重要技术基石，已经成为 20世纪下半叶乃至 21世纪发展最迅速、最活跃、最具有渗透力的技术。实现信息化的网络及其关键 部件不管是各种计算机还是通讯电子设备，它们的基础都是集成电路。集成电路技术发展至今，全世界数以万亿美元计的设备和科技投入，已使电子技术形成非常强大的产业能力。电子技术水平发展如此迅速，在于它具有极大的市场应用需求。科学技术发展到今天，衡量许多电子产品技术含量高低在很大程度上取决于电子技术的引入水平。然而，孤立地发展电子技术是没有出路的，它必须同各种生产实践相结合，以社会需求为动力。 随着计算机新技术的发展以及电子系统设计新需求的上升，技术竞争需要的是对新器件应用的需求，集成电路专业设计人员需要的是贯穿电子设 计过程始终的最小人工花销、最强的自动化设计手段。正是在这种强烈的技术要求推动下，产生了电子设计自动化技术， 合了应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子设计通用工具软件，本文就是介绍一种 2 第一章 述 术概论 电子产品 随着技术的进步，更新换代速度可谓日新月异。不同行业层出不穷的技术需求，使得对配套电子系统或部件的功能、可靠性、集成度、成本、设计周期的要求日益提高。随着时间的推移，科学研究与技术开发行为日益市场化，而远非纯粹的学术行为，这要求设计工作必须在较短的时间内出色完成，技术人员感到工作压力越来越大。显然，采用传统的电子设计手段完成复杂电子系统设计显得越来越力不从心了，传统的电子设计与现实手段受到极大的挑战。 如果在激烈的技术产品竞争中仍沿用老办法，很可能在激烈的竞争中处于被动落后的境地，例如，当设计比较复杂的电子系 统时，要等到做完全部硬件试验才开始设计印制电路板，这样，设计周期必然会相应拉长，即使设计出印制电路板来，也很难保证它的电气连接全部正确、各个元器件参数合理以及完善的电磁兼容性能，如果需要设计实现的数字电路部份规模较大，仍习惯地利用中、小规模数字集成芯片实现，电路的集成度和可靠性在许多应用场合会受到很大限制，甚至根本无法满足需求。作为电路主体的器件，特别是集成电路器件功能越来越强大，集成度越来越高，传统设计方式已难以胜任。 文全称 术是以计算机为工作平台，以 硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以芯片为目标器件，以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。 量和效益的需要。目前，电子产品开发领域的竞争十分激烈，其产品的市场周期越来越短，这意味着电子产品的设计开发周期必须大大缩短，没有高效率的设计手段是无法参与市场竞争的。 设计效率远远高于人工设计，而且可按照事先规定的设计规则随时进行检查，及时提醒 设计者出现的设计失误，设计质量得到保障，这自然会缩短周期、降低成本、提升竞争力，从而最大限度地提高经济效益。 集了计算机图形学、拓扑逻辑学、微电子工艺与结构等多种学科的先进技术，它是在计算机工作平台产生的电子系统设计应用技术。 成电路和电子系统设计的发展，经历了计算机辅助设计 算机辅助工程设计 个发展过程。 算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动 设计。 件在电子行业的应用也越来越广泛，但和发达国家相比，我国的电子设计水平仍然存在着相当大的差距， 随着经济全球化， 中国已走 入 着加入 子行业将会受到较大的冲击 。但我国 许多从事电子设计工作的人员对 因此需 提高电子设计在电脑方面应用的水平。 数字电路课程设计中的必要性 数字电路课程设计是数字电路设计型实验中的重要部分，它要求运用电子技术课程中有关的理论知识和实验方法，完成一些综合性较强的设计课题。由于目前在数字电路实验教学中，大部分院校仍然用中小规模 的通用集成电路来实现设计功能，当设计的数字电子钟系统比较复杂，需要多个集成芯片和大量连线时，就增加了设计电路板的难度和故障调试难度，延长了设计周期，降低了学生的学习兴趣；同时，常用中小规模集成芯片的大量重复使用也大大增加了设计成本。因此，在数字电路课程设计中引入 术，采用当前国际先进的设计方法和理念，改革传统的课程设计方法，已经成为一种趋势。 在学校电子技术实验的课程教学中，最让实验老师感到头痛的有两个方面：一是由于电路的连接、电子元件的损坏或仪器毛病，为了查找这些问题，使得一个实验在相对短暂的时 3 间内 难以完成；二是仪器坏了要修理，元件坏了要拆换，连接导线、电缆线损坏也要调换等等。这些不仅大大增加了实验的开支，同是实验室的管理也非常困难。 应用 拟的电子实验平台，让学生坐在计算机旁进行各种电子线路的仿真实验与在实验室使用真实的仪器、进行电子线路实验，具有同样的感受和更具有真实的实验效果。学生可以在虚拟的元器件库中拿取元器件；可以在虚拟的仪器库中拿取仪器与仪表；同样可以用导线与电缆连接电路；可以选择器件的参数，可以对电路进行调试、分析；可以在示波器的显示屏上观测到所测电压、电流的波形，可以通过仪表读取 被测参数的值，这一切都非常逼真。做仿真实验一般不会损坏仪器，不会烧坏仪器（除非把计算机损坏）。只要按照规定的方法进行实验，都能够达到预期的实验目的。可见，用 件进行仿真电子实验的确可以达到事半功倍的效果。 所以在数字电路课程设计中学习 概述 合了应用电子技 术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子设计通用工具软件，主要能进行三方面的辅助设计工作： （ 1）： 计 （ 2）： 成电路）设计 （ 3）：电子系统设计（ 没有 要完成超大规模集成电路的设计是很难想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对 由于集成电路制造技术日新月异 ,电路的设计日趋复杂。为了能在电路实现之前 ,完全掌握操作环境因素 (如电源电压、温度等 )对电路的影响 ,利用电脑辅助设计进行电路模拟与分析 ,并进行输入与输出信号响应的验证 ,可有效地节省产品开发的时间与成本。 软件是专门用于电子电路仿真的“虚拟电子工 作台”软件，它是目前全球最直观、最高效的 件。它的功能强大，能够提供电阻、电容、三极管、集成电路等数十大类几千种元件，能够提供示波器、万用表等十几种常用的电子仪器；具有强大的电路图绘制功能，可绘制出符合标准的电子图纸；它还具有强大的波形显示功能，并且结果可轻松放入各类文档。用该软件进行设计、分析非常方便。本文在 基础上设计电子时钟，是由数字集成电路构成、用数码管显示的一种现代计时器，与传统机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此广泛使用。 是 美国加州 司推出的专门用于电子线路仿真实验与设计的“虚拟电子工作平台”。 是一种在电子技术工程与电子技术教学中广泛应用的优秀计算机仿真软件， 被公认为是最易使用，人机界面最友善的 数字系统 开发软件，特别适合初学者使用。 设计电子钟的可行性分析 选用 软件，以计算机作为载体。通过使用 软件，设计实现一个数字电子钟。并使数字钟具有校时、校分、校秒及整点报时功能。掌握使用 软件完成基本电路的设计。 设计数字电子钟的条件具备，设计 是可行的 。 4 第二章 设计依据 计总体方案 多功能数字钟电路的设计总体方案框图 (如图 2示 )，由控制电路、两个 60 进制计数器、一个 12进制计数器、译码器、显示器和扬声器组成。控制电路控制计数器计时和扬声器报时。计数器对秒、分、小时进行计时 ,当计时到 11 时 59 分 59 秒时 ,来一个计数脉冲 ,则计数器清零，重新开始计时。译码器将计数器输出的 计时结果转换成十进制送到显示器。显示器显示时、分、秒计时结果。 图 2总体方案框图 计原理 数字电子钟由振荡器、分频器、 计数器、译码显示器、报时等电路组成。其中振荡器和分频器组成标准秒信号发生器，由不同进制的计数器、译码器和显示器组成计时系统。秒信号送入计数器进行计数，把累加的结果以时、分、秒的数字显示出来。时显示由12 进制计数器、译码器、显示器构成。分、秒显示分别由 60进制计数器、译码器、显示器构成。可进行整点报时，计时出现误差时，可以用校时电路校时、校分。 设计目标和方法 软件作为电子钟设计工作平台，以数字电路为设计电子钟的理论基础，按照“自顶向下”的 层次化设计方法设计 该电路 ，对整个系统进行方案设计和功能划分，系统的关键电路用一片或几片专用集成电路实现，应用 软件进行数字电路的设计与仿真。 5 第三章 子钟系统设计 子钟功能分析、总体规划 子钟功能分析 1：电子钟基本功能设计目标 数字钟能进行正常的时、分、秒计时 ,小时计时要求为 12进制循环 ,分和秒计时要求为 60进制循环 。 2：电子钟扩展功能设计目标 整点报时： 要求逢整点报时 ,在 59 59即到整点时 ,扬声器发出最后一声整点报时。 校时：校正时间， 能够通过手动按键来调整时间，实现校时功能，具有闹钟功能。 体规划 数字电子钟主 干电路系统由秒信号发生器、 “ 时、分、秒 ” 计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用石英晶体振荡器 和 分频器来实现。将标准秒信号送入 “ 秒计数器 ” ， “ 秒计数器 ” 采用 60 进制计数器，每累计 60 秒发 出 一个 “ 分脉冲 ” 信号，该信号将作为 “ 分计数器 ” 的时钟脉冲。 “ 分计数器 ” 也采用 60进制计数器，每累计 60分钟，发出一个 “ 时脉冲 ”信号，该信号将被送到 “ 时计数 器 ” 。 “ 时计数器 ” 采用 12 进制计时器，可实现 12 小时的累计。通过六 个 示器显示出来。整点报时电路根据计时系统的输出状态产生一脉冲信号，然后去触发一音频发生器实现报时。校时电路用来对 “ 时 ” 、 “ 分 ” 、 “ 秒 ” 显示数字进行校对调整 。 电子钟系统总体规划如图 3 图 3电子钟系统总体规划 用 作为数字电子钟设计平台 是针对数字电路的一个应用软件 。 它 的特点 是 :无需画电路图 ,而 是 用编写代码的形式来描术电路的功能 真 ， 若满足技术要求 ,即可下载到 仿真软件的特点 1： 多平台系统 ： 的设计输入 ,处理与校验功能一起提供了全集成化的可编程开发工具 ， 可以加快动态调试 ,缩短开发周期 。 6 2： 开放的界面 : 可与其他工业标准的设计输入 ,综合和校验工具链接 及其他的网表接口 ,便于与许多公司的 具接口 ,包括公司提供的 3： 模块组合式工具软件 : 具有一个完整的可编程逻辑设计环境 ,包括设计输入 ,设计处理 ,设计校验和下载编程四个模块 。 4： 与结构无关 : 支持 可编程器件系列 ,提供工业界中唯一真正与结构无关的可编程逻辑设计环境 。 5： 硬件描述语言 : 支持各种 包括 并且都已成为 准 。 他们 作为描述硬件电路设计的语言 ,其共同 的特点 在于 :语言覆盖面广 ,描述能力强 ,能支持硬件的设计 ,验证 ,综合和测试 。 绍 1：本文使用的 面如图 3 图 3 使用 学、易用、真实、准确、快捷、方便、在以往进行电子线路设计时，最初的设计电路往往是不可能一次达到设计要求，而需要经过反复多次仿真、测试，才能符合设计要求。这样既费时费力，又增加了产品的成本。此外，因受工作 场所、仪器设备等因素的限制，许多实验难以进行。利用 虚拟的仪器库中随意选择需要的仪器设备，在虚拟的试验平台上进行实验，以使设计电路最终达到最佳设计要求。 元电路设计与分析 英晶体振荡器 振荡器是计时器的核心 ,石英晶体振荡器的作用是用来稳定频率和选择频率。它的稳定度和精度决定了计时器的准确度。 7 频电路 主要功能有 2 个，一是产生标准秒脉冲信号；二是可提供整点报时所需要的高、低频率信号。 使用 电路图，如图 3 图 3分频电路 分频电路选用 4片计数器 7490 实现， 7490芯片引脚图，如图 3 图 37490芯片引脚图 7490 芯片功能，如表 3 表 37490芯片功能表 输入端 输出端 1） 2） 1） 2） 1 0 X 0 0 0 0 1 1 X 0 0 0 0 0 X X 1 1 1 0 0 1 X 0 X 0 计数 0 X 0 X 计数 8 0 X X 0 计数 X 0 0 X 计数 其中 1）、 2）、 1）、 2）为输入端， 输出端。 脉冲输入端， 电源， 接地端， 空脚。 0 代表低电位， 1 代表高电位， 7490 具有如下 几 种基本工作方式： A：十分频（ 8421码）：将 构成 8421码十分频电路。 B：六分频在十分频（ 8421 码）的基础上，将 (0)1， (0)2。其计数顺序为 000 101，当第六个脉冲作用后，出现状态 10，利用 1反馈到 R(0)1和 R(0)2的方式使电路置 “0” 。 C：九分频： 91、 92，构成 九 分频。 D：十分频（ 5421码） ： 将五进制计数器的输出端 可构成 5421码十分频工作方式。 将输出 成 8421 将输出 成5421计数器 。在 构成十分频时， 1） 、 2） 端必须有一端接地。 、分计数电路 秒信号发生器是数字电子 钟 的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器产生的脉冲 。 秒、分计数电路为 60进制 ,由 2片 74290四位二进制计数器组成。74290具有异步清零的功能，第一片构成十进制计数器，第二片构成六进制。在第一片计数器中，当第 10 个脉冲到来时，它的输出状态为“ 1010”， 高电平。因为 74290 异步清零端为高电平清零，所以 别接到清零端 构成十进制。第二片为六进制，当第一片清零的同时给第二片的 个脉冲到来时，第二片的 它们连接到计数器的清零端，在清零的同时给上一级进位。从而构成 60进制计数器 。分别把秒十位、个位输出端接到译码显示器，当电路运行后 ,计数器便开始从 0059 计数，显示器就会显示相应的数码。 使用 分电路图，如图 3 图 3秒 /分计数电路 9 由 2片 74290四位二进制计数器组成秒 /分计数电路， 74290芯片引脚图，如图 3 图 374290芯片引脚图 74290 功能表，如表 3 表 34290 芯片功能表 复位输入 置位输入 时钟 输出 ) ) ) ) D B 1 0 X X 0 0 0 0 1 1 X 0 X 0 0 0 0 X X 1 1 X 1 0 0 1 0 X 0 X 数 0 X X 0 数 X 0 0 X 数 X 0 X 0 数 其中 )、 )为复位输入端， )、 )为置位输入端， 脉冲输入端， 接地端， 异步清零：当复位输入端 )= )=1，且置位输入 )或 )为零 时，不论有无时钟脉冲 数器输出将被直接置零。 异步置数：当置位输入 )= )时，无论其它输入状态如何，计数器输出将直接置 9（即 001）。 计数 :当 )或 )，且 )或 )时，在计数脉冲（下降）作用下，进行计数。 计数电路 时计数电路为 12 进制，由 2 片 74290、与门组成。由与门送出一高电平清零信号， 2 片74290同时清零，电路构成十二进制。 使用 图 3 10 图 3计数电路 时电路 校时电路当刚接通电源或计时出现误差时，需要对时间进行校正。如图 3示，由 H,M 分别为时校正、分校正开关。不校正时， H， M 开关是闭合的。当校正时、分位时，打开 H， M 开关 ,然后拨动 K 开关，来回拨动一次，就会使时、分位增加1，校正完毕后把 H， 可完成时间的校正。 图 3时电路 整点报时电路 整点报时电路 使用四片 4078芯片，和三个与门，在时钟的分、秒都为 “0” 时，即整点，则开始报时。 当计数到 59分时，完成整点报时。 使用 图 3 11 图 3点报时电路图 4078 芯片引脚图，如图 3示： 图 34078芯片引脚图 4078 功能表，如表 3表 3078 芯片功能表 输 入 端 输出端 1 3 5 7 0 0 0 0 0 0 0 1 1 X X X X X X X 0 X 1 X X X X X X 0 X X 1 X X X X X 0 X X X 1 X X X X 0 X X X X 1 X X X 0 X X X X X 1 X X 0 X X X X X X 1 X 0 X X X X X X X 1 0 12 其中 时闹钟 闹钟由可调时、分显示器， 4个 74290芯片， 3个 4077芯片和两个 7421芯片的电路构成时钟的多功能部分。其中，四个 74290和四个显示器构成定时闹钟的显示部分（调时部分可以由开关 3、 4直接控制电路与振荡器的连接来实现）； 4077芯片的作用是比较实际时钟部分与闹钟部分的输出数据是否一致，再由两个 7421芯片校验作最后校验，当全部输出对比为真时，则发光二极管亮起来，实现定时闹钟功能。 使用 图 3 3闹钟电路图 闹钟由 4 个 74290 芯片， 3 个 4077 芯片和两个 7421 芯片的电路构成， 4077 芯片引脚图，如图 3 13 图 34077芯片引脚图 4077 芯片功能表，如表 3示： 表 34077芯片功能表 输 入 输 出 n L H L H L H L L H H H 4077为 四 2输入端异或非门 ， 其中 输入端， 输出 端， 7421 芯片引脚图，如图 3示： 图 37421芯片引脚图 14 7421 功能表，如表 3示： 表 37421芯片功能表 输 入 端 输出端 A B C D Y 1 1 1 1 1 0 X X X 0 X 0 X X 0 X X 0 X 0 X X X 0 0 7421 芯片为 双 4 输入与门 ，其中 1A、 1B、 1C、 1D， 2A、 2B、 2C、 2D 为输入端， 1Y、 2Y 为输出端，电源， 接地端， 空脚。 15 第四章 子钟仿真结果 子钟基本功能仿真结果 首先，由石英晶体振荡器输出稳定的脉冲信号，经过振荡器输出标准的秒脉冲信号，秒计数电路为六十进制计数器，秒计数电路将振荡器产生的秒脉冲信号作为输入信号，进行计数，并通过秒显示器显示秒；其次，当 秒计数器完成 60个秒计数后，秒计时电路清零，输出一个“分计时信号”，分计时电路收到秒计时电路产生的信号后，开始计数并显示分；再次，当分计时电路完成 60个分计数后，分计数器清零，输出一个“时计时信号”，时计时电路收到分计时电路产生的信号后，开始计数并显示时；最后，时计时电路完成 12个时计数后，清零。 完成电子钟基本功能仿真结果。 子钟扩展功能仿真结果 当电子时钟在 59 59即到整点时，开始报时。需要调整时间时，由电路图中的开关 1和 2 控制电路接通与断开，实现调时调分。需要闹钟时，由电路 图中的开关 3 和 4 控制电路的接通与断开，调整闹钟的时间，并显示。 4077芯片检验时钟部分与闹钟部分的输出数据是否一致，再由两个 7421芯片校验作最后校验，当全部输出对比为真时，则发光二极管亮起来，实现定时闹钟功能。 子钟整体仿真结果 使用 实现了数字电子钟的基本功能和扩展功能，完成 用 真的数字电子钟电路图，如图 4 16 图 4数字电子钟 17 结束语 随着电子设计自动化技术的普及，利用 不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，从而激发学生的学习兴趣，还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本，提高设计效率。因此，将 术应用于数字电路课程设计必将成为今后数字电路实验课程改革的新动向。 件，可方便地在计算机上进行电路设计、仿真，其电路结构及设计观念可以很容易地被修正；也可方便地更换所需要的元件。通过模拟可快速地反映出所设计电路的