EDA报告数字钟.doc

EDA设计()实验报告EDA设计()实验报告多功能数字钟 学 校：南京理工大学院 系：自动化学院 作 者: 学号: 07102102 同 组: 学号: 07102102指导教师：蒋立平时 间：2010.5目 录 内容摘要.第4页一、引言 .第6页 二、实验目的.第6页三、实验要求 .第6页 四、方案论证 .第7页 五、各子模块设计 .第8页 1、分频器模块.第9页 2、计时模块.第11页 3、星期模块.第14页4、秒表模块.第14页5、闹钟模块.第16页 6、显示模块.第17页7、整点报时模块.第18页8、彩铃模块.第19页9、多功能切换键模块.第20页 10、24/12小时切换模块.第20页 六、整体电路功能综述.第22页 七、实验中的问题及解决方法.第24页 八、实验的收获与感受.第25页 九、实验的不足与期望.第26页 十、参考文献.第29页 中文摘要摘要本实验是在学习过电子线路和数字逻辑电路课程后，利用QuartusII软件，结合所学知识设计一个24时多功能数字钟，具有正常时、分、秒计时，动态显示，保持、清零、快速校时校分、整点报时、闹钟功能及丰富多样的附加功能。文章分析了整个电路的工作原理，还分别说明了各子模块的设计原理和调试、仿真、编程下载的过程，并对最终结果进行总结，最后提出了在实验过程中出现的问题和解决的方案。通过实验加深了对数字电路的理解，掌握了一些逻辑组合器件的基本功能和用法，同时体会到了利用软件设计电路的方便快捷，避免了硬件布线的繁琐，提高了效率。关键词 数字逻辑电路 多功能数字钟 QuartusII 软件设计 外文摘要Title DIGITAL CLOCK DESIGN REPORTAbstractUsing the QuartusII, we design a digital clock of 24 hours with learning electric circuit knowledge. The circuit can keep the time, display， reset, adjust the minute and hour, ring the time in the round number time and alarm clock.The paper has analyzed the principle of all work and explained the designing principle of different parts separately. By debugging, simulating, compiling, programming, I put forward a matter and give a settling plan. I know about the basic functions and using method of some electric pieces in this experiment. At the same time, I realized the convenience of making use of the software to carry on the electric circuit, which is fast, avoided the hardware cloth line tedious, and raised the efficiency. Keywords electric circuit，multifunctional digital clock ， QuartusII，software design一、引言在学习过电子线路和数字逻辑电路课程后，学生们对电路设计有了一定了解，并在做过电工电子综合实验后，已经体会到传统硬件电路在设计上存在连线麻烦，出错率高且不易修改，很难控制成本的缺点。而软件电路设计连线方便，修改容易；电路结构清楚，功能一目了然；软件内部提供有丰富的元件库；节省实验时间，故障率低，出错时，有错误提示，明显提高了效率。 本次实验就利用QuartusII软件设计一个多功能电子数字钟，并下载到CPLD实验系统中。初步了解并体验利用软件设计电路的过程及优点，并下载到可编程逻辑器件中完成实验。二、实验目的通过设计一个多功能电子数字钟, 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 II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。三、实验要求1. 能进行正常的时，分，秒计时功能。完成一天二十四小时的计时；2. 提供八个数码管动态显示时，分，秒；3. 对于时钟要提供校正功能，能对于分、时分别提供校正。4清零功能，按下清零开关，所有显示管清零。5.时钟具有整点报时功能，当时钟计到每个小时5955”时开始报时，在5955”,5957” 时发出低音, 5959”时发出高音；附加功能：1 秒表功能：分、秒、毫秒计时，提供清零、保持/继续功能。2 闹钟功能：可以根据需要自己设定闹钟的闹时时间（精确到分），响铃一分钟。3 闪烁功能：在闹铃的一分钟过程中，显示界面八位数码管以制定频率一次熄灭，出现闪烁效果。 4. 彩铃功能：以不同频率不同间隔时间发出一个声音序列。5. 24小时/12小时切换：能将1天的时间进行24时同12时（AM/PM）的自由转换，提供切换键。6.星期功能：在8位数码管上的最后一位动态显示星期一到星期日，提供设置功能。7. 多功能键功能：提供一个按键，控制所有功能，按一次该按键，切换一个功能。四、方案论证按照上述基本功能及附加功能，本次电子数字时钟实验，基本核心功能是计时模块，此功能通过两个模60计数器及一个模24计数器级联即可以实现，由于实验台仅提供48MHZ信号，所以我们首先要通过分频器实现分频，生成1HZ信号。由于还设计了闹钟，秒表功能，所以共有3套显示界面，还涉及到动态显示界面的切换问题，上述问题将在各模块论述中详细介绍，整体电路图如下：通过上面的整体电路图可以清晰的看出数字电子钟的工作原理，每一显示界面的功能模块连接一个显示模块，最后由一个选择切换模块进行连接，整点报时和闹铃模块与蜂鸣器相连，产生声音信号，闪烁模块连在显示切换输出与动态显示之间，产生闪烁信号时输出具有闪烁功能。五、各子模块设计（含软件仿真和部分硬件调试） 在此，将以模块为单位，对于各个功能模块进行详细说明，并给出详细电路图和仿真波形结果。1、 分频器模块由于实验台仅提供48MHZ频率，所以，需要通过分频器电路分出所需频率的信号，对于时钟来说，最基本的是1HZ信号，通过若干个2分频、3分频和10分频的分频器级联构成，具体电路如下：2分频 3分频 10分频24分频1000分频 分频电路 分频器波形模拟如下图：二、计时模块：数字钟最基本的功能就是计时，所以计时模块也就成为了本次设计中最基本的模块之一，通过两个模60计数器和一个模24计数器三者级联构成的计时模块能够对时、分、秒进行计时，实现计时功能，电路图如下： 模24计数器模60计数器模24模60计数器仿真波形如下： 正常24小时计数器计时模块波形仿真波形如下由于实验电路有能够对分、时进行校正的要求，所以，在秒位向分位进位的中间和分位向时位进位的中间加入了校正电路，当校正开关关闭时，正常进位，当校正开关打开时，将通过校正电路给一个2HZ的校正信号，使得分位或时位以2HZ的频率快速较正。三、星期模块：具体电路如下图：星期模块与计时模块有些相似，也是先计数然后显示输出，用一个模8计数器再接上小时进位输入即可实现星期正常计数功能，至于译码显示同样放到显示模块一并说明。在此模块中，设置了“ 校正 ”开关，即加一个选择开关和2HZ脉冲，可以快速调整星期。四、秒表模块：电路图如下：秒表计数器电路图 秒表模块主电路其实秒表模块与计时模块相当相似，因为基本原理是一样的，只不过秒表多加了一级显示罢了，因此，秒表的基本信号不再是1HZ，而是100HZ，所以，在之前要把1KHZ进行10分频，就是加一个模10计数器，后面与计时模块一样，两个模60计数器和一个模100计数器级联，构成秒表模块，在此模块中，设置了“保持”、“清零”开关。五、闹钟模块：具体电路如下图： 闹钟设定时间模块闹钟比较时间模块闹铃能够设定任意时间，精确到分、时。这就涉及到多个显示界面的切换问题，在后面的显示模块介绍中会详细提到，现在，只讨论闹钟模块这一功能，另外，闹钟时还涉及彩铃和闪烁功能，也在后面单独介绍。要想达到设定时间的功能并不难，只需要一个模60计数器和一个模24计数器，与计时电路一样级联，通过校正电路，使其快速较分，较时。当到要设定的时间时停止脉冲信号，此时，闹钟设定单元将一直保持设定的时间。但是闹钟模块还需要当时间到达闹钟设定时间时输出闹钟信号，这就涉及到一个设定时间与实际计时单元时间比较的问题，通过四片4位比较器可以实现，当实际计时单元时间与设定闹钟时间相同时，4片比较器同时输出高电平信号，相与后输出闹钟信号。此闹钟信号将作为彩铃发生模块的控制信号。六、显示模块：译码电路图如下：计数器输出接译码电路，再输出至显示电路。显示电路图如下：此电路输入接choice多功能控制键以及闪烁输入，可以按需要显示时间、秒表、闹钟、闪烁等。在显示模块里还添加有闪烁功能。首先是在闹铃的一分钟内八个数码管依次熄灭再依次点亮，达到闪烁的效果。有人认为数码管本来就在高频的依次选通，只需把循环频率降低不就达到闪烁的效果了吗？但是，降低循环频率的后果就是数码管的亮度下降，可能会看不清数字，起不到闪烁的效果。所以，我的闪烁电路是在数码管选通端下功夫，接一个可以制定频率的3-8译码器，以1HZ的循环频率依次熄灭数码管，不影响动态显示的循环。七、整点报时模块：电路图如下：实验要求在55秒、57秒输出低音，59秒输出高音报时，这就需要通过计时模块的分位与秒位信号进行以下判断，到达指定时间时，低音送出1KHZ信号，高音送出2KHZ信号，通过画卡诺图，可以分析出逻辑关系。 八、彩铃模块：具体电路如下：这是本实验中比较有个人特色的模块，利用一个74160制做的模8计数器为3-8线数据选择器提供地址控制，通过数据选择器实现不同频率的组合，这里利用已经做好的分频模块为数据选择器提供各种频率。九、多功能键模块：电路图如下：此功能是本次设计的一个亮点，提供一个按键，控制所有功能，按一次该按键，切换一个功能。很多同学都说开关数量不够用， 这就大大提高了按键的利用率，而且还有利于扩展更多的功能。 通过多功能控制键提供控制脉冲，来使q2q1在00、01、10、11四个状态变化，而这四个状态分别对应计时，闹钟，秒表，扩展功能（万年历），输出到显示模块即可实现。十、24小时/12小时切换模块：要将24小时制转换为12小时制，须考虑上午下午问题，即0:00到12：00为AM，13:00到23:59为PM。则需将13点到23点之间的时间减12即可。而这个减法过程中会涉及到很多问题。我们将小时十位和个位分开做减法，并考虑到20-12,21-12等的借位问题，即形成上图所示电路，完成了转换功能。本功能有一个切换键，控制24小时制/12小时制自由切换。六、整体电路功能论述本次实验制作的多功电子时钟功能比较强大，整体功能如下：1、 共有四套显示界面：计时、闹钟设定、秒表、扩展功能备用。通过多功能控制键实现显示界面的切换。2、 在计时界面下，提供对分、时的快速校正，清零、保持、整点报时功能，并在最后一位显示星期。3、 在闹钟界面下，提供对任意时刻闹钟时间的设定，具有彩铃和闪烁功能。4、 在秒表界面下提供秒表计时功能，可以任意时刻开启或停止，具有清零功能。5、 24小时/12小时切换功能，可以随意切换，不影响正常计时。键位功能分配：键位K1K2K3K4K5K6功能多功能控制键1计时模式2闹钟模式3秒表模式4备用模式校时（闹钟定时）校分（闹钟定分）清零保持24/12小时制切换有些人用组合控制键或键位复用的方法来解决只有8个键的按键不足问题，而我们组用多功能控制键来切换各种功能不仅解决了开关不够用的问题而且简洁明了，还有增加功能的余地。程序下载：当整个电路设计完成后，进行模拟仿真，观察波形。选择“File-New”，打开“other files”标签项，选择“Vector Waveform File”。在弹出对话框右边“Name”下的空白框里双击鼠标，在新弹出的对话框里点击“Node Finder”按钮。在新对话框中的“Filter”中选择“Pins:all”后，点击“Pins:all”后点击“list”按钮，则“Nodes Found”对话框中列出了本工程的所有输入输出节点。双击所要节点，则右边的“selected nodes”框中出现了所选的节点。点击“OK”，再点击“OK”，完成节点的添加。再设置时钟脉冲后，点击进行波形仿真观察波形。将编译好的程序下载到芯片之前要进行管脚分配。选择“Assignments-Pins”,打开管脚分配对话框。在TO栏中，输入各管脚的名称，在Location下输入相应的管脚。选择“File-Save”来保存分配，然后关闭“Assignment Editor”。选择“Assignments-Setting”，打开Device&Pin对话框，选择Configuration标签页，采用串行配置器件EPCS4的主动配置模式。在Device&Pin对话框中选择Unused Pins标签页，进行没有使用的管脚设置为高阻状态。然后选择“Processing-Start Compilation”进行全程编译。将实验箱的电源打开，点击工具栏上的，再点击，点击，在弹出的对话框中点击“OK”，然后点击“close”关闭对话框，则在后面的“No hardware”变成了“ByteBlasterLPT1”。最后在“Program/configure”列下的复选框中打勾，点击开始向实验箱上下载。七、实验中遇到的问题及解决方法1. Tri-state node must be driven by a TRI buffer,but is driven by privmitive主要是出现了重名的情况，一般来说输出定义为q特别容易发生重名，像q0(个)q1(十),q2(百)后又定义了q0,q1,q2，发现有三个重名。这主要是经验问题，之后定义多注意这些问题就好了，一般会命名为qa0.3,qb0.3。2. 由于开始没有对进位问题考虑全面， 二十四小时计时模块、秒表模块的设计之初，进位上都出现过问题，如在调试时出现没有23时的情况，即计时到23:00:00出现23:00:01后时钟全部清零。经过分析后找到原因后，将秒与分进位信号与时的清零信号共同作为清零信号，从而解决问题。74160的同步计时，各部件的使能端控制，没有考虑周全，利用所学的数字电路的知识这些问题完全可以解决，但看似简单的事情却在实际中出现了，可见，进行电路设计时一定要认真仔细，以免做无用功。3.我们在把秒脉冲发生器、计时电路、显示译码电路、校分电路和清零电路均连接完成后，接通电源，发现共阳极七段LED数码管上没有显示。经过检查系统编译时提示的警告信息后，发现是1个引脚标记错误，导致其并没有连接到所需线路上,重新连接后问题解决。4.经常不注意当前工程的设定，比如一个工程已经改正，但还是在编译原来错误的工程，既浪费了时间，还使得心情急躁，非常影响情绪，这种情况今后一定要避免。5.高电平有效还是低电平有效，这是一个非常容易忽视的问题，有时就知道这个端口要接控制信号，但不注意控制信号的有效电平，造成错误。所以在接控制信号时一定要查找功能表以及输入信号的高低电平，以免造成不必要的错误。6. 分频时无法保证占空比在50%左右，后用T触发器2分频，并用模10计数器做10分频，保证了分频占空比恰为50%。7.在24小时制与12小时制的转换中，20到8以及21到9时出现问题，原因在于小时十位与个位分别减1和2，而20-12,21-12需要借位，没有考虑到这个问题。这里减法是用4位二进制数取反加1的，经分析，20以及21时加上6即可，故用电路图中mm变量判断出21,21情况，此时加6。八、实验的收获与感受通过这次为期一周的EDA实验设计，我重温了数字电电路知识,对各器件的用途功能有了进一步的了解。在实验中我学会了Quartus II 的使用方法，这种软件能够在硬件连接前对程序进行波形仿真使得我们能够更为方便的在实际应用前检验电路是否正确，功能是否完善，极大的提高了工作效率， 也避免了因为电路错误带来的对硬件的损伤。通过软硬件的结合，我对于数字计时器的原理及其设计方法的理解更加深刻了，一直就觉得实验是一个把所学的知识融会贯通的过程，通过这次实验体会的更好了，实验时间一共四天，不算长，但感觉很煎熬，每一天从早上八点开始就很投入的进行实验，一直到下午六点，有几天中午都没有休息，一天的脑力劳动当然很累，不过更多的是兴奋，尤其是看到自己设计的电路下载到芯片上并且运行通过时，心情是无与伦比的激动与兴奋。虽然这仅仅是一次常规实验，但是我们从中受益非浅。体验到了实验的艰辛、毫无头绪的困惑、解决问题豁然开朗后的喜悦、所有的这一切都说明了实验对我们来说是非常有意义的。从中我们还感受到了同伴之间合作是需要默契与理解的，相互之间的帮助是多么的重要，我们感受到了合作的乐趣，共同完成实验后的欣慰。最后，向在实验过程中对我给予耐心指导的蒋立平老师以及花汉兵老师表示诚挚的感谢，老师在这一周的时间里，给予我们非常大的帮助，再次感谢，也向在实验过程中帮助过我的同学表示感谢，大家在一起做实验的一周时间相处的非常融洽。九、实验的不足与期望这次实验所做的电