EDA多功能数字钟设计

1 多功能数字钟设计多功能数字钟设计 多功能数字钟在我们的日常生活中有着非常广泛的应用 它以操作简单 功 能丰富 性能稳定 体小精致深受大众青睐 在相关数字电路理论知识的基础 之上 本实验利用 QuartusII 软件设计一个多功能数字计时器 并下载到 SmartSOPC 实验系统中 这个数字计时器 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 点报时等功能 这些功能相互独立 却又互相协调配合 关键词 QuartusII 软件 SmartSOPC 实验系统 多功能数字钟 Title Multi functionMulti function digitaldigital clockclock designdesign dissertationdissertation AbstractAbstract Multi functionMulti function digitaldigital clockclock inin ourour dailydaily lifelife isis veryvery extensiveextensive application application itit isis favorredfavorred byby peoplepeople forfor simplesimple operation operation stablestable performance performance richrich ofof functionsfunctions andand smallsmall delicatedelicate BasedBased onon thethe relatedrelated theoreticaltheoretical knowledgeknowledge ofof digitaldigital circuit circuit ThisThis experimentexperiment usesuses thethe QuartusIIQuartusII designdesign softwaresoftware toto designdesign a a multi functionmulti function digitaldigital timertimer andand downloaddownload itit toto thethe SmartSOPCSmartSOPC experimentexperiment system system TheThe digitaldigital timertimer cancan finishfinish 00 00 0000 00 00 toto 23 59 5923 59 59 timertimer function function AndAnd inin thethe controlcontrol ofof thethe contrlcontrl circuitcircuit underunder thethe actionaction ofof keeping keeping resetting resetting rapidrapid schoolingschooling andand alarmingalarming onon time time thesethese functions functions butbut alsoalso mutuallymutually independentindependent coordinates coordinates Keywords QuartusII SmartSOPC experimental system Multi function digital timer 2 目录目录 一 设计要求 3 二 工作原理 3 三 基本计时电路子模块说明 5 1 脉冲发生模块 5 2 计时模块 7 3 译码显示模块 11 4 校分校时保持模块 13 5 清零模块 15 6 整点报时模块 15 四 扩展模块 16 1 消颤开关 16 五 总电路显示 17 六 调试 编程下载 18 七 实验总结 18 八 参考文献 19 3 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 校时 校分 整点报时等基本功 能 2 数字钟的基本功能以及开关介绍 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 K3 是系统的校分开关 K3 0 正常工作 K3 1 时可以校分 6 K4 是系统的校时开关 K4 0 正常工作 K4 1 时可以校时 3 数字钟的附加功能以及开关介绍 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 500Hz 59 59 时报时频率为 1KHz 2 每个开关前都有消颤模块为开关消颤 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 4 二 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保持电路和清零电路组成 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 校时校分保持电路对时 分 提供校时 内含有保持电路 当保持电 路作用时 系统停止计时并保持时间不变 清零电路作用时 系统的分秒时同 时归零 数字计时器基本功能是计时 因此首先需要获得具有精确振荡时间的脉振 信号 以此作为计时电路的时序基础 实验中可以使用的振荡频率源为 48MHZ 通过分频获得所需脉冲频率 1Hz 1KHz 500Hz 为产生秒位 设计一 个模 60 计数器 对 1HZ 的脉冲进行秒计数 产生秒位 为产生分位 通过秒位 的进位产生分计数脉冲 分位也由模 60 计数器构成 为产生时位 用一个模 24 计数器对分位的进位脉冲进行计数 整个数字计时器的计数部分共包括六位 时十位 时个位 分十位 分个位 秒十位和秒个位 显示功能是通过数选器 译码器 码转换器和 7 段显示管实现的 因为实 译码显示电路 报时电路脉冲发生电路 清零电路保持电路 保持开关 k1 计时电路 清零开关 k2 校分校时电路 校分开关 k3 校时开关 k4 5 验中只用一个译码显示单元 6 个 7 段码 用于显示时分秒 所以通过 4 个 7 选一 MUX 和一个 3 8 译码器配合 根据计数器的信号进行数码管的动态显示 清零功能是通过控制计数器清零端的电平高低来实现的 只需使清零开关 按下时各计数器的清零端均可靠接入有效电平 本实验中是低电平 而清零开 关断开时各清零端均接入无效电平即可 校分校时功能由防抖动开关 逻辑门电路实现 其基本原理是通过逻辑门 电路控制分计数器的计数脉冲 当校分校时开关断开时 计数脉冲由低位计数 器提供 当按下校分校时开通时 有恒定的 1Hz 脉冲提供恒定的进位信号 计 数器在此脉冲驱动下可快速计数 为实现可靠调时 采用防抖动开关克服开关 接通或断开过程中产生的一串脉冲式振动 保持功能是通过逻辑门控制秒计数器使能端实现的 按下开关或是校分校 时时保持 正常情况下 开关不影响脉冲输入即秒正常计数 当按下开关后 使脉冲无法进入计数端 从而实现计时保持功能 整点报时功能可以通过组合逻辑电路实现 当计数器的各位呈现特定的电 平时 可以选通特定的与门和或门 将指定的频率信号送入蜂鸣器中 实现在 规定的时刻以指定频率发音报时 3 基本计时电路子模块说明 1 脉冲发生模块 SmartSOPC 实验箱只提供了 48MHz 的高频脉冲 而作为计时器秒位的计 数以及校时校分信号 需要频率为 1Hz 的脉冲 作为蜂鸣器的驱动信号 分别 需要频率为 500Hz 和 1KHz 的脉冲 所以我们需要将 48MHz 的高频脉冲进行 分频 得到需要的三个低频脉冲信号 故脉冲发生电路也可被称为分频器 总电路原理图如下图所示 6 1 二分频电路 2 分频的分频器用 74160 实现 原理图以及仿真波形如下图所示 需要分 频的脉冲信号从时钟端输入 而从输出端 QA 就可以得到 2 分频以后的脉冲信 号 7 2 六分频电路 6 分频的分频器用 74160 实现 原理图如下图所示 需要分频的脉冲信号 从时钟端输入 这里设计了如下一个计数循环 000 001 010 011 100 101 采用高位作为分频信号输出 而从输出端 QC 就可以得到 6 分频以后的脉冲信号 3 十分频电路 十分频的分频器用 74160 就可以实现 原理图如下图所示 需要分频的脉 冲信号从时钟端输入 实现如下循环 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 采用 QC 输出 占 空比为 4 10 8 4 48 分频 采用一个 6 分频 和三个 2 分频电路共同组合而成 2 计时模块 为了实现多功能数字钟 最重要的设计是计时功能的设计 这也是数字钟 最基本的功能 分析可知 一般数字钟由时 秒 分三位组成 计时范围为 0 时 0 分 0 秒到 23 时 59 分 59 秒 需要三个计数器分别计时 分 秒 且均为 2 位十进制计数器 即 8 位二进制计数器 而时 分 秒计数器分别为模 24 模 60 模 60 且三个计数器之间构成进位关系 秒计数器给分计数器提供计数脉 冲信号 秒计数器与分计数器一同给时计数器提供计数脉冲信号 很显然 就 本实验而言 选择 74160 BCD 码计数器 和 74161 4 位二进制计数器 是比 较合适的 但从全局设计考虑 鉴于需要有异步清零端 所以从中选择 74160 具有异步清零端 同步置数端及使能端 作为 3 个计数器的基本集成块 1 模 60 计数器 秒位和分位 前一个 74160 为个位 后一个为十位 每当个位计数到 1001 时 RCO 由 0 变为 1 将十位的 ENT 置位 十位的 74160 计 1 当十位的计数到 5 0101 个位的计数到 9 1001 时 正好是 60 此时置位两个计数器 重新由 0 开始 这样就完成了模 60 计数 74160 置位端 LDN 低电平有效 因此将 59 时个位的 QD QA 十位的 QA QC 与非之后送给 LDN 在 0 59 之间时 LDN 1 无效 59 时 LDN 0 计数器将被置位为 0 当秒计时至 59 秒时由四与非门输出一个低 9 电平将秒个位及秒十位置零 同时变换此低电平为高作为进位信号传递给分个 位 电路原理图以及仿真波形如下所示 2 模 24 电路 时位 模 24 计数器原理同模 60 个位为 3 十位为 2 时置位为 0 即将个位的 QB QA 和十位的 QB 经与非门接入 LDN 使得进位信号设计在 23 时置零进位 并且要等到秒与分信号都计到 59 时它才能进位清零 故清零信号的输入还要添 10 加秒和分计时模块的输出 电路原理图以及仿真波形如下所示 3 整体计数电路原理图 仿真波形以及封装图如下 11 3 译码显示模块 因为实验要求只用一个显示译码器 7447 所以考虑用动态扫描显示法进行 数据显示 即每次只显示一位 按照一定的显示时间间隔轮流显示 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 12 74163 设计为模 6 的循环 并进行封装 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 6 个数码管同 时显示 其中模 6 电路原理图和封装图如下所示 整个显示电路原理图以及封装图如下所示 13 4 校分校时保持模块 1 保持电路 系统的使能保持功能是用保持开关 K1 的 0 或 1 来控制 实现方法就是把 计数器的秒位使能端接出来 总电路的保持开关 K1 为 1 时 秒位计数器使能端 无效 所以计数器保持不变 当开关为 0 时 使能端有效 正常计数 因为时位的进位信号来自分位 分位的进位信号来自秒位 显然 只要秒位保 持 分位和时位即保持 故分位和时位均不需要保持控制开关 但是从整体考虑 当校分校时时 秒位也需要保持不计数 因此保持电路 分为三部分 电路的保持开关 k1 作用 校分 校时 用与逻辑门实现 电路原理图如下 14 2 校分电路 系统的校分电路是用开关 k3 操作实现的 K3 0 正常工作 k3 1 时 电 路由 1Hz 脉冲信号校分 这里把校分电路与进位信号连在一起 当 k3 作用时 分位每隔一秒钟计数一次 或者当秒位计数满 给分位一个进位信号时 分位 也会计数一次 电路原理图如下 3 校时电路 系统的校分电路是用开关 k4 操作实现的 K4 0 正常工作 k4 1 时 电 路由 1Hz 脉冲信号校分 同校分电路一样 这里把校时电路与进位信号也连在 一起 当 k4 作用时 时位每隔一秒钟计数一次 或者当秒位 分位计数满 给 时位一个进位信号时 时位也会计数一次 电路原理图如下 4 整体校分校时保持电路原理图以及封装图如下图所示 15 5 清零模块 清零电路是把时间归零 且无论什么时候操作 电路都将归零 此电路通 过对清零开关 K2 操作实现 把清零开关的状态信号消颤之后经非门后送入时分 秒计数器的的清零端 低电平有效 K2 0 电路正常工作 k2 1 各计数器被清 零 电路原理图以及封装图如下所示 16 6 整点报时模块 当计时到 59 53 59 55 59 57 时 分别发出一声较低的蜂鸣 500hz 当计时到 59 59 时 发出一声较高的蜂鸣声 1khz 需要在某 时刻报时 就在时刻输出信号 1 作为触发信号 选通报时脉冲信号进行报时 59 53 对应的四个输出分别为 0101 1001 0101 0011 59 55 对应的四个输出分别为 0101 1001 0101 0101 59 57 对应的四个输出分别为 0101 1001 0101 0111 59 59 对应的四个输出分别为 0101 1001 0101 1001 可见 报时功能选择出的高电平输出端的分十位 分个位 秒十位均是相 同的 即 5 0101 9 1001 5 0101 但秒个位是不同的 对应于 3 0011 5 0101 7 0111 9 1001 这三个数的最低位均为 1 第二位和第三位分别为 01 10 11 故用一 个或门将第二位和第三位相连接 有 1 输出 1 全 0 得 0 将以上所有有 1 的情 况与 500Hz 相与输给蜂鸣器即可实现低音蜂鸣 高音的实现 分十位 分个位 秒十位与低音的情况相同 秒个位是 9 1001 将每一位有 1 的相与后再与 1hz 相与 与低音一起用或门送给蜂鸣器 电路原理图以及封装图如下所示 17 4 扩展模块 1 消颤开关 开关防抖动电路是为了加强系统稳定性 减少因开关的抖动而引起的功能 冒险设计的 由于控制开关时发生抖动现象 使得计数器计数发生跳变 为克 服开关颤抖 可以利用 D 触发器的保持功能 只有当时钟上升沿到来时才将结 果输出 克服在时钟上升沿未到来时产生的颤抖现象 当 K 输入高电平 1 时 在时钟信号 CLK 的上升沿到来时输出 Q 才会变 1 同样 当 K 输入低电平 0 时 在时钟信号 CLK 的上升沿到来时输出 Q 才会