毕业设计论文基于quartusii的多功能数字钟设计

1、 多功能数字钟设计摘要：利用QuartusII软件采用模块化设计方法设计一个数字钟。通过原理图输入进行设计，取代VHDL语言设计。软件仿真调试成功后编译下载至可编程实验系统SmartSOPC中进行硬件测试。实现并充分领略硬件设计软件化的精髓。关键词：软件; 数字钟; 模块化; VHDL; 可编程; 硬件Abstract:Using the QuartusII software design a digital bell with the blocking method.The design takes theory drawing instead of VHDL language.After

2、emluating and debuging successfully,translate and edit the code.Then,download the result to the programmable SmartSOPC system and test it in hardware.Realizing the soul of designing hardware by software.Keywords:software; digital bell; blocking method; VHDL; programmable; hardware目录一、设计内容简介2二、设计要求2三

3、、方案论证（整体电路设计原理）2四、子模块设计原理4.0 脉冲产生电路54.1 计时电路84.2 显示电路124.3 保持电路144.4 清零电路144.5 校分电路154.6 校时电路154.7 整点报时电路164.8 闹钟设定电路174.9 音乐产生电路184.10 闹钟报时电路234.11 闹铃关闭电路244.12 星期调整电路254.13 电路总图26五、实验中遇到问题及解决方法27六、结论29七、实验心得29八、参考文献30一、 设计内容简介设计一个数字钟，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。我

4、们设计的电路在具有基本功能的基础上，增加了下列功能：整点报时、闹钟设置、彩铃和星期显示调节功能。二、 设计要求2.0 基本要求1、能进行正常的时、分、秒计时功能；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时可以快速校分）；6、K4是系统的校时开关（K4=0正常工作，K4=1时可以快速校时）；2.1 提高部分要求1、使时钟具有整点报时功能（当时钟计到5953”时开始报时，在5953”, 5955”,5957”

5、时报时频率为512Hz，5959”时报时频率为1KHz）；2、闹表设定功能；三、 方案论证本实验在实现实验基本功能的基础上，加入了整点报时、闹钟设置、彩铃和星期显示调节功能。图1为实验功能方框图： 图1 实验方框图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,2KHz）。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

6、。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。因为实验中只用一个译码显示单元，7个7段码（6个用于显示时分秒，一个显示星期），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

7、冲由低位计数器提供；当按下校分校时开通时，既可以手动触发出发式开关给进位脉冲，也可以有恒定的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（由D触发器实现）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输入端的1Hz脉冲实现的。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。闹钟设定功能。闹钟只设定时和分

8、，基本模块与正常计时电路里的校时校分电路相同。本实验中为节省按键，闹钟时间调节键复用正常调时的校时校分开关，为使设定闹铃与正常计时中调节时间按键互不影响，额外用一个闹钟使能键，按下该键后进入闹钟设定界面，此时校时校分开关用于调节闹钟时间，对正常计时没有影响，且此时7段显示码显示的是闹钟时间；恢复使能键后校分校时键用于对数字钟进行时间调节，对设定的闹钟时间没有影响。音乐产生电路。本实验中音乐是欢乐颂的前半部分，共32个节拍，5个音频。32个5个音频的频率由分频器产生，32个节拍需按照顺序产生，且要能够循环。因此用译码器循环按序选取音频，所以需要一个模5循环计数器和一个5-32译码器。译码选中位与

9、所需的音频相与之后送入蜂鸣器产生音乐效果。闹钟报时功能。在计时电路走到设定的时间时闹铃报时功能会被启动，通过与音乐产生电路进行逻辑组合，使得在达到闹铃时，发出音乐声。闹铃关闭功能。考虑到实际情况，希望闹铃声可以被关闭，同时在关闭闹铃键恢复后，闹铃不再响，但是在下一次闹铃时间来临时闹铃可以继续工作。实验中实现此功能的需要一个触发器来实现。星期设定电路功能。星期显示功能由模7计数器构成，16时为顺序计数，星期日显示为8，即从6跳过7直接进入8，然后再由8进入1。由此可见，需要设定这样一个计数器：在一次循环计数过程中，要有两次置位，且两次所置数有所不同。四、 子模块设计原理4.0 脉冲产生电路原理实

10、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：48MHz3分频8分频1000分频2分频2KHz1KHz1000分频2分频1Hz图2 脉冲产生方框图4.0.1 2分频电路2分频电路是通过将D触发器的端与D端接在一起就可以从Q端得到触发器触发信号的2分频信号，电路图如下：图3 2分频电路4.0.2 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。000000010010图4 3分频电路状态图74160置数端为低电平有效，所以将作为置数信号的输入。3

11、分频电路图如下：图5 3分频电路封装的子模块图为：图6 3分频电路封装图4.0.3 8分频电路8分频电路通过将3个2分频串联实现。把三个D触发器按照如下方式串联起来，将得到一个触发信号的8分频信号。8分频电路图如下：图7 8分频电路图将3分频和8分频电路串联可构成24分频电路，电路图如下：图8 24分频电路图封装成子模块如下图：图9 24分频电路封装图4.0.4 1000分频电路1000分频电路通过3个计数器74161串联实现。首先获得10分频电路，在=1111时置数，置位信号用，使计数器按如下方式进行循环：0110100001111001101010111100110111101111图10

12、 10分频电路状态图为了获得占空比接近1：1的输出信号，将端作为输出，占空比为6：4。电路图如下：图11 10分频电路将3个10分频进行串联即可获得1000分频的分频器。电路图如下：图12 1000分频电路图封装成子模块如下：图13 1000分频电路封装图最终将各种分频获得的信号输出端封装在一个总的模块内，输入信号频率48MHz，输出三个频率信号，分别是1Hz,1KHz,2KHz.封装的模块如下：图14 分频电路封装图4.1 计时电路时钟能够产生时间前进是对秒脉冲计数产生形成的，为了形成时分秒，需要对秒进位信号进行计数从而产生分，对分进位信号进行计数产生时信号。秒和分均为60进制，时为24进制

13、，所以需要有模60和模24计数器。计时电路示意如下：1Hz秒个位秒十位分个位分十位时个位时十位图15 计时电路示意图模60计数器由两个74160构成，考虑用74160而不用74161的原因是74160为8421BCD方式计数，将计数信号送进7447后可以直接驱动数码管显示，而不像74161还要经过码转换处理。另外，因为显示秒和分时都要显示十位和个位，所以两个计数器构成模60的时候要考虑到分别显示的问题，即让一个用于作为十位，一个作为个位。电路图如下：图16 模60计数器电路图图中，前一个74160为个位，后一个为十位，每当个位计数到1001时，由0变为1，将十位的置位，十位的74160计1，当

14、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置位端低电平有效，因此将59时个位的,十位的,与非之后送给。在059之间时，=1，无效；59时，=0，计数器将被置位为0.模60封装成模块如下图：图17 模60计数器封装图说明：CP：计数脉冲输入； RD：清零输入，低电平有效； CO：进位输出端，进位输出为0，正常输出时状态为1 TH：十位输出，TH3,TH2,TH1,TH0. TL：个位输出，TL3,TL2,TL1,TL0.仿真波形：图18 模60计数器仿真波形图模24计数器原理同模60，个位为3，十位为

15、2时置位为0，即将个位的，和十位的经与非门接入。电路图如下：图19 模24计数器电路图模24模块图如下：图20 模24计数器封装图说明：CP：计数脉冲输入； RD：清零输入，低电平有效； CO：进位输出端，进位输出为0，正常输出时状态为1； TH：十位输出，SH3,SH2,SH1,SH0； TL：个位输出，SL3,SL2,SL1,SL0；仿真波形：图21 模24计数器仿真波形图4.2 显示电路显示电路主要由数据选择器74151、译码器74138、计数器、显示译码器7447和数码显示管组成。显示电路示意图如下：图22 显示电路方框图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

16、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。每个显示位均为四位二进制数，所以需要4片数选器，要显示的位有时分秒6位（HH,HL,MH,ML,SH,SL），加上星期显示1位(we)，最高空位为0，所以共8位。数选器的选择信号有三位，所以要用一个模8循环计数器作为数选器的地址选择端，供轮流选择带显示的数据，此外，还要用一个3-8译码器来选择数码管(DIG位)来显示对应的数据。电路图如下：图23 显示电路图封装形式为：图24 显示电路封装图4.3 保持电路原理保持电路的功能是通过按键K1操作，用与门和非门实现。将保持开关的状态信号经消颤开关后作非门处理和秒计数位的输入脉冲相与，结

17、果送入秒位输入端口。=0时，=1,电路正常计时；=1时，=0时，电路保持为当前时间。电路如下：图25 保持电路图4.4 清零电路原理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)。=0,=1,电路正常工作；=1,=0，各计数器被清零。电路图如下：图26 清零电路图4.5 校分电路原理校分电路用开关操作实现的。=0，正常工作；=1时，电路由1Hz脉冲信号校分。的状态经消颤开关接入三入与门，为闹钟使能信号，在正常计数未进入闹铃设定状态时=1。秒进位信号在进位（59秒）时为0，其余

18、都为1.1代表1Hz脉冲信号。图27 校分电路图4.6 校时电路原理校时电路用开关操作实现的。=0，正常工作；=1时，电路由1Hz脉冲信号校分。的状态经消颤开关接入三入与门，为闹钟使能信号，在正常计数未进入闹铃设定状态时=1，校分校时期间，的动作对闹钟没有影响；=0时为进入闹钟设定状态，校时校分开关用于闹钟时间设定，对正常计时不会有影响。分进位信号在进位（59分）时为0，其余都为1.1代表1Hz脉冲信号。4.7 整点报时电路原理按照要求，在5953”时开始报时，在5953”, 5955”,5957” 时报时频率为512Hz,5959”时报时频率为1KHz。实验图中时分秒对应的符号如下表：秒十位

19、：SH 秒个位：SL 分十位：MH分个位：ML 时十位：HH 时个位：HL时位 分位秒位HH323MH313SH303HH222MH212SH202HH121MH111SH101HH020MH010SH000HL327ML317SL307HL226ML216SL206HL125ML115SL105HL024ML014SL004 表1 字符对应表为使控制电路尽量简单，用卡诺图对3、5、7秒进行化简。如表1所示。Q2Q1Q2Q4Q30001111000001001011011xxxx1000xx表2 整点报时卡诺图化简后3、5、7秒控制电路的信号为。5950”为整点报时的共有部分，用6入与门实现。

20、当报时时间到时，将逻辑结果与相应频率的脉冲信号相与后送入蜂鸣器。整点报时电路如下：图28 整点报时电路图说明：图中alarm为闹钟报时信号，闹铃时间未到时alarm=0.4.8 闹钟设定电路原理闹钟设定时，需要外部信号输入，让数字钟进入闹钟界面，且要保证在设定闹铃时数字钟能够正常工作。本电路在设计中让按键具有复用功能，即用校时校分开关来设定闹钟时间的时位和分位，这就要求在设定闹铃和数字钟的校时校分功能互不影响。本实验用键作为闹钟设定使能键。=0时，正常计时；=1进入闹钟设定状态。设定闹铃时间电路和计时电路中的校时校分的原理基本一致，不同之处在于，在闹铃设定完毕返回时间显示状态时获其他任何没有重

21、新设定闹铃状态时，闹钟时间都不会改变。另外，在闹钟设定中，分位对时位没有进位。闹钟设定电路如下：图29 闹钟设定电路图封装子模块为：图30 闹钟设定电路封装图说明：K5：闹铃使能开关；K3：分设定开关；K4：小时设定开关；1HZ：1Hz脉冲输入端；2KHZ：2KHz脉冲输入端；MH：闹钟分十位；ML：闹钟分个位；HH：闹钟时十位；HL：闹钟时个位。4.9 音乐产生电路原理音乐是有不同频率的音频信号送入蜂鸣器产生的，要获得音乐效果，首先要获得音频，这个由音频电路产生；其次要让音频按照乐谱顺序依次发声，这个由译码器完成；最后，要让闹铃声在每次闹铃时都从头开始播放，所以需要带清零功能的循环计数器用来

22、作为译码器的输入。将依次选中的位和对应频率脉冲相与之后输出至蜂鸣器就可以产生音乐效果。本实验中音频对应为：音符（0）（1）1（2）2（3）3（4）音频0.125khz0.25khz0.5khz1khz2khz表3 音符音频对应表表中（）内数字为实验中代表（）前音符的数字，因为实验中不方便用这样的符号表示。本实验中音乐是欢乐颂，取其开头一段：1 1 2 3 3 2 1 1 1 1 2 3 3 2 1 1 表4 乐谱实验中对应的符号应为：2 2 3 4 4 3 2 1 0 0 1 2 0 0 0 02 2 3 4 4 3 2 1 0 0 1 2 1 1 1 14.9.1 音频电路表5 对应表音乐电

23、路图为：图31 音乐产生电路图音乐产生电路封装模式为：图32 音乐产生电路封装图仿真波形为：图33 音乐产生电路仿真波形图音频电路就是分频电路，用来获得所需音频。原理同脉冲电路。音频电路图如下：图34 音频电路图音频模块图为：图35 音频电路封装图4.9.2 译码电路所取音乐共有32个音符，用32个节拍，需要5-32译码器。实验软件中没有可以直接使用的5-32译码器，所以用一个2-4译码器74139和4个3-8译码器构成。74139的两个输入端为5为译码的高两位，输出端用于选择4片74138中的对应一片。为便于后面使用，将译码器输出端非一下输出。使得由负有效输出转为正有效输出。5-32译码器电

24、路如图：图36 译码电路图5-32译码器封装的子模块为：图37 译码电路封装图 模32计数器模32计数器用于循环顺序选择乐谱。设计原理同模60计数器。电路图如下：图38 模32计数器电路图封装形式为：图39 模32计数器电路封装图4.10 闹钟报时电路原理将闹铃设定的时间和数字钟的当前时间不断通过与门比较，当二者时和分完全相等时，将输出闹铃启动信号sounderable,启动闹铃电路工作。如下图所示：图40 闹钟报时电路图图中所示为闹铃关闭开关，闹铃时按下该开关可以关闭闹铃声音。整个闹铃启动电路为：VCCK6INPUTSOUNDOUTPUTAND2instAND2inst20AND2inst2

25、1AND2inst22AND2inst23AND2inst24AND2inst25AND2inst26AND2inst27AND2inst28AND2inst29AND2inst30AND2inst31AND2inst32AND2inst33AND2inst34AND2inst35AND2inst36AND2inst37AND2inst38AND2inst39AND2inst40AND2inst41AND2inst42AND2inst43AND2inst44AND2inst45AND2inst46AND2inst47AND2inst48AND2inst49AND2inst50NOTinst51

26、OR2inst52OR2inst54OR2inst55OR2inst56OR2inst57OR2inst58OR2inst59OR2inst60OR2inst61OR2inst62OR2inst63OR2inst64OR2inst65OR2inst66OR2inst67OR2inst68XNORinst2XNORinst3XNORinst7XNORinst9XNORinst53XNORinst69XNORinst70XNORinst71XNORinst72XNORinst73XNORinst74XNORinst75XNORinst76XNORinst77XNORinst78XNORinst79

27、AND8inst80AND8inst81AND2inst82CLRNDPRNQDFFinst83NOTinst86AND2inst88INCPOUT0SWITCHinst19NOTinst87AND2inst900125K025K05K10K20K1HRDOUTMUSICinst92OR3inst892KHZ0123YINPINinst99AND2inst95NKEY5NKEY51112S01S02P01P02A1KEY5P00NKEY510S00P03A5KEY5P04A6KEY5P05A7KEY5P06A8KEY5P07B1KEY5P08B2KEY5P09B3KEY5P10B4KEY5P1

28、1B5KEY5P12B6KEY5P13B7KEY5P14B8KEY5P15NKEY513S03NKEY514S04NKEY515S05NKEY516S06NKEY517S07NKEY520S08S0921NKEY5S1022NKEY5S1123NKEY5NKEY524S12NKEY525S13NKEY526S14NKEY527S15A2KEY5A3KEY5A4KEY5S00P00S01P01S02P02S03P03S04P04S05P05S07P07S08P08S09P09S10P10S11P11S12P12S13P13S14P14S15P15Q00Q01Q02Q03Q04Q05Q07Q08Q

29、09Q10Q11Q12Q13Q14Q15P06Q06S0610A111A212A313A414A515A616A717A820B121B222B323B424B525B626B727B8sounderableLOWHIGHalarmKEY5NKEY5nksounderableABLEalarm2KHZ2KHZ1HABLE1HZ1HABLEnk2KHZ图41 闹钟启动电路图4.11 闹钟关闭电路原理为闹铃关闭开关。闹铃电路启动后达到闹铃时间时，闹铃声音将一致循环播放，知道闹铃关闭开关启动。正常情况下，为0，闹铃时间来临时，闹铃音乐播放，按下，=1，闹铃关闭，下次闹铃时间来临时不再闹铃；按下后再恢

30、复为0状态，则下次闹铃时间来临时，闹铃将正常工作。所以既有关闭闹铃声音功能，又有关闭闹铃功能。实现这个功能的关键在于电路中实验的D触发器。正常未到闹铃情况下，D触发器Q=0，=1，=0，闹铃不工作，sounderable=0；闹铃时间到，sounderable=1，上升沿触发将=1送到此时的Q端，如果此时=0，=1，闹铃启动，播放音乐；如果此时按下，则由0至1，由1至0，产生一个上升沿，触发D触发器，将此刻的=0送给Q，闹铃关闭。如果一直为1，则闹铃将处于关闭状态；而如果恢复为0，则下次闹铃时间来临时闹铃正常工作。这样考虑主要是为了在立即关闭闹铃声之后有立即恢复时，此刻的闹铃不再响。闹铃关闭电

31、路与闹铃报时电路在一起。4.12 星期调整电路原理星期显示从16，8，用8来表示日。所以用一个模7循环计数器，利用状态置位法置位，因为在0110和1000时置位值不同。该循环计数器工作值应该是：0001001000110100010101101000置位置位图42 星期状态图为简化控制方法，画出卡诺图。Q2Q1Q2Q4Q30001111000x1110111x011xxxx100xxx表6 星期显示卡诺图在计数输出端为0110和1000时置数分别置位。0110时置数1000，1000时置数0001.从表中可以化简出置数位B,C恒为0，D=,C=.LDN=.这样就能够实现星期计数显示了。电路图如

32、下：图43 星期电路图封装的子模块为：图44 星期电路封装图仿真波形：图45 星期电路仿真波形图4.13 电路总图图46 电路总图封装形式为：图47 总电路封装图五、 实验中遇到问题及解决方法5.1 消颤开关没有消颤作用分析解决:开始时，我们采用R-S锁存器进行开关的的消颤处理，在实验箱上进行模拟仿真时，随着开关的拨动，数码管显示值跳动异常，且变化捉摸不定，闹铃设定值也因此变化，原因可能是对于有高频干扰的实验系统，R-S锁存器容易受到干扰，消颤效果并不理想。所以我们在查阅先关资料之后，发现在实际的数字电子系统中，比较普遍的是用D触发器进行消颤。在选取好D触发器的时钟脉冲也即采样频率后，发现消颤

33、效果较好。 5.2 加入闹铃功能时，闹铃时间可以通过K3,K4设定，但是正常校分校时功能无法实现分析解决：我们设计的模60计数器进位输出端在进位时由高电平转为低电平，即在没有进位的时候是1。开始时我们设计的分计数脉冲输入端是校分开关K3、1Hz、闹铃使能开关K5（正常计数时为1）三个信号进过与门后与模60进位信号经或门后的信号。在经过分析后发现，正常未进位情况下，CP端一直为1，校分时校分的脉冲输入上升沿并不能使CP产生上升沿，所以造成正常校分功能消失。同理，对校时开关存在同样的问题。闹铃的校时校分能够进行的原因是其校时校分开关信号直接输入至分钟计数器CP端的，没有秒进位信号的影响。所以我们改成把K3、1Hz、K5与非的结果再和进位信号相与后送入下级CP 端，经调试发现校时校分功能变得正常。5.3 闹铃时间到时，闹铃声音无法关闭。分析解决：实验中闹铃关闭开关是K6，既然闹铃无法关闭，那么可能就是K6信号无法对闹铃触发蜂鸣器的使能信号构成影响。经检查电路发现，我们把闹钟时间到的信号sounderable和相与改成了相或。很明显，当soundera