ISP器件设计多功能数字钟

1、电子线路设计与测试电子线路设计与测试返回返回返回2一、实验目的一、实验目的o 掌握可编程逻辑器件的应用开发技术掌握可编程逻辑器件的应用开发技术设计输入、编译、仿真和器件编程；设计输入、编译、仿真和器件编程；o 熟悉一种熟悉一种EDA软件使用；软件使用；o 掌握分模块分层次的设计方法；掌握分模块分层次的设计方法；o 用电路原理图输入完成一个多功能数字钟设计。用电路原理图输入完成一个多功能数字钟设计。返回返回返回3二、实验任务：二、实验任务：多功能数字钟设计多功能数字钟设计o 基本功能基本功能 具有具有“秒秒”、“分分”、“时时”计时功能，小时按计时功能，小时按24小时制小时制计时。计时。 具有校

2、时功能，能对具有校时功能，能对“分分”和和“小时小时”进行调整。进行调整。o 扩展功能扩展功能 仿广播电台正点报时。在仿广播电台正点报时。在59分分51秒、秒、53秒、秒、55秒、秒、57秒发出低音秒发出低音512Hz信号，在信号，在59分分59秒时发出一次高音秒时发出一次高音1024Hz信号，音响持续信号，音响持续1秒钟，在秒钟，在1024Hz音响结束时音响结束时刻为整点。刻为整点。 闹钟定时控制，其时间自定；闹钟定时控制，其时间自定；选做内容选做内容 任意时刻闹钟；自动报整点时数任意时刻闹钟；自动报整点时数返回返回返回4三、数字钟设计分析三、数字钟设计分析-功能框图功能框图数字钟电路系统由

3、数字钟电路系统由主体电路主体电路和和扩展电路扩展电路两大部分所组成两大部分所组成 秒计数器计满秒计数器计满60后向后向分计数器进位分计数器进位 分计数器计满60后向小时计数器进位 小时计数器按照小时计数器按照“24进制进制”规律计数规律计数 计数器的输出经译码器送显示器 返回返回返回5时分秒计数器的设计时分秒计数器的设计 o 分和秒计数器都是模分和秒计数器都是模M=60的计数器的计数器 n 其计数规律为其计数规律为0001585900 o 时计数器是一个时计数器是一个24进制计数器进制计数器 n 即当数字钟运行到即当数字钟运行到23时时59分分59秒时，秒的个秒时，秒的个位计数器再输入一个秒脉

4、冲时，数字钟应自位计数器再输入一个秒脉冲时，数字钟应自动显示为动显示为00时时00分分00秒。秒。返回返回返回62、校时电路的设计、校时电路的设计 o 当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间（或称校时）o 校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能 o 为使电路简单，这里只进行分和小时的校时 z对校时电路的要求是 y在小时校正时不影响分和秒的正常计数y在分校正时不影响秒和小时的正常计数 z校时方式有“快校时”和“慢校时”两种 y “快校时”是，通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数 y“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲 3.3k&至时个位计

5、数器&至分个位计数器&11分十位进位脉冲秒十位进位脉冲3.3kC20.01FC10.01FS2S1校时脉冲5VS1为校“分”用的控制开关 S2为校“时”用的控制开关 校时脉冲校时脉冲采用分频采用分频器输出的器输出的1Hz脉冲脉冲 当当S1或或S2分分别为别为“0”时时可进行可进行“快校快校时时” 如果校时脉冲由单次脉冲产生器（见p43）提供，则可以进行“慢校时” 需要注意的是，校时电路是由与非门构需要注意的是，校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路，开关成的组合逻辑电路，开关S1或或S2为为“0”或或“1”时，可能会产生抖动，接电容时，可能会产生抖动，接电容C1、C2可以缓解抖动

6、。必要时还应将其改可以缓解抖动。必要时还应将其改为去抖动开关电路为去抖动开关电路返回返回返回73. 仿广播电台正点报时电路的设计仿广播电台正点报时电路的设计 仿广播电台正点报时电路的功能要求是：每当数字钟计时快要到正点时发出声响;通常按照4低音1高音的顺序发出间断声响;以最后一声高音结束的时刻为正点时刻。表表7.4.2 秒个位计数器的状态秒个位计数器的状态CP(秒秒)Q3S1Q2S1Q1S1Q0S1功功 能能500000 510001鸣低音鸣低音520010停停530011鸣低音鸣低音540100停停550101鸣低音鸣低音560110停停570111鸣低音鸣低音581000停停591001鸣

7、高音鸣高音000000停停 设4声低音（约500Hz）分别发生在59分51秒、53秒、55秒及57秒，最后一声高音（约1kHz）发生在59分59秒，它们的持续时间均为1秒。由表可得 “0”时，500Hz 输入音响“1”时，1kHz 输入音响Q3S1=返回返回返回83、仿广播电台正点报时电路的设计、仿广播电台正点报时电路的设计1&Q0Q2分十位Q0Q3分个位11kHz11音响电路Q0Q2秒十位秒个位Q0&秒个位 Q3500Hz只有当 分十位的Q2M2Q0M2=11 分个位的Q3M1Q0M1=11 秒十位的Q2S2Q0S2=11秒个位的Q0S1=1时 音响电路才能工作 这里采用的都

8、是TTL与非门，如果用其它器件，则报时电路还会简单一些。 4、定时控制电路的设计、定时控制电路的设计 数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响数字钟在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路电路“闹时闹时”；或对某装置的电源进行接通或断或对某装置的电源进行接通或断开开“控制控制”。 不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即不管是闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。 返回返回返回10四、数字钟的实现方法简介：四、数字钟的实现方法简介：o 使用传统的中小规模集成电路实现。使用传统的中小规模集成电路实现。o 使用使用可编程逻辑

9、器件（可编程逻辑器件（FPGA或或CPLD）实现。实现。这类电路具有现场可编程的特性，用户通过计这类电路具有现场可编程的特性，用户通过计算机和开发工具将自己设计的电路，生成关于算机和开发工具将自己设计的电路，生成关于阵列连接的信息文件，并将信息文件通过编程阵列连接的信息文件，并将信息文件通过编程器器“编程编程”到芯片上，实现所需功能到芯片上，实现所需功能。（本实。（本实验选用该方式实现，参考验选用该方式实现，参考P57）o 使用专用集成电路（使用专用集成电路（ASIC芯片）芯片）实现实现(例如数例如数字手表用的芯片等）。字手表用的芯片等）。返回返回返回11可编程逻辑器件的开发流程可编程逻辑器件

10、的开发流程返回返回返回121. 设计输入设计输入2. 电路编译与适配电路编译与适配3. 电路仿真电路仿真(+分配引脚再编译）分配引脚再编译）4. 器件的编程下载器件的编程下载五、设计举例五、设计举例十进制计数器十进制计数器返回返回返回131. 设计输入设计输入使用逻辑电路原理图输入设计方式来完成，设计输使用逻辑电路原理图输入设计方式来完成，设计输入包括以下步骤：入包括以下步骤：（1）创建一个新文件。）创建一个新文件。（2）输入逻辑电路原理图。）输入逻辑电路原理图。（3）保存文件并检查错误。）保存文件并检查错误。（4）规定项目名称。）规定项目名称。返回返回返回14（1）创建一个新文件）创建一个新

11、文件a. 启动启动Max+Plus II双击 MAX+PLUS II 图标 开始开始 -EDA工具-Altera- MAX+PLUS II 10.2 ，开始运行 MAX+PLUS II返回返回返回15b. 选择选择 FileNew 菜单，或单击菜单，或单击 ，弹出弹出 New 对话框。对话框。c. 选中选中 Graphic Editor file （原理图原理图）单选按）单选按钮。钮。d. 单击单击 ok 按钮。弹出按钮。弹出 Text Editor 窗口。窗口。 返回返回返回161. 1. 十进制计数器的原理图设计十进制计数器的原理图设计双击空白处，输入双击空白处，输入7416174161，

12、回车，点击左键，放元件，回车，点击左键，放元件重复上述操作，放元件与非门（重复上述操作，放元件与非门（NAND2NAND2）、参考地）、参考地（GNDGND）、输入）、输入/ /输出引脚（输出引脚（INPUT/OUTPUTINPUT/OUTPUT）；）；双击引脚名称处，更改引脚名称双击引脚名称处，更改引脚名称；存盘。存盘。注意：必须存在某一个文件夹中。注意：必须存在某一个文件夹中。A. A. 输入原理图文件：输入原理图文件：返回返回返回17Count10原理图原理图返回返回返回18（3）保存文件）保存文件 要保存文件，选择要保存文件，选择 FileSave As 选项，弹出选项，弹出 Save

13、 As 对话框。如图所示。对话框。如图所示。 在在 File Name 文本框文本框中输入中输入 count10，并在，并在 Directories 列表框中选择列表框中选择文件的保存目录。文件的保存目录。 在在 MAX+PLUS 的有些版本中，保存文件目的有些版本中，保存文件目录的路径字符串中不能包含中文字符。录的路径字符串中不能包含中文字符。注意注意返回返回返回19 为了确保输入的正确，可以保存文件并编译。步为了确保输入的正确，可以保存文件并编译。步骤如下：骤如下：a. 选择选择 FileProjectSave 选项选项b. 选择选择Max+plus II Compiler Start进行

14、编译进行编译并检查错误并检查错误（4 4）检查错误）检查错误c. 单击编译单击编译 窗口右上角的关闭按钮，关闭窗口右上角的关闭按钮，关闭 Compiler 窗口。窗口。返回返回返回20编译过程编译过程返回返回返回21注意事项注意事项 不能把用户的设计文件存放在硬盘的根目录下，不能把用户的设计文件存放在硬盘的根目录下，双击子目录选中双击子目录选中； 设计文件名中不能含有文字和特殊符号设计文件名中不能含有文字和特殊符号 设置项目为当前顶层文件设置项目为当前顶层文件特别在打开了几个特别在打开了几个设计文件时尤其要注意设计文件时尤其要注意返回返回返回22（1）定义器件）定义器件2. 电路编译与适配电路

15、编译与适配a. 选择选择 AssignDevice 选项，弹出选项，弹出 Device 对话框。对话框。 b. 在在 Device Family 下拉列表框中选择适下拉列表框中选择适配器件的系列，在配器件的系列，在 Devices 中选择器件中选择器件的型号，然后单击的型号，然后单击 OK 按钮。按钮。c. 如果不对适配器件的型号进行选择，该软件将自动如果不对适配器件的型号进行选择，该软件将自动选择适合本电路的器件进行编译适配。选择适合本电路的器件进行编译适配。（本设计中选择（本设计中选择FLEX10k系列的系列的EPF10k10LC84-4器件）器件） 返回返回返回23（2）编译适配）编译适

16、配再次选择再次选择 MAX+plusCompiler或者或者 ，弹出，弹出 Compiler 窗口。窗口。 单击单击 Start 按钮开始编译并显示编译结果，生成按钮开始编译并显示编译结果，生成*. sof下载文件。下载文件。 MAX+PLUS II 编译器将检查项目是否有错，并对项目进行编译器将检查项目是否有错，并对项目进行逻辑综合，然后配置到逻辑综合，然后配置到 Altera 器件中，同时将产生报告文件器件中，同时将产生报告文件、编程文件和用于时间仿真用的输出文件。编程文件和用于时间仿真用的输出文件。返回返回返回24（1）添加仿真激励信号添加仿真激励信号 3. 电路仿真电路仿真 a. 选择

17、选择 MAX+plus Wave Editor 选项，弹出波形编选项，弹出波形编辑窗口。辑窗口。返回返回返回25b. 将鼠标移至空白处并单击右键将鼠标移至空白处并单击右键选择选择 Enter Node from SNF 选项选项，或，或Nodes-Enter Nodes from SNF 出现对话出现对话框窗口框窗口 。c. c. 单击单击 List 和和 = 按钮，按钮， 选择欲仿真的输入选择欲仿真的输入/输出端口输出端口。返回返回返回26d. 电路输入端口添加激励信号电路输入端口添加激励信号 选中欲添加信号的管脚，窗口左边的信号源按钮变成可选中欲添加信号的管脚，窗口左边的信号源按钮变成可操

18、作状态。根据电路实际要求选择信号源种类。操作状态。根据电路实际要求选择信号源种类。 放大或缩小波形放大或缩小波形调整显示区域的大小调整显示区域的大小以低电平以低电平 0 （或高电平（或高电平 1）覆盖所选波形）覆盖所选波形以不定态以不定态 X （或高阻态（或高阻态 Z）覆盖所选波形）覆盖所选波形反转所选波形的逻辑电平反转所选波形的逻辑电平以时钟波形覆盖所选节点以时钟波形覆盖所选节点以计数序列覆盖所选的单个组的全部或部分波形以计数序列覆盖所选的单个组的全部或部分波形返回返回返回27e. 为输入端口添加信号为输入端口添加信号 n选中选中CP输入端输入端 n然后点击窗口左侧的时钟信号然后点击窗口左侧

19、的时钟信号源图标源图标出现如图所示的对话框。出现如图所示的对话框。 n选择初始电平为选择初始电平为“0”，时钟周期为，时钟周期为“200 ns”，倍数为，倍数为“1”（时钟周期倍数只能为整数倍），单击（时钟周期倍数只能为整数倍），单击 OK 确认。确认。 File-End Time 设置仿真结束时间设置仿真结束时间Option-Grid Size 设置信号频率设置信号频率注意注意1、时间单位与数值之间不能有空格、时间单位与数值之间不能有空格2、先设置、先设置End Time 和和Grid Size，后设置输入信号，后设置输入信号返回返回返回28f. 保存激励信号编辑结果保存激励信号编辑结果 n

20、点击点击 FileSave 菜菜单出现如图所示对单出现如图所示对话框。话框。n文件名称和原理图文件名称和原理图文件一致，扩展名文件一致，扩展名为为“.scf” ，单击，单击OK保存激励信号编保存激励信号编辑结果。辑结果。n10进制计数器激励进制计数器激励信号如图所示。信号如图所示。返回返回返回29（2）电路仿真电路仿真 电路仿真属于设计校验，包括功能仿真（前仿真）电路仿真属于设计校验，包括功能仿真（前仿真）和时序仿真（后仿真）。由于时序仿真的结果比较接和时序仿真（后仿真）。由于时序仿真的结果比较接近实际器件仿真的结果，因此本设计采用时序仿真。近实际器件仿真的结果，因此本设计采用时序仿真。 a.

21、 选择选择MAX+plusSimulator选项或选项或 ，弹出仿，弹出仿真器窗口真器窗口 。b. 单击单击 Start 开始仿真开始仿真 。c. 电路仿真完成后，单击电路仿真完成后，单击Open SCF 打开波形文件，打开波形文件，显示电路的仿真结果。显示电路的仿真结果。返回返回返回30d. 1010进制电路的仿真结果如图所示。进制电路的仿真结果如图所示。 检查仿真结果是否正确，并观察电路的时序及检查仿真结果是否正确，并观察电路的时序及延时情况延时情况 。返回返回返回31（3）管脚的重新分配与定位管脚的重新分配与定位 选择选择 MAX+PlusFloorplan Editor选项，即可打开平

22、选项，即可打开平面（底层）编辑器窗口，出现如图所示的芯片管脚分配图。面（底层）编辑器窗口，出现如图所示的芯片管脚分配图。 这是由软件自动分配的，用户可根据需要随意改变管这是由软件自动分配的，用户可根据需要随意改变管脚分配，管脚的编辑过程如下。脚分配，管脚的编辑过程如下。 返回返回返回32如果出现下图所示界面如果出现下图所示界面, ,单击单击layout-Device viewlayout-Device view项项, ,或者双击鼠标左键切换或者双击鼠标左键切换. .返回返回返回33管脚的编辑过程：管脚的编辑过程： 用鼠标左键按住欲分配的输入、输出端口并拖用鼠标左键按住欲分配的输入、输出端口并拖

23、到下面芯片的相应管脚上，然后松开，即可完到下面芯片的相应管脚上，然后松开，即可完成一个管脚的重新分配成一个管脚的重新分配。返回返回返回34EDA Pro2K实验系统介绍实验系统介绍o 可用资源可用资源n 8个数码显示（含个数码显示（含8421译码）译码）o 可显示可显示09，AFn 8个个LED发光管显示发光管显示n 1个带驱动的小型扬声器（蜂鸣器）个带驱动的小型扬声器（蜂鸣器）n 8个按键个按键n 4组时钟源组时钟源返回返回返回35返回返回返回36可用资源使用方法可用资源使用方法引脚分配（锁定）引脚分配（锁定）资源名称资源名称引脚名称引脚名称引脚号引脚号功能功能说明说明CLK0CLK01/4

24、/16/64/1024/4096/163841/4/16/64/1024/4096/16384/65536/12M/24M/48M/65536/12M/24M/48M 1/2/81/2/8 CLK1CLK1CLK2CLK2CLK3CLK33 35 56 67 71024/4096/327681024/4096/32768 12M/24M/48M12M/24M/48M D8/D7/D6/D5D8/D7/D6/D5 81/80/79/7881/80/79/78 红红/ /黄黄/ /绿绿/ /绿绿 D4/D3/D2/D1D4/D3/D2/D1 73/72/71/7073/72/71/70绿绿/ /绿

25、绿/ /黄黄/ /红红 LED蜂鸣器蜂鸣器时钟时钟SPKSPK8383资源资源引脚名称引脚名称引脚号引脚号模式二模式二 K8/K7/K6/K5K8/K7/K6/K5 19/18/17/1619/18/17/16 2ms2ms脉冲脉冲 K4/K3/K2/K1K4/K3/K2/K1 11/10/9/811/10/9/8 按键按键模式一模式一 模式三模式三 琴键电平琴键电平 乒乓电平乒乓电平 乒乓电平乒乓电平 琴键电平琴键电平 乒乓电平乒乓电平 返回返回返回37可用资源使用方法可用资源使用方法引脚分配（锁定）引脚分配（锁定）资源资源引脚名称引脚名称引脚号引脚号38/39/47/4838/39/47/

26、48 30/35/36/3730/35/36/37 SM8_ B0/B1/B2/B3SM8_ B0/B1/B2/B365/66/67/6865/66/67/68 60/61/62/6460/61/62/64 53/54/58/5953/54/58/59 49/50/51/5249/50/51/52 25/27/28/2925/27/28/29 21/22/23/2421/22/23/24 数码管数码管8 数码管数码管7 数码管数码管6 数码管数码管5 数码管数码管4 数码管数码管3数码管数码管2 数码管数码管1 SM7_ B0/B1/B2/B3SM7_ B0/B1/B2/B3SM6_ B0/B

27、1/B2/B3SM6_ B0/B1/B2/B3SM5_ B0/B1/B2/B3SM5_ B0/B1/B2/B3SM4_ B0/B1/B2/B3SM4_ B0/B1/B2/B3SM3_ B0/B1/B2/B3SM3_ B0/B1/B2/B3SM2_ B0/B1/B2/B3SM2_ B0/B1/B2/B3SM1_ B0/B1/B2/B3SM1_ B0/B1/B2/B3返回返回返回38引脚分配引脚分配o nCLRKey18o ENKey29o CPclk03o Q0-Q3 数码管1 21-24返回返回返回39（4）再次编译）再次编译选择选择 MAX+plusCompiler ，弹出，弹出 Compi

28、ler 窗口。窗口。 单击单击 Start 按钮开始编译并显示编译结果，生成按钮开始编译并显示编译结果，生成*. sof下载文件。下载文件。返回返回返回40管脚重新分配时须注意的事项：管脚重新分配时须注意的事项： n芯片上有些特殊功能的管脚（如芯片上有些特殊功能的管脚（如GND、Global CLK 等），进行管脚编辑时不能使用。等），进行管脚编辑时不能使用。n在器件选择时如果选择了在器件选择时如果选择了Auto，则不允许对管脚，则不允许对管脚进行再分配。进行再分配。 n对管脚进行重新分配后，必须再编译一次，否则对管脚进行重新分配后，必须再编译一次，否则下载后的管脚还是自动分配的状态。下载后的管脚还是自动分配的状态。返回返回返回414. 4. 器件的编程下载器件的编程下载