EDA综合设计分析和总结

EDA设计II

多功能数字钟的设计

姓名:

学号:

同组人：

院系：自动化学院

指导老师：谭雪琴蒋萍

时间：2011・5

摘要：此次EDA实验我们用软件QuartusH和配套的实验平台，来设计24小时

的数字钟。在软件上完成相应电路的搭建及仿真，调试后下载到实验平台上进行

实际测试。我设计的数字钟具有24小时计时、校分、校时、整点报时功能。以

上的功能都下载到实验平台上成功演示出来。我还设计了闹钟功能，在仿真时很

成功，但后来下载到实验平台上有问题。

ABSTRACT：DuringthisexperimentIlearntouseasoftwarenamedQuartusII

whichiscompletelyunfamiliartome.AfteraboutfourdaysworkIdesignadigital

clockwhichhasthebasicfunctionsascounting,resettinghour,resettingminute,ring

ateachhour.Ialsodesignablockwhichisaboutsettingthealarm.Theblockis

successfultystimulatedbuthassomeunknownproblemswhendownloadedintothe

platform.Iaccountforthisindetaillater.

关键字：多功能数字钟，校分，校时，整点报时，闹钟

KEYWORDS：DIGITALCLOCK,RINGING,ALARM

目录

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448MHz-1Hz模块的设计及仿真­,,—”4

5数字钟时、分、秒为的设计————…6

24选4和动态显示模块的设计及仿真"A",,”,,,,,,,”,,,”,,,,,,,”,,,,,8

7、1寸I乂口yf*卞土白\JVI，》，》C》”””》»»”9999》》，C，9

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9闹模块:的设计口仿真—,10

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2^7%2"沙沙，》》»»»»》》»»»»»»15

17

参考文南犬17

至攵i身寸,,17

正文

1.设计要求说明

利用QuartusH软件设计一个数字钟，并下载到SmartSOPC实验系统中。

本次EDA实验要求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、快速校时、快速校分、整点报时等功能。

设计基本要求如下：

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（Kl=0正常工作，Kl=l时钟保持不变）；

4）K2是系统的清零开关（K2=（）正常工作，K2=l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=l时可以快速校分）；

6）K4是系统的校时开关（K4=0正常工作，K4=l时可以快速校时）；

设计提高部分要求

7）使时钟具有整点报时功能（当时钟计到59'53”时开始报时，在59'53"，59'55"59'

57”时报时频率为512Hz,59'59”时报时频率为IKHz,）；

8）闹表设定功能；

9）自己添加其他功能；

2.符号说明

使用符号意义使用符号意义

KEY1机械开关K1KEY5设定闹铃的分时位

KEY2机械开关K2KEY6设定闹铃的小时位

KEY3机械开关K3KEY7定时、计时切换开关

KEY4机械开关K4BEEP蜂鸣器

HHD时十位BCD码DHLD时个位BCD码D

HHC时十位BCD码CHLC时个位BCD码C

HHB时十位BCD码BHLB时个位BCD码B

HHA时十位BCD码AHLA时个位BCD码A

MHD分十位BCD码DMLD分个位BCD码D

MHC分十位BCD码CMLC分个位BCD码C

MHB分十位BCD码BMLB分个位BCD码B

MHA分卜位BCD码AMLA分个位BCD码A

SHD秒十位BCD码DSLD秒个位BCD码D

SHC秒十位BCD码CSLC秒个位BCD码C

SHB秒十位BCD码BSLB秒个位BCD码B

SHA秒十位BCD码ASLA秒个位BCD码A

3.方案论证

3.1脉冲分频电路的方案

2

脉冲分频电路的主要目的是把最初的48MHz的频率分为lKHz（用丁驱动数他管和

蜂鸣器报时用）、512Hz（用于蜂鸣器报时）、2Hz（用于快速校分和校时）和1Hz（用于

作秒脉冲）。

设计思路：先设计个模48计数器，再设计模1000计数器。

模48计数器用两片74160芯片配若干门电路。模1000计数器用三片74160芯片配

以若干门电路。

方框图如下

图148MHz--1Hz原理方框图

3.2模60计数器的设计方案

设计思路：用两片74160芯片加上少数门电路构成模60计数器，并且把相应的保

持、校分、清零功能做上去。

UU____>汕L13CD」颔1:8N次根践；

「％”1.模60秒位

计数器秒位进位信号-

图2秒位模块功能方框图

图3分位模块功能方框图

介位错位信匕

（保井）

Kevl♦模24时位时位BCD码输出（8位数据线）

Kc\2沾寺）♦计数器

Kev4（校时）

图4时位模块功能方根图

3

3.3报时电路的设计方案

使时钟具有整点报时功能:当时钟计到59'53”时开始报时，在59’53"，59'55"59'

57”时报时频率为512Hz,59'59”时报时频率为IKHzo

表I整点报时逻辑

TIMEMHCMHAM1.DMLASHDSHCSHRSHASI.DSl.CSI.BSLA

59'53”11110I()1001I

59'55”11110101010i

59,57”111101010111

59'59”111101011010

由上表可以看出，

Fout=MHC*MHA*MLD*MLA*SHC*SHA*{(SLC?SLA+SLB*SLA)*F512Hz+

SLD*SLA*FlKHz}

3.4显示译码电路的设计方案

显示译码电路由4个81MUX数据选择器、1个模6分频器、I个显示译码器7447

组成、6个数码管。考虑到数码管个数较多，所以采用动态译码显示。

图5显示译码模块功能方框图

3.5闹铃模块的设计方案

设计一个独立于正常计时模块外的计时模块。正常时，显示时钟的时间，闹铃模块

里锁存这设定的闹铃时间，比较器工作，时刻查询比较。当时钟时间和设定的时间相同

时比较器给出信号，蜂呜器响。设计类似校分校时的模块，设定闹钟时间。

3.6整个电路的模块结构

4

图6整个电路的模块方框图

4.48MHz—1Hz模块的设计及仿真

4.1MOD48计数器

由两个74160计数器构成，搭成如下电路图。

.Q如.R?BCLRO酬侬

CLRNOUTOCLRN

-r赵TiCLKCLK

'啦__G0XNTH二1iut5«.G.0,l.NT.R..

QAONQl"…IJ1AN03

YE3涧走qT

1-inst6

图7MOD48电眸图

4J-LirLnjirLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLnjTruTnjirLnn

o

UJcT-

mo23.工4

n

图8MOD48电路图的仿真结果

4.2MOD1000

由三个74160计数器构成，搭成如下电路图。

5

五6

6oL-

L74H1A

ACB

BloAlEDt

C

QA!QB1E

DQBC它

OC:OC1

IQD1

ENTQ.D

:RCO

ENPRCOH

CLRNI

-CLK

st2...CGi>yiWg>26@x

；-心工国二二

.inst6,臂niffiTli"i0A2"

〉而一:管

卢C2泡IPUT匕＞0C2

NQD21仃臼「仁二QDZ

图9MOD1000电路图

图IOMOD1000电路图的仿真结果

4.3MOD48M

将上述模块接连起来，并引出其他有用的频率。搭建如下电路图。

▲

WkKj与。1Hz

\48MHz.1

1000I

------iQA2.2Hz

oQB2

QC2

QD2

?S

'(QUPM.匕二二.1Hz

.2HzOlTPiBT匕三2Hz

512Hz.”।一、

oin：p;H..L-=>512应

*HZ._——.y,,

xDUTPFT匕二三IKHz

图11MOD48M电路图

产生2Hz和512Hz的思想：在最后一个MOD1000计数器的输出端引QB做为2Hz

6

的信号。把IKHz的频空经过T触发器进行分频，上身中T触发器的方程式

5.数字钟时、分、秒为的设计

5.1MOD24计数器的设计及仿真

模24模块用于小时位。它要设计保持、校时、清零功能，无需设计进位信号。

采用的是74160的清零功能，所以清零信号产生是小时高位出现0110。

由于74160本片的进位信号是与1001同时出现的。所以用了D触发器来延时。

保持功能是用74160自身的保持功能ENP输入端。

…74160…

A

HAOHA1

B■K

HBOHB1

7KO-HC1

HDOHD1

-X

RCO7,HOLD

H81!CLRdf.R

xTico

CLRNCLRN

X--------

CLK0RCO2

X----------CLKCLK

inst.…..COUNTER...RCO1.instS--COUJfTER.,...

HA。6二r.

-C=>HLA^…

；HOUP••一••••••••一

rbO益二

T----->HLB

-4-----»HLC

，"二.

=2Hz……

rKEY4-czz-

CLKO

二f才"I

HB1比缶】

iMRCO,-r-^'HHB

■I----->HHC

图12MOD24计数器电路图

图13校时与保持电路图

校时功能要把来自开关的校时信号和正常的低位片产生的进位信号整合起来。当

KEY4为高电平时，2Hz的校分信号可以通过，分为进位信号MRCO屏蔽；当KEY4

为高电平时，2Hz的校分信号被屏蔽，分为进位信号MRCO通过。

7

MROOpTrLRnjTrLrLnnjTrLrLnjTrLrLrLrLrLrLnjTrLrLrLrLrLrLrLruTrLRnjTrLrLrLnjTrLTruT

2HzmnRnjuuuinnfiiuminnjuuinnniuuuuinnwuinfiniuuinnnjuuiinnnwuinnnjuuinfinwinnnfiiuuinnnmjininnw

(±1HH2X-o厂1cX1X2X

□HL

KEY1

KEY4

图14MOD24计数器电路图的仿真图

5.2MOD60计数器构成秒位的设计及仿真

由MOD60模块设计秒位计数器原理图及仿真图如卜。

其清零信号是当高位出现0110。

进位信号是在59时产生的，即出现01011001,进位信号经个D触发器延时后，在

整60送出。

保持功能同前分析。

图15MOD60计数器秒位电路图

1Hz

KEY1

KEY2

习SH

aSL

SRCO

5.3MOD60计数器设计分位计数器原理图及仿真图

清零、保持功能和校分模块同前分析。

8

741AO~74160

LDN

",1A0rw

B

；MB。hl91

C

\MCOr.。

MDODM5T

ENT

R81

ENPRCO

CLR

;KEYYCLRN

CLKORCO2

CLK

八.一：

；2Hz...................C=>r；IASI…COUNTER—*；AASS3..COUNTER...J

iKEYA______c=S&…“i

tD-CLKO〜4

dnsiA......."Xi二■匕3MLA

MB0

RCO1RCO2x齐心二ML8

CLKO

逐蚂“二二二ISMLC"

VMDO

MCI

MA1

MAI?

M8:Z^MTCLKOM81HW，L.$RIHS*---

MAO:

：iaU5■…」

R:•谙二r‘苣5'MHO

图17MOD60计数器分位电路图

SRCO^ErmzrErTmrErCTmznznzmmrTTTTmzr

2HzTLrLrLrLrmTLrLnTLrLrLrLrmrLrLrLnTUTrLrLrLrLTLrLrLrLrLrLrLrLrLmr

KEY1

KEY2

KEYS

国MH!::5:!"T"\II!:：II!

国MLCT~XgoX'T"X"T"YTYIY^YgX7Y§Y^Ym"X-

MRCO

图18MOD60计数器分位电路图的仿真

6.24选4和动态显示模块的设计及仿真

实验中数码管的显示是采用动态驱动显示的，这样就设计到了数据的选择。对引入

模块的IKHz用74160进行6分频，用来驱动数码管的片选信号。74160输出的A2、

Al、A0三个信号是8选1选择器81mux和片选74138的公共输入信号。

AOJYA

:BOUTBOA

coxe

二b&j,D

Xoo

LTToe

RBOF

MNOG

图1924选4电路图

9

_IKHz……L_rn_rn__rn_j_i_r-i_r

HlHOUR-H【0X8X12)C5!)

出HOUR-L0

fflMINUTE-H:0X_________8___X10XJX3X_____________1___________

HIMINUTE-L------4------X-----X__________2_X3X_____________1___________

1

[USECOND-H：1X9X______________12X4X0)­

lilSECOND-L：1X4)(6X2)G_1___________X

an_II-LJ1__rL

1r~i__।i|_

L_rn

ctLJL

e_rL

f_rL

g_r一___r

日CHIP-...62X61X59X55X47X31X62)(61X59X55X47X31X

LDIG5-i_T

....D1G4-i_r

....DIG31__r

....D1G2_rn____r

....DIGI_r

-DIGO

图2024选4电路图的仿真

.整点报时模块的设计

分析参见前面的方案论证部分。

f512Hz

MC

.MHA

旧区5I2H2OUT

MLD

:SHC

:SHA

d：PIT亡512Hz.0UT

叮亡1KHCUT;

$P?…

•1kHz.

图21整点报时电路图

10

8.总模块的设计及仿真

•内・—

f—

飞”—

•«*■■■■

--

--

wr—

二.手工产二^ZDTT—，

图22总的模块电路图

puuiiiJUUujuiJiuiJiiiJiJinjuuuuinjmiJiiuuuiJiiiJLiiijuuuuinjmjuin

ji_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n_n

nnonn11nHl1nnnnnoJl__IL

JUM皿叽in皿juuuu聊juuuuuinnjui皿见皿iLnnfuuuuuinniuuuuLuuijuuinmjuuinnmjL.uuuuui

nnnirainmmimminnrwwwwwwTniijirwwwnnjuiJUW

ULnjLnjLnjLruLnjupLnjLnjLnjuuLnjLruLrjLnxnjLrixnjLrun

Jin_Jin_JinjinjinjLn_Jinjin_JLn_Jinjin_JLnjinjuuin_

HH

回HL

国MH

回ML

回SH

IVV*VI

QM〃什卜《•及用＞|＞何用•（郴冲卜「

SL微物懈燃《微麟雕㈱O：辘撇laiaiaixklama3，'加入A人心上懈就辘娜娜蟒挪ZR，，id，・\**】，］

KEY1

KEY2

KEY3

KEY4

512HZ0UT

IKHzOUT

图23总的模块电路图的仿真

从图中可以看出，总体的电路是可以正常工作，满足基本的设计要求：KEY1高电

平时数码保持不变，KEY2高电平时时位分位清零，KEY3高电平时快速校分，KEY4

高电平时快速校时。在59分53、55、57秒均有512Hz的脉冲输出，在59分59秒有

1KHz的高频脉冲输出。

9.闹铃模块的设计和仿真

设计思路：闹铃模块是独立于上述数字钟的另一个数字钟，即设计另一个不带秒位

的时钟。由于实验板上总共有8个LED数码管，所以显示采用复用方式：正常显示为

时钟时间，切换后显示定时时间。这里起切换作用的由开关KEY5充当。当KEY7为低电

平时：显示时钟时间；闹钟定时的时位、分位输出保持；4片8位数值比较器工作。当

KEY7为高电平时：显示闹钟设定的时间，并且只有在此时才能设定闹钟，时钟正常

II

计时，只是不显示。

闹铃模块的总体图如下:

匚n.，•一•

'a厂

*

y*二3

图24闹铃电路图

表2模块中使用的符号说明

符号意义符号意义

HHAT数字钟小时十位HHD闹钟定时小时十位

HHBT数字钟小时十位HHC闹钟定时小时十位

HHCT数字钟小时十位HHB闹钟定时小时十位

HHDT数字钟小时十位HHA闹钟定时小时十位

HLAT数字钟小时个位HLD闹钟定时小时个位

HLBT数字钟小时个位HLC闹钟定时小时个位

HLCT数字钟小时个位HLB闹钟定时小时个位

HLDT数字钟小时个位HLA闹钟定时小时个位

MHAT数字钟分钟十位MHA闹钟定时分位十位

MHBT数字钟分钟十位MHB闹钟定时分位十位

MHCT数字钟分钟十位MHC闹钟定时分位十位

MHDT数字钟分钟十位MHD闹钟定时分位十位

MLAT数字钟分钟个位MLA闹钟定时分位个位

MLBT数字钟分钟个位MLB闹钟定时分位个位

MLCT数字钟分钟个位MLC闹钟定时分位个位

MLDT数字钟分钟个位MLD闹钟定时分位个位

用4片8位比较器7485构成的比较电路如下:

12

图25闹铃电路图中的32位比较器

分析具功能：COMPARE是与KEY7进过反相器相接的。当KEY7为局也平时，

COMPARE为低电平，这样第一片7485三个级联输入端ALBLAEBLAGBI都为低电平，

输出ALBO,AEBO,AGBO也都为低，如此下去，整个比较器都不工作，最后的输出E3

也为（）；当KEY7为低电平时，COMPARE为高电平，这样第一片7485三个级联输入

端AEBI为高电平，输出ALBO,AEBO,AGBO则根据小时的高位来比较输出：设定的闹

铃时间，其小时的高位比实际的时间小时高位小或大，第一片7485输出的E0为0,后面

几片El、E2、E3都为0；若设定闹铃时间，其小时的高位比实际的时间小时高位相等,

第一片7485输出的E0为1,后面几片的分析类似上面。

图26闹铃电路图中的比较结果输出电路

当比较器输出“相等”信号，即E3=l时，上面的电路开始工作。该电路的主要功

能是当闹铃时间到时，输出频率有变化的蜂鸣信号。电路简单，就不再赘述了。

组应二二二二二二飞随:;2Tz

隙工二二二=哙一-——x

七二二WEE，七.，乂

fkUyy.....I........；k❷冷

haM5.J

COMPARE

；*2庖二二二二之＞三跆

江K应二二二二二二一海三

图27闹铃电路图中的输入量

上图是对输入该模块的几个信号的说明：该模块用到2Hz,512Hz,IKHz,

KEY5,KEY6,KEY7o

13

[M0D60_lMLAMOD24

KEY1HLA

Xkey1jKEY2MLA：MLB>2七，HLB

KEY1MLB2HzHLB

2Hz?:MLC；；产；HLC；

tkey3：2HzMLC：MLD共KEY4HLCiHLD

KEY3MLDTMHA」MRCOHLD

HHA

-SRCOMHA:MHB、:HHBX

MHB二MHC：HHB:HHC：

：

MHC：MHD一HHC[H*

MHDHHD

MRCO

Iirst2instil

图28闹铃电路图中的计时器

由于该模块这涉及显示和比较，不用把时位和分位连接，故没有进位信号。

FsETAL

MHAOHHD1

HHAOMHATHHDHHC1

UHBOHHATHHCHHB1

"HHBOMHBTHHBHHA1「

UHCOHHBTHHAHLD1

HHCOMHCTHLDHC.

UNDOHHCTHLCHLB1；

HHDOMHDTHLBHLA1

UU\0HHDTHLAMHD1

；HLAOMLATMHDMHC,

1LILBOHLATMHCMHB1

HLBOMLBTMHBMHA1

LILCOHLBTMHAMLD)

fHLCOMLCTMLD加比

ULDOHLCTMLCMLB,

HLDOMLDTMLBMLAV

---------------K

：2HZHLDTMLA

KEY52HzE3TIMEUP、

---------------K

KEY6KEY5BEEP

JKEY7KEY6

512HzKEY7

'、1KHz512Hz

1KHz

!mst3

图29闹铃电路图生成的电路单元

这是闹铃模块生成的模块图，用到很多的输入和输出。

IKHz

512Hz

2Hz

KEY5

KEYS

3KEY7

3hh

3hl

Mh

国HHT

3HLT'

a'MHT"

囹MLT

BEEP

图30闹铃电路图的仿真结果

由图可见：在KEY7为低电平时，设定时间的信号KEY5是不起作用的，而比较器

14

工作，蜂鸣器有输出。在KEY7为高电平时，KEY5设定分位，KEY6设定时位，比较

器不工作，E3输出Oo

切换显示

切换显示电路用简单的逻辑门搭建。KEY7为1时,显示闹铃设定的时间，KEY7

为0时，显示数字钟的时间。

图32切换开关阵列

由类似门电路搭建的庞大的切换模块。由于闹铃中没有设置秒位，所以把闹铃中的

秒位都设为零。见下图：

15

SHD1

SHC1;

SHB1j

SHA1j

SLD1j