数字时钟实习报告

1、 数字电路课程设计 题目： 利用 CPLD 设计可调时数字钟 学 院 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学 号 姓 名 教 师 2012 年 7 月 2 日 装 订 线 基于 CPLD 数字时钟设计 摘 要 本数字钟采用动态显示数字的方法，输入 512Hz 的时钟信号，驱动显示位 选信号产生，位选信号以 85Hz 从 0 到 6 不断地扫描数码管。 输入 2Hz 信号通过 2 分频变成秒信号，秒信号驱动时钟计数模块计数，完 成时钟计数的功能，在位选信号扫描到相应的数码管时，计数器将计数的结果 显示在数码管上，由于视觉残留的关系，人眼会感觉到数字一直在显示，从而 实现计时功能。 在手

2、动调节时钟时，有三个按键，一个实现清零，一个作为模式选择键， 最后一个作为调整时间键。其中模式选择键按照顺序选择要调整的数码管，并 将其产生的信号与时钟输入端产生的信号在闪烁控制模块进行对比，输出 2Hz 的信号传输给 BCD-7 段译码器控制要调整的显示位的显隐；而调整时间键则在 选好数码管后通过按压按键产生脉冲使数码管实现加一的运算，从而改变时间。 将 1Hz 闪烁的小数点接在秒信号上即可。 关键词：CPLD 三八译码器 七段译码器 目 录 一 总体设计方案.1 1.1 设计要求 .1 1.2 设计原理 .1 1.2.1 电源电路.1 1.2.2 振荡电路与分频电路 .1 1.2.3 显示

3、电路.2 二 各模块说明.4 2.1 设计思路及步骤 .4 2.2 总体框图 .4 2.3 各模块说明 .5 2.3.1 BCD-7 段译码器 .5 2.3.2 时间计数器电路.6 2.3.3 数据选择器电路.9 2.3.4 译码器电路.10 2.3.5 比较器电路.11 2.3.6 按键消抖电路.11 2.4 数字钟电路总图 .12 三 课程总结.14 3.1 遇到的问题及其解决办法 .14 3.2 收获与体会 .14 参考文献.14 一 总体设计方案 1.1 设计要求 1、以数字形式显示时、分、秒的时间； 2、要求手动校时、校分、校秒； 3、调节时间时对应显示位以 2Hz 频率闪烁； 4、

4、时与分显示之间的小数点常亮； 5、分与秒显示之间的小数点以 1Hz 频率闪烁； 6、各单元模块设计即可采用原理图方式也可以用Verilog 程序进行设 计。 1.2 设计原理 1.2.1 电源电路 如图 1.1 示为实验所需的电源电路。 图 1.1 电源电路 1.2.2 振荡电路与分频电路 晶体振荡器给数字钟提供一个频率稳定准确的 32768Hz 的方波信号,可保证 数字钟的走时准确及稳定. 分频电路采用 T 触发器对其分频，每经过一个 T 触发器对其二分频，所以 各点的分频倍数分别为：QD: 24 QE: 25 QF: 26 QG: 27 QH: 28 QI: 29 QJ: 210 QL:

5、212 QM: 213 QN: 214；此处采用的是 32768Hz 的晶振， 故分频之后 QF:512Hz、QI:64Hz、QN:2Hz。 电路原理图如右图 1.2 所示。 图 1.2 分频电路 1.2.3 显示电路 计数器实现了对时间的累计以 8421BCD 码形式输出,选用显示译码电路将计 数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流. 图 1.3 显示电路 数码管是共阴数码显示管，当其控制端为“0”时，数码显示管显示。显示 模块输入时钟频率为 512Hz，显示刷新频率约为 85Hz。如图 1.3 示。 1.2.4 CPLD 电路原理图 此原理图 1.4 的 MODE 和

6、 ADD 分别控制校正位和其校正位进行加一校正。 MODE 共有七个状态分别对应六个数码管的校正和正常计数。 图 1.4 实验原理图 二 各模块说明 2.1 设计思路及步骤 1 按原理图和元件插件图完成电路的焊接； 2 拟定数字钟的组成框图，划分模块； 3 对各单元模块电路进行设计与波形仿真； 4 总体电路设计与仿真； 5 程序下载与调试。 2.2 总体框图 图 2.1 总体框图 数字时钟总图数字时钟总图 计数器数据选择器译码器 512 显示位 控制信号 时间调节 小数点控制 按键消抖 清零闪烁控制 三进制计数六进制计数十进制计数 2.3 各模块说明 2.3.1 BCD-7 段译码器 程序模块

7、： module bcd7seg(bcd,bin,seg); input 3:0bcd; input bin; output reg 6:0seg; always ( bin , bcd) begin if(!bin)seg=7b0000000; else case(bcd) 4d0:seg=7b0111111; 4d1:seg=7b0000110; 4d2:seg=7b1011011; 4d3:seg=7b1001111; 4d4:seg=7b1100110; 4d5:seg=7b1101101; 4d6:seg=7b1111101; 4d7:seg=7b0000111; 4d8:seg=7

8、b1111111; 4d9:seg=7b1101111; default:seg=7b0000000; endcase end endmodule 工作原理：通过将该模块例化，变成门级行为描述，完成对应十进制信号 在数码管上的显示。 该电路仿真图如图所示： 图 2.2 译码显示电路仿真图 2.3.2 时间计数器电路 利用 7493 连成一个六进制计数器，仿真正确后命名为 cnt6。 图 2.3 六进制计数器电路原理图 图 2.4 六进制计数器仿真图 利用 7493 连成一个十进制计数器，仿真正确后命名为 cnt10。 图 2.5 十进制计数器原理图 图 2.6 十进制计数器仿真图 利用 749

9、3 连成一个三进制计数器，仿真正确后命名为 cnt3。 图 2.7 三进制计数器原理图 图 2.8 三进制计数器仿真图 将三进制、六进制、十进制计数器连接成计数器电路，如下图所示。既可 实现清零功能，又可以通过将六进制与十进制级联成为六十进制计数器，将三 进制与十进制级联成为二十四进制计数器，将秒的六十进制进位作为分的时钟 信号，将分的六十进制进位作为小时的时钟信号，从而实现钟表的计时功能。 图 2.9 计数器电路原理图 图 2.10 计数器仿真图 2.3.3 数据选择器电路 参照数字电路设计讲义，连接数据选择器电路。 图 2.11 数据选择器电路图 图 2.12 数据选择器仿真图 2.3.4

10、 译码器电路 参照数字电子技术基础中显示译码器真值表及逻辑表达式，连接译码器电 路，以控制显示块显示 09 十个数字。 图 2.13 译码器电路原理图 2.3.5 比较器电路 图 2.14 比较器电路原理图 图 2.15 比较器电路仿真图 2.3.6 按键消抖电路 64Hz 消抖动模块时钟 利用两个 D 触发器连成一个二位移位寄存器，用 64Hz 频率对 key 进行采样， 依次寄存在二位移位寄存器中，若前后一致则结果为这个值，若前后不一致则 保持原结果。功能如下表所示： 表 2-1 第一 D 触发器第二 D 触发器结 果 000 0/11/0 保持 111 图 2.16 按键消抖电路原理图

11、图 2.17 按键消抖电路仿真图 2.4 数字钟电路总图 数码管显示控制电路工作原理：以 512Hz 的频率作为输入端时钟脉冲， 用六进制计数器为三八译码器提供六个不同状态，分别控制六个数码管的状态， 每个数码管的显示频率约为 85Hz,可以充分的利用人眼的视觉残留现象实现数 字的常显，观测到的结果为：数码管常亮。此电路中小数点的显示是用一个或 门，通过 1Hz 频率来控制第三个数码管的小数点显示，再通过一个与非门来控 制第五个数码管的小数点显示。第五个数码管的小数点在整个脉冲阶段显示， 而第三个数码管的小数点只有在低电平时显示，故观察到结果是第五个数码管 常亮，而第三个数码管的小数点以 1H

12、z 的频率闪烁。在手动调节时钟时，有三 个按键，一个实现清零，一个作为模式选择键，最后一个作为调整时间键。其 中模式选择键按照顺序选择要调整的数码管，并将其产生的信号与时钟输入端 产生的信号在闪烁控制模块进行对比，输出 2Hz 的信号传输给 BCD-7 段译码器 控制要调整的显示位的显隐，观测结果为在调整某位的数值时，数码管以 2Hz 的频率闪烁，并通过按键实现修改时间。 图 2.19 数字钟电路全图 三 总结 3.1 遇到的问题及其解决办法 由于该设计中所提供 CPLD 只有 64 个宏单元，若自己编写程序有可能导致所 需的宏单元数超过提供的数量，所以在针对显示的数字 6 和 9 不够美观（

13、缺少 一横）时，曾打算将 BCD-七段译码器重新进行编写，而该电路中是采用的已有 的 74 系列的集成电路，若在门极结构上直接更改电路难度较大、也比较繁琐， 经查阅资料也未发现 quartusII 可以实现门级描述向行为级描述的逆向编译， 所以无法将译码器转化为 vhdl 语言进行编译，只能在新建立一个模块，先自己 编写程序，改掉已有的弊端，编译运行无误后再将其元件化，替换掉原来的七 段译码器模块。 焊接前要先弄清楚要焊接的元件，焊接最需要注意的是焊接的温度和时间， 我觉得焊 接的时间最重要而且不太容易把握。焊接的时间不能太短，那样焊点 的温度就会太低，焊 点融化不充分，很容易造成虚焊；而焊接

14、时间长，则会使 焊锡流淌，使元件过热，易于损 坏，还容易烫坏电路板，同样会造成虚焊的现 象。焊接完成后，焊点应呈现锥形，这才是好的焊点。 3.2 收获与体会 经过这次的实习，学到了很多。首先是对 EDA 的 vhd 语言的更深层次认识， 本来觉得 EDA 编程语言比较麻烦，可是接触了以后也就觉得它还是有它方便的 地方，尤其是和图形编程结合的特点。其次，这个实践其实到目前为止应该还 不是一个成功的作品，还是有很多的仿真没有完成，原因可能也是自己的技术 不到位。但是整个制作的过程中，它促进了同学之间的相互沟通，也让我在自 己的专业知识的学习过程中，更多的，更好的学习一门知识，用于以后的实践 应用中，做这个数