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文檔簡(jiǎn)介

1、多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)報(bào)告姓名: 學(xué)號(hào): 專業(yè): 院系: 指導(dǎo)教師: 時(shí)間: 摘要:為了對(duì)所學(xué)的數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程進(jìn)行實(shí)踐,借eda實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì),利用quartusii軟件設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘,并下載到smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中??梢酝瓿?0:00:00到23:59:59的計(jì)時(shí)功能,并在控制電路的作用下具有保持、清零、快速校時(shí)、快速校分、整點(diǎn)報(bào)時(shí),鬧鐘設(shè)定等功能。介紹了對(duì)以上各個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)思路。this study is conducted to practice the knowledge learned in course digital logic circuits and s

2、ystems design, opportunity to eda experiment by using quartusii software to design a digital clock, and downloaded to smartsopc experimental platform. the clock can complete function 00:00:00 to 23:59:59 of the time, and under the control circuits have functions to maintain, initialization, quick ad

3、justment minutes and hours, chime on integral hour, alarm settings and other. describe the concrete realization of these features and design ideas.關(guān)鍵詞:數(shù)字鐘 digitalclock eda實(shí)驗(yàn) eda experiment quartusii quartusiismartsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)smartsopc experimental platform 目錄一、設(shè)計(jì)要求說明- 3 -設(shè)計(jì)基本要求:- 3 -設(shè)計(jì)提高要求:- 3 -二、方案論證(整

4、體電路的工作原理)- 3 -三、各子模塊設(shè)計(jì)原理- 4 -1、脈沖發(fā)生電路:- 4 -2、計(jì)時(shí)電路:- 4 -3、動(dòng)態(tài)譯碼顯示電路:- 4 -4、校分校時(shí)電路:- 5 -關(guān)于開關(guān)的消顫問題:- 5 -5、報(bào)時(shí)電路:- 5 -6、保持電路:- 5 -7、清零電路:- 5 -8、鬧鐘電路:- 5 -四、調(diào)試與實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決問題的方法- 6 -五、仿真- 7 -3分頻仿真波形:- 7 -2分頻仿真波形:- 7 -10分頻仿真波形:(3個(gè)級(jí)聯(lián)成1千分頻器,占空比6:4)- 7 -16分頻仿真波形:- 8 -模24計(jì)時(shí)器仿真波形:- 8 -模60計(jì)數(shù)器仿真波形:- 8 -六、編程下載- 9

5、-結(jié)論:- 9 -實(shí)驗(yàn)的收獲與感受:- 9 -期望及要求:- 9 - 參考文獻(xiàn):- 9 -正文:一、設(shè)計(jì)要求說明設(shè)計(jì)基本要求:1、 能進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能;2、 分別由六個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)分秒的計(jì)時(shí);3、 設(shè)置系統(tǒng)的使能開關(guān) (key8開關(guān)低電平正常工作,高電平時(shí)鐘保持不變);4、 設(shè)置是系統(tǒng)的清零開關(guān)(key7開關(guān)低電平正常工作,高電平時(shí)鐘的分、秒全清零);5、 設(shè)置是系統(tǒng)的校分開關(guān)(key1開關(guān)低電平正常工作,高電平時(shí)可以快速校分);6、 設(shè)置是系統(tǒng)的校時(shí)開關(guān)(key2開關(guān)低電平正常工作,高電平時(shí)可以快速校分);設(shè)計(jì)提高要求:1、使時(shí)鐘具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能(當(dāng)時(shí)鐘計(jì)到5953”時(shí)開始報(bào)時(shí),

6、在5953”, 5955”,5957” 時(shí)報(bào)時(shí)頻率為512hz,5959”時(shí)報(bào)時(shí)頻率為1khz);2、鬧表設(shè)定功能,key3開關(guān)高電平時(shí)進(jìn)入鬧鐘設(shè)定狀態(tài),key4和key5分別對(duì)鬧鐘狀態(tài)的分鐘和小時(shí)進(jìn)行快速調(diào)校,key6作為鬧鐘鈴聲的開關(guān),低電平處于關(guān)閉狀態(tài),高電平為開啟狀態(tài)。二、方案論證(整體電路的工作原理)設(shè)計(jì)一個(gè)電子時(shí)鐘,大致需要一下幾個(gè)部分,如圖1:圖(1) 其中,脈沖發(fā)生電路提供包括計(jì)時(shí)電路的秒脈沖和提供給報(bào)時(shí)電路的蜂鳴器在內(nèi)的各種頻率脈沖,然后由計(jì)時(shí)電路完成00:00:00到23:59:59的計(jì)時(shí)功能,通過顯示譯碼器發(fā)送信號(hào)到7段數(shù)碼管上,清零電路連接在計(jì)時(shí)電路中各計(jì)數(shù)器的清零端,

7、即可通過異步清零方式來實(shí)現(xiàn)功能,校分校時(shí)電路原理相同,通過引入一個(gè)快速調(diào)校的脈沖來取代原計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)功能。最后的鬧鐘功能通過另加一套計(jì)時(shí)器,即通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存的功能,儲(chǔ)存下設(shè)定的時(shí)間,最后使之與計(jì)時(shí)電路的輸出相比較,實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能。三、各子模塊設(shè)計(jì)原理1、脈沖發(fā)生電路: 如果把整個(gè)電子鐘系統(tǒng)比作人體的話,秒脈沖電路就是整個(gè)系統(tǒng)的心臟,由他給整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的信號(hào),而時(shí)鐘的精確性也要依靠秒脈沖來保證,所以脈沖發(fā)生電路是十分重要的,由于本次eda試驗(yàn)中的smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用的是cyclone的ep1c12q240c8型號(hào)的芯片,這個(gè)芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘是48mhz,所以需要通過分頻電

8、路來分出本設(shè)計(jì)中需要的各級(jí)頻率。整個(gè)設(shè)計(jì)中,包括基礎(chǔ)的秒脈沖,蜂鳴器需要的高頻信號(hào)和消顫信號(hào),一共需要1hz、125hz、500hz、1000hz四個(gè)頻率的時(shí)鐘輸出。為分出以上頻率,設(shè)計(jì)了3個(gè)二分頻器,1個(gè)三分頻器,1個(gè)十六分頻器和2個(gè)一千分頻器。其中二分頻器由1個(gè)d觸發(fā)器實(shí)現(xiàn),三分頻器由74160計(jì)數(shù)器做成的模三計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),十六分頻器由模16計(jì)數(shù)器74163實(shí)現(xiàn),一千分頻器由3塊模十計(jì)數(shù)器74160級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。在這里,要考慮到一個(gè)占空比的問題,即時(shí)鐘信號(hào)中低電平0和高電平1的比例,這個(gè)比例不能過大否則經(jīng)過級(jí)聯(lián)的放大后,會(huì)出現(xiàn)999999:1這種情況系統(tǒng)將無法檢測(cè)到這個(gè)相比之下類似毛刺的脈沖信號(hào)

9、。我組通過觀察后發(fā)現(xiàn),在09的bcd碼中,要滿足保持連續(xù),比例最接近5:5,線路連接簡(jiǎn)易等條件,則可采用將bc位相或的方法,即27的bcd碼中間2位能邏輯或出1,其余出0,占空比為6比4,要滿足5:5可通過卡諾圖來計(jì)算出更為復(fù)雜的邏輯關(guān)系,但相應(yīng)的就不能滿足邏輯連線簡(jiǎn)易的條件。2、計(jì)時(shí)電路:以上脈沖發(fā)生電路是心臟的話,計(jì)時(shí)電路就是人體中的大腦,由他來控制整個(gè)計(jì)時(shí)器最重要的功能,即計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)電路的秒鐘位和分鐘位各使用一個(gè)模六十計(jì)數(shù)器,小時(shí)位使用一個(gè)模二十四計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。其中秒的時(shí)鐘信號(hào)源為脈沖電路給出的1hz的秒脈沖;分鐘的時(shí)鐘信號(hào)源為秒十位的進(jìn)位信號(hào),每隔60秒一次;小時(shí)位的時(shí)鐘信號(hào)源為分十位

10、的進(jìn)位信號(hào),每60分鐘一次。模六十計(jì)數(shù)器和模二十四計(jì)數(shù)器都由2個(gè)模十計(jì)數(shù)器74160通過級(jí)聯(lián)和邏輯關(guān)系構(gòu)成。具體電路可參見附帶的程序圖。在這里要注意到一個(gè)時(shí)序邏輯電路中的冒險(xiǎn)問題,其輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)在時(shí)間配合上未滿足一定的條件就會(huì)產(chǎn)生冒險(xiǎn),為了解決冒險(xiǎn)問題,應(yīng)該用同步時(shí)序邏輯電路代替異步時(shí)序邏輯電路,并盡量簡(jiǎn)化各級(jí)聯(lián)間的邏輯關(guān)系。3、動(dòng)態(tài)譯碼顯示電路: 七段數(shù)碼管可有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示2種,前者每個(gè)數(shù)碼管都要對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示譯碼器,而動(dòng)態(tài)顯示使用數(shù)據(jù)選擇器來實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用,巧妙的利用人眼的視覺殘留現(xiàn)象,使一個(gè)顯示譯碼器來驅(qū)動(dòng)多個(gè)七段數(shù)碼管,顯然動(dòng)顯所耗費(fèi)的系統(tǒng)資源要少,本次試驗(yàn)要求使用動(dòng)態(tài)顯示來驅(qū)

11、動(dòng)顯示譯碼管。由于要顯示的時(shí)鐘有6位,所以需要的bcd碼也有6位(組),分別為sl、sh、ml、mh、hl、hh,故需要一個(gè)24選四的數(shù)據(jù)選擇器,6組24個(gè)bcd碼被送到數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端,采用quartusii軟件提供的自定義lpm_mux器件,定義一個(gè)4*6選1(組)數(shù)據(jù)選擇器,選出的那組4個(gè)bcd碼送入七段顯示譯碼器7448進(jìn)行譯碼,產(chǎn)生七段顯示碼給數(shù)碼管,24選4數(shù)據(jù)選擇器的地址選擇信號(hào)由計(jì)數(shù)器74160的低三位輸出來做出一個(gè)模八信號(hào)來給出(由于74160的時(shí)鐘頻率夠高,多兩個(gè)狀態(tài)也無所謂,實(shí)際只需要模六就夠了,但要做模六勢(shì)必要添加邏輯結(jié)構(gòu),不夠簡(jiǎn)潔),同時(shí)這低三位給一個(gè)74139

12、譯碼器,其輸出作為6個(gè)七段數(shù)碼管位碼dig的選通信號(hào),這樣每選通一個(gè)數(shù)碼管都能顯示出對(duì)應(yīng)位的數(shù)字出來。只要頻率夠高,就能實(shí)現(xiàn)輪流顯示,在人眼看來,仿佛就是同時(shí)顯示的一半,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示功能。4、校分校時(shí)電路:校分和校時(shí)電路的原理相同,現(xiàn)列舉校分電路來解釋其原理。添加一個(gè)分個(gè)位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào),使之有兩個(gè)不同的周期來源,一個(gè)來自秒十位計(jì)數(shù)器給它的進(jìn)位信號(hào),還有一個(gè)就是快速校分信號(hào),這里我組選用1hz作為快速調(diào)校頻率(校時(shí)亦同)。根據(jù)一個(gè)開關(guān)和三個(gè)與門形成的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇正常計(jì)時(shí)狀態(tài)或者是快速調(diào)校狀態(tài)。關(guān)于開關(guān)的消顫問題:由于smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的key是機(jī)械開關(guān),機(jī)械開關(guān)在接通或斷

13、開過程中,因?yàn)橄鄬?duì)于芯片的速度處理速度,機(jī)械的彈簧出片接觸的時(shí)間會(huì)顯得長,期間由于機(jī)械的彈性形變,會(huì)產(chǎn)生一連串脈沖式的振動(dòng),在電路中會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生一串電脈沖,若不采取措施,就會(huì)使邏輯電路發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作,為了消除這種誤動(dòng)作,需要設(shè)計(jì)一個(gè)消顫開關(guān)。在具體實(shí)現(xiàn)中我們采用觸發(fā)器來完成消顫啟動(dòng)開關(guān)。由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的是按鈕式開關(guān)而非單刀雙擲開關(guān),故選擇d觸發(fā)器作為吸收顫抖的期間。其原理如下:給d觸發(fā)器一個(gè)時(shí)鐘頻率,其頻率不能太大,不能高于機(jī)械顫抖的頻率,否則不能消除顫抖,這樣一來只在d觸發(fā)器收到上升沿觸發(fā)信號(hào)到來的時(shí)候才會(huì)記錄開關(guān)的狀態(tài),從而消除了機(jī)械顫抖,我組選擇125hz做為消顫頻率,經(jīng)實(shí)驗(yàn)可行。5、報(bào)時(shí)

14、電路: 數(shù)字鐘的報(bào)時(shí)功能由一個(gè)邏輯結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),由它來決定報(bào)時(shí)的時(shí)間,按照設(shè)計(jì)要求,當(dāng)時(shí)鐘計(jì)到5953”時(shí)開始報(bào)時(shí),在5953”, 5955”,5957” 時(shí)報(bào)時(shí)頻率為500hz,5959”時(shí)報(bào)時(shí)頻率為1khz,報(bào)時(shí)所需要的頻率由第一個(gè)模塊脈沖發(fā)生電路提供,最后將邏輯輸出接到發(fā)聲器件蜂鳴器beep。6、保持電路: 將一個(gè)經(jīng)過消顫處理后的開關(guān)(key8)通過一個(gè)與門與接給秒個(gè)位的秒脈沖信號(hào)相連,由于設(shè)計(jì)要求開關(guān)0位為正常工作,1位保持,故開關(guān)信號(hào)后要添加一個(gè)非門,相應(yīng)的,1hz的秒脈沖信號(hào)也是通過一個(gè)非門后再接入與門,否則會(huì)引起時(shí)序上的錯(cuò)誤。7、清零電路: 通過一個(gè)開關(guān)(key7)加上一定邏輯電路

15、與12個(gè)計(jì)數(shù)器(包括鬧鐘設(shè)定的那6個(gè))的清零端連接,由于功能是清零,所以無所謂機(jī)械開關(guān)的振動(dòng),不需要加入消顫電路。8、鬧鐘電路: 最后的鬧鐘功能通過另加一套計(jì)時(shí)器,即通過計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存的功能,它能儲(chǔ)存下設(shè)定的時(shí)間,這幾個(gè)計(jì)時(shí)器通過另一個(gè)24選4的數(shù)據(jù)選擇器,其輸出和第一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器所選出的計(jì)時(shí)信號(hào)通過一個(gè)開關(guān)(key3,在正常計(jì)時(shí)和鬧鐘設(shè)定間切換顯示狀態(tài))選擇并輸出給七段顯示譯碼管7447。鬧鐘的這套計(jì)時(shí)電路我們并不給它始終信號(hào),只是引入和校分校時(shí)相同原理的電路,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定鬧鐘時(shí)間的功能。關(guān)于如何使系統(tǒng)在設(shè)定的時(shí)間鬧鈴,我組選擇使用4個(gè)7485數(shù)值比較器,比較鬧鐘和時(shí)鐘計(jì)時(shí)器的小時(shí)位分鐘

16、位的的四位數(shù)據(jù),全一致后,輸出一個(gè)500hz的信號(hào)給beep蜂鳴器,為了使鬧鈴更人性化,在這個(gè)500hz的鬧鈴信號(hào)上,再加一個(gè)開關(guān)(key6)作為鬧鐘鈴聲的開關(guān),低電平處于關(guān)閉狀態(tài),高電平為開啟狀態(tài)。四、調(diào)試與實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決問題的方法1、在設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生電路中的10分頻器時(shí)遇到占空比過大的問題,導(dǎo)致級(jí)聯(lián)后無法仿真,通過修改輸出邏輯關(guān)系,將占空比改為4:6。2、在設(shè)計(jì)模24計(jì)數(shù)器即小時(shí)位的計(jì)時(shí)器時(shí),由于使用hl位的進(jìn)位給hh的時(shí)鐘端作為時(shí)鐘信號(hào),導(dǎo)致2片計(jì)數(shù)器工作不同步,雖然仿真成功,但在編程下載到smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后,實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤(錯(cuò)誤表現(xiàn):時(shí)鐘在21:59:59進(jìn)位發(fā)

17、生錯(cuò)誤,下一時(shí)刻本為22:00:00,卻變成02:00:00),由于仿真無誤,百思不得其解,經(jīng)老師指正錯(cuò)誤在于計(jì)數(shù)器由于不同步發(fā)生冒險(xiǎn),雖然在實(shí)驗(yàn)之前老師一再強(qiáng)調(diào)這點(diǎn),但在實(shí)驗(yàn)中還是不知不覺的犯了這個(gè)錯(cuò)誤。最后將2片計(jì)數(shù)器接同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào),hl的進(jìn)位信號(hào)輸出給hh的使能端。修改后編程下載觀察,錯(cuò)誤排除。3、在做鬧鐘功能要比較2組時(shí)間數(shù)據(jù)時(shí),經(jīng)老師提醒才想起用7485數(shù)值比較器,說明對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的掌握還不夠扎實(shí)。4、在做開關(guān)的時(shí)候,雖然有之前電工電子做數(shù)字鐘的經(jīng)驗(yàn),知道要做防抖開關(guān),但卻忽略了開關(guān)的區(qū)別,電工電子實(shí)驗(yàn)時(shí)用的是單刀雙擲開關(guān),可以用rs鎖存器加d觸發(fā)器配合的電路來解決抖動(dòng)問題,而sma

18、rtsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中使用的是按鈕開關(guān)的單邊啟動(dòng)電路,所以在參考了1的第178頁中的按鈕式消顫啟動(dòng)開關(guān)后對(duì)開關(guān)電路做了修改,使用給一個(gè)d觸發(fā)器一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的辦法,使開關(guān)信號(hào)僅在時(shí)鐘下降沿才通過,別的顫抖被d觸發(fā)器吸收。五、仿真3分頻仿真波形:2分頻仿真波形:10分頻仿真波形:(3個(gè)級(jí)聯(lián)成1千分頻器,占空比6:4)16分頻仿真波形:模24計(jì)時(shí)器仿真波形:模60計(jì)數(shù)器仿真波形:六、編程下載所有功能完成后,編程下載到smartsopc實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中,經(jīng)反復(fù)檢測(cè),所有功能均得到實(shí)現(xiàn),并通過老師的驗(yàn)收。結(jié)論:實(shí)驗(yàn)的收獲與感受: 從零開始設(shè)計(jì)這個(gè)多功能數(shù)字鐘的過程中遇到了很多問題,在小組討論調(diào)試和老師的幫助下,從做出最基礎(chǔ)的秒脈沖信號(hào),到看著自己的時(shí)鐘逐漸的擁有各種功能,并且運(yùn)行無誤,雖然當(dāng)遇到一個(gè)難題怎么試都錯(cuò)誤,有過想不出消顫的方法,甚至午飯都不去吃,就買個(gè)面包當(dāng)午飯,在實(shí)驗(yàn)室畫電路,但每成功測(cè)試一個(gè)功能后的喜悅就能將之前的疲勞全都消除,繼續(xù)到下一個(gè)功能的設(shè)計(jì)修改中。本來還要設(shè)計(jì)添加一個(gè)12小時(shí)制和24小時(shí)制的功能,最后由于時(shí)間和12小時(shí)計(jì)數(shù)器的問題沒能實(shí)現(xiàn),但大致的原理,和添加到總電路的方法都已經(jīng)確定了,不得不說是這次實(shí)驗(yàn)的遺憾。我覺得這次的eda實(shí)驗(yàn),

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