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1、数字逻辑电路设计数字逻辑电路设计-多功能数字钟多功能数字钟多功能数字钟多功能数字钟摘要：实验作品名为多功能数字钟，具有校时、清零、保持、整点报时、闹钟 五大功能。整个实验以 QuartusII 7.0 为软件设计基础，结合 Altera 公司研 发的 Cyclone 系列可编程逻辑器件工具箱进行实际测试。整个数字钟的开 发完全遵照自顶向下的设计方法，这个设计因为该方法可移植性强、逻辑 符合一般规律、可多人共做等优点而得以为设计人员省去大量时间和精力。 本作品在防抖动电路和蜂鸣器鸣响时长控制上拥有一定的自主创新性和理 论证明，同时由于整个设计过程当中适当地对每个器件进行了有机的封装， 所以电路图
2、的逻辑关系较为清晰。现在数字钟因其在日常生活生产中的作 用而成为可盈利的商品，在金钱的驱动下数字钟的设计方法与本实验作品 相比功能和效率上都有非常大的提升，故本实验的目的在于让设计者充分 了解数字逻辑电路设计的流程和具体软件的使用方法。 关键词：数字钟，可编程逻辑器件，防抖动电路，学习型设计The design of Multifunctional digital clockAbstract: This experimental product is called Multifunctional digital clock. It has five major functions such a
3、s time setting, resetting, holding, alarming, and beeping when it comes to an addition to the hour. The whole experiment is based on the software of design called Quartus II 7.0 and is tested by combining the Cyclone series of programmable logical device provided by Altera. The clock is designed und
4、er the process of from the top to the end. The method spares designers lots of time and energy for its flexibility to be transplanted, easiness for ordinary logic reasoning and availability for cooperative designing. The product is self-creative and provable in terms of turbulence muting and manipul
5、ation of the period of beeping. At the same time, the diagrams of the circuits are apparently logical thanks to well-organized sealing of each part of device during the design. In this era of common concept of inexpensiveness of digital clocks, methods and effectiveness of designing a clock are impr
6、oved due to its profitability. Hence, this experimental design is aimed at letting the participants to understand the process of digital logic circuits designing and to get to familiar with the usage of particular software. Keyword: Digital Clock, programmable logic device, mute circuit, design for
7、learning目录目录一 设计要求与说明.4二 方案论证41.设计整体思路2.设计大体流程三各子模块设计原理与调试仿真.51.时钟发生器52.计时电路.73.显示电路.94.校分电路和清零电路125.报时电路.136.储时电路.157选择电路.168.闹钟比较电路.169其他17四编程下载1整体电路图.182管脚配置193编译调试19五实验感想一设计要求与说明一设计要求与说明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、使能开关 4、清零开关 5、校分开关 6、校时开关 7、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”
8、,5957” 时报时频率为 512Hz,5959”时报时频率为 1KHz, ） 8、闹表设定功能 9、自己添加其他功能二方案论证二方案论证1设计整体思路设计整体思路图图 1 数字钟的功能设计思路大致如图 1 时钟发生电路：位计时电路提供频率为 1HZ 的稳定脉冲，该电路是整个时 钟是否精准的关键 计时电路：由时钟发生器驱动，存储并演绎时间的流逝 储时电路（闹钟）：储存一个固定的时间 选择电路：由输入端控制调校或显示储时电路和计时电路中的一个 显示电路：将两个时间电路的输出信号调制成可输出的信号 报时电路：根据时间信号以一定的模式输出符合要求的蜂鸣器驱动信号 校分电路：使时间电路脱离时钟驱动并以
9、累加的方式分别调校时与分 清零电路：使时钟电路的所有信号归零2 设计大体流程设计大体流程1）设计时钟发生电路与计时电路2）连接两个模块并调试电路，分别用灯检测时分秒的运行状况 3）设计显示电路并单独调试 4）连接时钟电路和显示电路并调试，整体调试时钟电路 5）设计校分电路和清零电路并连接调试 6）设计报时电路并单独调试 7）连接报时与时钟电路，利用已调校好的调分清零电路调校报时电路的功 能 8）设计储时电路（在计时电路上适当修改） 9）设计选择电路将计时电路和储时电路连接，调校选择电路以保证时间与 调校显示的接口功能正常 10） 整体调试并增加诸如防抖动等优化电路三各子模块的设计原理与调试三各
10、子模块的设计原理与调试时钟发生器时钟发生器图时钟发生器设计思路大致如图 ）十六分频电路由四个触发器异步连接而成）图实时（timing）仿真如图 4图 4有仿真图波形可初步断定用 4*T 触发器一步连接对高频信号进行 16 分频是不会产生明显延迟和错位现象 ）一千分频电路由三个十进制加法计数器连接而成，连接方式是：低 位计数器的 QD 端与高位计数器的 CLK 端相连图 5为方便今后对十分频器的使用在此对其进行了封装，仿真波形图如下图 6输入波周期为 10ns，由图 6 所示仿真图中的时间条可看出，在 Timing 模式下 1000 分频电路对高频信号几乎无延迟与错位，同时可看 出该分频器的占空
11、比为 1:10。 4 ) 3 分频电路由十进制加法计数器和反馈电路组成一个模三计数器。 74160 为异步置数计数器，故可将信号 0010 反馈为有效的置数信号，由于 0010 时 QB 的状态在所有三个状态中独一无二，故连接图如下图 7波形仿真如下图图 8 由图 8 可知输出波形无明显延迟但有少许错位，占空比严格保证在 3:1。 由于整体连接时各元件显示为封装形式，故电路图类似于图 2；连接完成后， 由于仿真数据量过大，故直接下载在实体 LED 灯上进行检测，经简单的对 表测试后，认为 1HZ 输出电路没有逻辑错误及大的时间延迟。2计时电路计时电路图 9 计时电路设计思路如图，整个电路均采用
12、异步计数方式连接。 ）模 60 计数器 该计数器由两个 74160 模 10 计数器构成，低位计数器的进位端取非后作 为高位计数器的时钟信号。加非门的原因是 74160 计数器的 RCO 端在 1001 时产生上升沿，0000 时产生下降沿，而其时钟端由上升沿驱动，故对 RCO 取非以保证低位 9 变为 0 时，高位刚好进位。由于模 60 计数器对个位没有特殊数字要求，故设计的反馈电路只针对高 位，同样还是使用 74160 的置数端作为控制接口，可将高位 0101 反馈为有 效置零信号同时兼顾到模 6 计数器某些 bit 的特殊性，可将反馈电路设计成 如图。图 10将 7 个输出端分别接在 7
13、 个 LED 上，输入 3HZ 的时钟频率检验模 60 分 秒计数器设计无误。 ）模 24 计数器 模 24 计数器同样使用两个 74160 构成，进位电路与模 60 计数器完全相 同。由于模 24 的个位在特殊数字上发生跳变，故反馈电路需兼顾低位计 数器。同时应注意，在此应用异步清零的方法控制跳变。这是由于异步置 数的本质是在下一个时钟信号（上沿）到来时，才进行置数，而高位的时 钟信号由低位的进位端所控制，经逻辑演绎得知：当计数器满足跳转条件 时，低位的跳转不能给高位提供时钟信号，以至于出现 23-20-21-22- 23-20 的死循环，故此处需使用异步清零的方式产生跳变。原理图如下：图
14、11图中 inst4 是制作后期加入的清零控制电路。用同样的方法对其进行调试。）整个计时电路设计如下图 12图中 dividerfin 是 1HZ 发生器，double60 是分秒计数器，counter24 是时计 数器，在分秒时计数器之间仍用 RCO 接非门的方式完成进位，其中 abcd 表 示一个十进制位的四位二进制输出，从左到右从低到高，l 与 h 区分个位与 十位，q 区分分秒与小时，分秒中 1 代表秒，2 代表分。3显示电路显示电路图 13显示电路的功能是：将 4 位二进制的时间信号转换为适于显示的七段码;分时输出六个时间信号。重点在于设计分时扫描电路。在此之前，须 了解实际器件的显
15、示规则。本实系统中，有一组七段显示码输入端以及 八个显示器的使能端，这意味着每个时刻显示器中（不管有几个在工作） 只能显示一个数字信息，因此，所设计的显示电路必须在不同时刻将不 同的数据信息输入到不同的显示器上。这就需要该电路能令使能端和数 据段协调地工作，故可用一个适当的时钟频率同时控制这个显示过程， 在此过程中，我们称使能端的控制为扫描，称数据段的传输为译码。由 于人眼的时间分辨率大概为 24HZ，故索取扫描频率应高于 24HZ，本次设 计中扫描频率设定为 1KHZ。）扫描部分 该部分由一个模 6 计数器和一个译码器构成,其中,模 6 计数器以扫描频率 轮流将八个地址码输入到译码器中，最终控制六个显示器的使能端。这里 注意到每个显示器都是共阴阳极连接,故可以采用 74138 38 线译码器作 为背极控制器，相应的采用 744
