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1、成都工业学院 电子工程学院毕业设计论文毕业设计（论文）专 业 微电子 班 次 1206161 姓 名 Sg 指导老师 Hm 成都工业学院二零一五年 基于VHDL语言实现数字时钟的设计摘要: 随着人类的不断进步，现代电子设计技术已进入一个全新的阶段，传统的电子设计方法、工具和器件在更大的程度上被EDA所取代。数字时钟是一个将“时”、“分”、“秒”显示于人的视觉器官的计时装置。本设计是基于VHDL语言设计的数字时钟，具有时、分、秒显示功能。电路主要有时间计数模块、时间显示模块以及译码模块。该数字时钟的时间计数模块的功能是计时，计时周期为24小时；时间显示模块能显示“时”、“分”、“秒”，其中时2位
2、、分2位、秒2位，共六个数位，显示满刻度为23时59分59秒。通过分频得1Hz的秒钟信号，秒计满60即得1分钟，分满60即得1小时信号，小时满24即得一天。该数字时钟能实现清零，调时，调分以及闹钟等功能。通过采用Quartus2软件的对该数字时钟进行编程与仿真，得到了一个拥有计数，调时，闹钟的电子时钟。通过对数字时钟设计能掌握各类计数器及它们相连的设计方法，熟悉多个数码管显示的原理与方法以及模块化设计方式；掌握用VHDL语言的设计思想以及整个数字系统的设计。关键字: 数字时钟； VHDL语言； Quartus2；模块化目 录第1章 绪论31.1 数字时钟的意义31.2 数字时钟的背景31.3
3、数字时钟的国内外现状4第2章 数字时钟的设计环境52.1 EDA简介52.2 VHDL简介52.2.1 VHDL的特点62.2.2 VHDL的设计结构72.2.3 VHDL的设计步骤72.3 Quartus 2 软件的介绍7第3章 数字时钟的硬件设计93.1 模块设计框图93.2 模块的设计103.2.1 分频模块103.2.2 计数模块103.2.3 段选与位选显示模块113.2.4 控制模块123.2.5 闹钟模块123.2.6 显示选择模块133.3数字时钟总体原理图13第4章 数字时钟的VHDL实现154.1 软件设计与说明154.2 程序流程框图154.3模块流程图164.3.1按键
4、调整模块流程图164.3.2闹钟模块流程图174.3.3分频模块流程图184.3.4计数模块流程图194.3.5显示选择模块流程图214.3.6显示模块流程图21第5章 数字时钟的仿真235.1 Quartus 2 仿真235.2 数字时钟模块的仿真235.3 数字时钟的仿真26结语27致谢28参考文献29附录30第1章 绪论一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。从古至今，时间是人们生活中不可缺少的重要伴侣。如果没有时间的概念社会将停滞不前，从古代的圭表、水漏到后来的机械钟表，以及当今的电子钟都充分显现出了时间的重要。因此利用当今先进的科技致力于电子钟的研究，将能更好的服务于人们的生活。1.1 数字
5、时钟的意义时间的宝贵是个亘古不变的真理，然而工作的忙碌性和繁杂性很容易让人忘记当前的时间或是工作中不能及时方便地知晓时间。交通上，火车汽车要准时到达，航班要准时起飞；在日常生活中，学校要求上学准时，公司召开的会议要求参加准时，重要约会要求到达准时；在工业生产中，许多工作环节都规定了精准的时间、间隔以及次序。所以说，随时准确地知道时间并且利用时间是学习、工作、生活的必要要求。因此设计一款准确，多功能的数字时钟是至关重要的。电子时钟与机械时钟相比具有很多优越性，首先其主要特点是直观性，电子时钟可以通过数字显示反映出当前的时间。其次在使用寿命方面，因为电子钟不是机械驱动，所以使用寿命更长。然后在准确
6、度方面，由于应用了电子集成电路和石英晶体振荡器，数字时钟的精准度远远超过了老式石英钟的石英机芯驱动。最后，电子时钟还能大大扩展老式钟表的功能，在准确显示时间的基础上，还可借助数字时钟实现诸如闹铃、定时、自动报警等功能。电子时钟的意义不仅仅在于反应时间本身，这个时间系统还可以当做一个单位模块应用于其他设备中，比如定时广播、定时开关烤箱、定时关闭路灯，以及其他各种定时电气的自动启用等设备，都是内嵌了电子时钟而实现其时间功能的。因此，研究电字时钟及其拓展电路的应用，将会对以后研究其他自动化设备产生积极意义。1.2 数字时钟的背景20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了
7、社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。数字电子技术是当前发展最快的学科之一。数字电路的设计过程和方法也在不断的发展和完善。由于半导体技术的迅速发展，微型计算机的广泛应用，所以数字电子技术在现代科学技术领域中占很重要的地位，应用也更加广泛。数字电子技术是十九世纪末、二十世纪初开始发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。1.3 数字时钟的国内外现状时间计时的历史要从公元1300年前开始追溯，那时人们主要是利用天文现象或流动物质的连续性运动来计时。我国天文学
8、家张衡制造的漏水转浑天仪是最早出现的机械钟。公元1350年，意大利的丹蒂制造出第一台机械打点塔钟，这是最简单的钟表。公元1582年左右，意大利物理学家伽利略发明了重力摆。18世纪到19世纪，钟表制造行业已逐步实现工业化大规模生产，并且已经达到了相当高的水平。20世纪，随着资本主义工业化国家的高速发展，电子行业逐渐展露锋芒，尤其在20世纪末，电子技术飞速发展，使全球进入一个信息化新时代，在这个趋势下，新兴的电子产品几乎渗透到我们生产生活的各个部分。与此同时，现代电子产品的性能一步步提升，电子产品更新换代的速度也越来越快。我国钟表行业的发展则经历了古代、近代、现当代。1949年以前，我国还没有手表
9、制造业，1949年以后开始了我国钟表行业的发展；六十年代时，我国还是计划经济模式，全国化大生产，由国家投资，生产的全都是机械表；到了七十年代到八十年代，随着国际电子技术的发展，我国电子表也跟上步伐，猛烈冲击了传统的机械钟表所占的全国垄断的形势；九十年代，石英钟表发展已基本完善，基本统一了我国的钟表市场。时至今日，石英技术在计时领域大放异彩，各种计时工具大多采用了石英晶体振荡器。如今，电子时钟形态各异，种类繁多，有微型、嵌入型的电子时钟，也有悬挂在公共场合的大型电子表，这些电子表大都外形美观，而且拓展了不少功能。由于单片机可以很容易实现芯片的智能化，所以在电子钟的基础上，人们可以根据自己的需要以
10、及场合要求添加不同的附加功能。需要整点报时可添加蜂鸣器，需要测量环境温度可以添加温度传感器，或者检测空气质量、空气湿度等，也可以设置定时闹铃功能甚至还可以添加USB端口读取其他设备数据。第2章 数字时钟的设计环境电子设计自动化是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。2.1 EDA简介20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探
11、索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展
12、。利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完成。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA 技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文所指的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。2.2 VHD
13、L简介硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）诞生于1962年。HDL是用形式化的方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。主要用于描述离散电子系统的结构和行为。经历了从机器码（晶体管和焊接）、汇编（网表）、到高级语言（HDL）的过程。VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言,他诞生于1982年。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076（简称87版）之后，各EDA公司相继推出
14、了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，(即IEEE标准的1076-1993版本)主要是应用在数字电路的设计中。现在，VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。有专家认为，在新的世纪中，VHDL于Verilog语言将承担起大部分的数字系统设计任务。 目前，它在中国的应用多数是用
15、FPGA/CPLD/EPLD的设计中。当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可是部分，及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。2.2.1 VHDL的特点应用VHDL进行系统设计，有以下几方面的特点:（一）功能强大VHDL具有功能强大的语言结构。它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。VHDL是一种设计、仿
