【正文】 設(shè)計(jì)是通過對(duì)數(shù)字鐘個(gè)組要組成部分的 VHDL 源程序編程和頂層文件的生成來實(shí)現(xiàn)的。在本設(shè)計(jì)中數(shù)字鐘的主要組成部分有撥碼開關(guān)模塊、 按鍵修改模塊， 計(jì)數(shù)器模塊、分頻計(jì)模塊、七段譯碼器模塊和數(shù)據(jù)選擇器模塊。通過按鍵可以實(shí)現(xiàn)選擇顯示時(shí)、分、秒或年、月、日，同時(shí)可以顯示翻屏，還可以通過 按鍵 調(diào)整時(shí)、分及對(duì)秒進(jìn)行清零。 武漢理工大學(xué)《 EDA》課程設(shè)計(jì)說明書 5 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)目的 （ 1） 初步掌握 Quartus 軟件的使用方法，提高運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言 VHDL 的能力，初步 了解時(shí)序電路的設(shè)計(jì) 。 （ 2） 利用對(duì)生活中熟悉的電子表，用語(yǔ)言設(shè)計(jì)相似功能的數(shù)字鐘 。 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 完成以下基本要求及進(jìn)行提高： （ 1） 設(shè)計(jì)一個(gè) 6 位 LED 動(dòng)態(tài)掃描顯示的數(shù)字鐘，根據(jù)一個(gè)控制鍵能選擇顯示時(shí)、分、秒或年、月、日； （ 2）通過 按鍵 可以進(jìn)行時(shí)、分、年、月、日的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)翻屏； （ 3） 可以設(shè)置鬧鐘時(shí)間及整點(diǎn)報(bào)時(shí)，鬧鈴蜂鳴器頻率為 1000Hz，整點(diǎn)報(bào)時(shí)頻率為 2021Hz； （ 4） 具有定時(shí)翻屏功能，每隔 54s，顯示一次年月日 ； （ 5）運(yùn)用 圖形設(shè)計(jì)方法完成頂層原理圖的設(shè)計(jì)。 該數(shù)字鐘可以實(shí)現(xiàn) 3 個(gè)功能：計(jì)時(shí)功能、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能和重置時(shí)間功能，因此有 3 個(gè)子模塊：計(jì)時(shí)、報(bào)時(shí)、重置時(shí)間。其中計(jì)時(shí)模塊有 4 部分構(gòu)成：秒計(jì)時(shí)器、分計(jì)時(shí)器和時(shí)計(jì)時(shí)器 。 其中包括分秒 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器、時(shí) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器、日 30 進(jìn)制計(jì)數(shù)器、月 12 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和年 10 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后根據(jù)要求設(shè)置一個(gè) 6 選 1 的數(shù)據(jù)選擇器并且通過控制鍵實(shí)現(xiàn)選擇顯示時(shí)、分、秒或年、月、日，最后再設(shè)置 3 個(gè)按鍵 調(diào)整數(shù)字鐘，并且通過一個(gè)七段譯碼器和 8 進(jìn)制計(jì)數(shù)器控制七 段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示。 3 數(shù)字鐘的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原理與方法 武漢理工大學(xué)《 EDA》課程設(shè)計(jì)說明書 6 數(shù)字計(jì)時(shí)器基本功能是計(jì)時(shí) ， 因此首先需要獲得具有精確振蕩時(shí)間的脈振信號(hào) ， 以此作為計(jì)時(shí)電路的時(shí)序基礎(chǔ) ， 實(shí)驗(yàn)中可以使用的振蕩頻率源為 4KHZ， 通過分頻獲得所需脈沖頻率 1Hz,1KHz,500Hz。 為產(chǎn)生秒位 ， 設(shè)計(jì)一個(gè)模 60 計(jì)數(shù)器 ， 對(duì) 1HZ 的脈沖進(jìn)行秒計(jì) 數(shù) 產(chǎn)生秒位 ， 為產(chǎn)生分位 ， 通過秒位的進(jìn)位產(chǎn)生分計(jì)數(shù)脈沖 ， 分位也由模 60 計(jì)數(shù)器構(gòu)成為產(chǎn)生時(shí)位 ， 用一個(gè)模 24 計(jì)數(shù)器對(duì)分位的進(jìn)位脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。整個(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)部分共包括六位時(shí)十位、時(shí)個(gè)位、分十位、分個(gè) 位、秒十位和秒個(gè)位。顯示功能是通過數(shù)選器、譯碼器、碼轉(zhuǎn)換器和 7 段顯示管實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中只用一個(gè)譯碼顯示單元 ， 7 個(gè) 7 段碼 ，6 個(gè)用于顯示時(shí)分秒 ， 一個(gè)顯示星期 ， 所以通過 4 個(gè) 7 選一 MUX 和一個(gè) 38 譯碼器配合根據(jù)計(jì)數(shù)器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。清零功能是通過控制計(jì)數(shù)器清零端的電平高低來實(shí)現(xiàn)的。只需使清零開關(guān)按下時(shí)各計(jì)數(shù)器的清零端均可靠接入有效電平 ， 本實(shí)驗(yàn)中是低電平 ， 而清零開關(guān)斷開時(shí)各清零端均接入無效電平即可。 校分校時(shí)功能由防抖動(dòng)開關(guān)、邏輯門電路實(shí)現(xiàn)。其基本原理是通過邏輯門電路控制分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖 。 當(dāng)校分校時(shí) 開關(guān)斷開時(shí) ， 計(jì)數(shù)脈沖由低位計(jì)數(shù)器提供 ， 當(dāng)按下校分校時(shí)開通時(shí) ， 既可以手動(dòng)觸發(fā)出發(fā)式開關(guān)給進(jìn)位脈沖 ， 也可以有恒定的 1Hz 脈沖提供恒定的進(jìn)位信號(hào) ， 計(jì)數(shù)器在此脈沖驅(qū)動(dòng)下可快速計(jì)數(shù)。為實(shí)現(xiàn)可靠調(diào)時(shí) ， 采用防抖動(dòng)開關(guān) ， 由 D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn) ， 克服開關(guān)接通或斷開過程中產(chǎn)生的一串脈沖式振動(dòng)。 保持功能是通過邏輯門控制秒計(jì)數(shù)器輸入端的 1Hz 脈沖實(shí)現(xiàn)的。正常情況下 ， 開關(guān)不影響脈沖輸入即秒正常計(jì)數(shù) ， 當(dāng)按下開關(guān)后 ， 使脈沖無法進(jìn)入計(jì)數(shù)端 ， 從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)保持功能。整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能可以通過組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的各位呈現(xiàn)特定的電平時(shí) ， 可以選通特定的實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)刻以指定頻發(fā)音報(bào)時(shí)。 單元模塊設(shè)計(jì) 按鍵 消抖電路模塊 通常的按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，電壓信號(hào)并不穩(wěn)定，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。 [4]因而在閉合及斷開的瞬間均有一連串的抖動(dòng)，抖動(dòng)的時(shí)間的長(zhǎng)短有按鍵的機(jī)械特性決定，一般為 5ms~10ms。 完成程序后可以創(chuàng)建元件 。 武漢理工大學(xué)《 EDA》課程設(shè)計(jì)說明書 7 分頻 器 模塊設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要將 開發(fā)板 的 50MHZ 信號(hào) 分出 1HZ 和 1KHZ 共 2 種時(shí)鐘信號(hào)，1HZ脈沖信號(hào)用來提供計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào) —— 在 1HZ 的脈沖下，每隔一秒，秒自加一次 ，1KHZ脈沖信號(hào)用來提供消抖電路的時(shí)鐘信號(hào) ， t 用于數(shù)碼管掃描 。完成程序后可以創(chuàng)建原理圖 元件，其元件符號(hào)如圖 31 所示。 圖 31 分頻 器 計(jì)數(shù)器模塊設(shè) 計(jì) 計(jì)數(shù)器模塊主要由 秒 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、分 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、時(shí) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、日 30 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、月 12 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、年計(jì)數(shù)模塊和 8 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。 下圖 33 是將 60進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、分 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊、時(shí) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊 融合為一個(gè)模塊。 圖 33 時(shí)鐘電路 圖 34 日 30 進(jìn)制計(jì) 數(shù)器 圖 35 月 12 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 秒 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)為 1HZ 的脈沖信號(hào)，每計(jì)數(shù)到 59 便會(huì)產(chǎn)生一次進(jìn)位作為分 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)模 塊的時(shí)鐘信號(hào)，該模塊加入一個(gè)清零端，當(dāng) CS 為 1 時(shí)，秒計(jì)數(shù)模塊中的個(gè)位和十位同時(shí)為零，當(dāng) CS 為 1 時(shí)正常計(jì) 數(shù) .分 60 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)為秒計(jì)數(shù)模武漢理工大學(xué)《 EDA》課程設(shè)計(jì)說明書 8 塊的進(jìn)位信號(hào)，其通過一個(gè)增加鍵 CM 對(duì)其調(diào)整。 時(shí) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)為分計(jì)數(shù)模塊的進(jìn)位信號(hào)，其通過一個(gè) 增加鍵 CH 對(duì)其調(diào)整。 其中 UP， CHANGE 信號(hào)說明如下，當(dāng) UP 信號(hào)為高時(shí)時(shí)，表示數(shù)碼管翻屏了，即顯示年月日的時(shí)間為 6ms。 UP 信號(hào)為低電平時(shí)，顯示時(shí)分秒。在 UP 有效時(shí)， CHANGE 為低電平，所有數(shù)碼管上部分熄滅，下部分顯示年月日的下半部分， CHANGE 為高電平 時(shí)，正常顯示年月日部分，直到 UP 為低。 [5] 日 30 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)為時(shí)計(jì)數(shù)模塊的進(jìn)位信號(hào)，其通過一個(gè)置數(shù)端 load 對(duì)其調(diào)整。日 30 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的 VHDL 程序如附錄所示，完成程序后可以創(chuàng)建元件，其元件符號(hào)如圖 34 所示。 月 12 進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)為日計(jì)數(shù)模塊的進(jìn)位信號(hào)，其通過一個(gè)置數(shù)端對(duì)其調(diào)整。月 12 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的 VHDL 程序如附錄所示，完成程序后可以創(chuàng)建元件，其元件符號(hào)如圖 35 所示。 年進(jìn)制計(jì)數(shù)模塊的時(shí)鐘信號(hào)由月計(jì)數(shù)模塊的進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生，年計(jì)數(shù)模塊又由四個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，分別是個(gè)位、十位、百位和 千位計(jì)數(shù)模塊組成，中間由進(jìn)位信號(hào)連接。其VHDL 程序如附錄所示，完成程序后可以創(chuàng)建元件，其元件符號(hào)分別如圖 3圖 3圖 38 和圖 39 所示。 圖 36 年個(gè)位計(jì)數(shù)器 圖 37 年十位計(jì)數(shù)器 圖 38 年百位計(jì)數(shù)器元件 圖 39 年千位計(jì)數(shù)器元件符號(hào) 同時(shí)，本設(shè)計(jì)中還需要設(shè)計(jì)一個(gè) 8 進(jìn)制計(jì)數(shù)器用來提供七段數(shù)碼管的位選碼和數(shù)據(jù)選擇器的狀態(tài)信號(hào)。 其程序如附錄所示，其元件符號(hào)如圖 3210 所示。 圖 310 8 進(jìn)制計(jì)數(shù)器 武漢理工大學(xué)《 EDA》課程設(shè)計(jì)說明書 9 鬧鐘及蜂鳴器設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)只針對(duì)時(shí)分秒進(jìn)行定時(shí)，并可任意設(shè)定定時(shí)時(shí)間。整點(diǎn)報(bào)時(shí)蜂鳴器的頻率是2021Hz，鬧鐘是 1000Hz。元件符號(hào)如 圖 311 所示。 圖 311 鬧鐘及蜂鳴器 八 段譯碼模塊設(shè)計(jì) 一個(gè) 數(shù)碼 管是由 8 段 LED 顯示的 ， 09 對(duì)應(yīng)著不同的字形。數(shù)碼管是共陽(yáng)的，使用共陽(yáng)字型碼。 需要 將 BCD 碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼管可以顯示的碼 ，該模塊的程序如附錄所示，其元件符號(hào)如圖 313 所示。 圖 313 八 段譯 碼 數(shù)字鐘設(shè)計(jì)總原理圖 利用至頂向下的設(shè)計(jì)方法 ， 新建一個(gè) Block Diagram， 在 Quartus Ⅱ 環(huán)境下連接各模塊組成數(shù)字鐘的總原理圖如圖 314 所示。 武漢理工大學(xué)《 EDA》課程設(shè)計(jì)說明書 10 VCCcmINPUTVCCchINPUTVCCcdaINPUTVCCcmoINPUTVCCcy1INPUTVCCcy2INPUTVCCcy3INPUTVCCcy4INPUTVCCclkINPUTVCCrs