【正文】 1 基于 VHDL語言的多功能數(shù)字鐘設(shè)計 懸賞分： 20 | 解決時間： 202135 15:26 | 提問者： 100lyg 多功能數(shù)字鐘的主要功能如下 : （ 1） 計時和校時 ,時間可已 24h制或 12h制顯示。 （ 2） 日歷：顯示年、月、日、星期及設(shè)定功能。 （ 3） 跑表：啟動、停止、保持顯示和清除。 (4) 鬧鐘：設(shè)定鬧鐘時 間，整點提示 希望能幫上忙的好心人發(fā)至我的郵箱 : 最佳答案 數(shù)字電子鐘的設(shè)計 一、 緒論 （一）引言 20 世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會的各個領(lǐng)域，有力地推動了社會生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快。 時間對人們來說總是那么寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人忘記當(dāng)前的時間。忘記了要做的事情，當(dāng)事情不是很重要的時候，這種遺忘無傷大雅。但是，一旦重要事情，一時 的耽誤可能釀成大禍。例如，許多火災(zāi)都是由于人們一時忘記了關(guān)閉煤氣或是忘記充電時間。尤其在醫(yī)院，每次護(hù)士都會給病人作皮試，測試病人是否對藥物過敏。注射后，一般等待 5 分鐘，一旦超時，所作的皮試試驗就會無效。手表當(dāng)然是一個好的選擇，但是，隨著接受皮試的人數(shù)增加，到底是哪個人的皮試到時間卻難以判斷。所以，要制作一個定時系統(tǒng)。隨時提醒這些容易忘記時間的人。 鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地擴展了鐘表原先的報時功能。諸如定時自動報警、按時自動打鈴、時間程序自動控制、定時廣播、定時啟閉電路、定時開 關(guān)烘箱、通斷動力設(shè)備，甚至各種定時電氣的自動啟用等，所有這些，都是以鐘表數(shù)字化為基礎(chǔ)的。因此，研究數(shù)字鐘及擴大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實的意義。 （二）論文的研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本系統(tǒng)采用石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、顯示器和校時電路組成。由 LED數(shù)碼管來顯示譯碼器所輸出的信號。采用了 74LS 系列中小規(guī)模集成芯片。使用了 RS 觸發(fā)器的校時電路。總體方案設(shè)計由主體電路和擴展電路兩大部分組成。其中主體電路完成數(shù)字鐘的基本功能 ,擴展電路完成數(shù)字鐘的擴展功能。論文安排如下： 緒論 闡述研究電子鐘所具有的現(xiàn)實意義 。 設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計方案 論述電子鐘的具體設(shè)計方案及設(shè)計要求。 2 單元電路設(shè)計、原理及器件選擇 說明電子鐘的設(shè)計原理以及器件的選擇，主要從石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、顯示器和校時電路五個方面進(jìn)行說明。 繪制整機原理圖 該系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作全部完成。 二、設(shè)計內(nèi)容及設(shè)計方案 （一）設(shè)計內(nèi)容要求 設(shè)計一個有 “時 ”、 “分 ”、 “秒 ”（ 23 小時 59 分 59 秒）顯示且有校時功能的電子鐘。 用中小規(guī)模集成電路組成電子鐘，并在實驗箱上進(jìn)行組裝、調(diào)試。 畫出框圖和邏輯電路圖。 4 、功能擴展： (1)鬧鐘系統(tǒng) (2)整點報時。在 59 分 51 秒、 53 秒、 55 秒、 57 秒輸出 750Hz音頻信號，在59 分 59 秒時，輸出 1000Hz信號，音像持續(xù) 1 秒，在 1000Hz 音像結(jié)束時刻為整點。 (3)日歷系統(tǒng)。 （二）設(shè)計方案及工作原理 數(shù)字電子鐘的邏輯框圖如圖 1 所示。它由石英晶體振蕩器、分頻器、計數(shù)器、譯碼器顯示器和校時電路組成。振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻脈沖信號 ,作為數(shù)字鐘的時間基準(zhǔn) ,然后經(jīng)過分頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。秒計數(shù)器滿 60 后向分計數(shù)器進(jìn)位 ,分計數(shù)器滿 60 后向小時計數(shù)器進(jìn)位 ,小時計數(shù) 器按照 “24翻 1”規(guī)律計數(shù)。計數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計時出現(xiàn)誤差時 ,可以用校時電路校時、校分。 圖 1 數(shù)字電子鐘邏輯框圖 三、單元電路設(shè)計、原理及器件選擇 （一）石英晶體振蕩器 重要概念的解釋 (1) 反饋：將放大電路輸出量的一部分或全部，通過一定的方式送回放大電路的輸入端。 (2) 耦合：是指信號由第一級向第二級傳遞的過程。 3 石英晶體振蕩器的具體工作原理 石英晶體振蕩器的特點是振蕩頻率準(zhǔn)確、電路結(jié)構(gòu)簡單、頻率易調(diào)整。它被廣泛應(yīng)用于彩電、計算機、 遙控器等各類振蕩電路中。它還具有壓電效應(yīng)：在晶體某一方向加一電場，晶體就會產(chǎn)生機械變形；反之，若在晶片的兩側(cè)施加機械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。在這里，我們在晶體某一方向加一電場，從而在與此垂直的方向產(chǎn)生機械振動，有了機械振動，就會在相應(yīng)的垂直面上產(chǎn)生電場，從而使機械振動和電場互為因果，這種循環(huán)過程一直持續(xù)到晶體的機械強度限制時，才達(dá)到最后穩(wěn)定，這種壓電諧振的頻率即為晶體振蕩器的固有頻率。 用反相器與石英晶體構(gòu)成的振蕩電路如圖 2 所示。利用兩個非門 G1 和 G2 自我反饋，使 它們工作在線性狀態(tài)，然后利用石英晶體 JU來控制振蕩頻率，同時用電容 C1 來作為兩個非門之間的耦合，兩個非門輸入和輸出之間并接的電阻 R1和 R2 作為負(fù)反饋元件用，由于反饋電阻很小，可以近似認(rèn)為非門的輸出輸入壓降相等。電容 C2 是為了防止寄生振蕩。例如：電路中的石英晶體振蕩頻率是4MHz時，則電路的輸出頻率為 4MHz。 圖 2 石英晶體振蕩電路 (二 )分頻器 8421 碼制 ,5421 碼制 用四位二進(jìn)制碼的十六種組合作為代碼，取其中十種組合來表示 09 這十個數(shù)字符號。通常，把用四位二進(jìn)制數(shù)碼來 表示一位十進(jìn)制數(shù)稱為二 十進(jìn)制編碼，也叫做 BCD 碼，見表 1。 表 1 8421 碼 5421 碼 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0010 3 0011 0011 4 0100 0100 5 0101 1000 6 0110 1001 7 0111 1010 8 1000 1011 9 1001 1100 4 分頻器的具體工作原理 由于石英晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率很高，要得到秒脈沖，需要用分頻電路。例如，振蕩器輸出 4MHz信號，通過 D 觸發(fā)器（ 74LS74）進(jìn) 行 4 分頻變成 1MHz,然后送到 10 分頻計數(shù)器（ 74LS90,該計數(shù)器可以用 8421 碼制，也可以用 5421 碼制），經(jīng)過 6 次 10 分頻而獲得 1Hz方波信號作為秒脈沖信號。（見圖 3） 圖 3 分頻電路 圖中標(biāo)志的含義 CP——輸入的脈沖信號 C0——進(jìn)位信號 Q——輸出的脈沖信號 (三 )計數(shù)器 秒脈沖信號經(jīng)過 6 級計數(shù)器，分別得到 “秒 ”個位、十位， “分 ”個位、十位以及 “時 ”個位、十位的計時。 “秒 ”、 “分 ”計數(shù)器為 60 進(jìn)制，小時為 24 進(jìn)制。 60 進(jìn)制計數(shù)器 (1) 計數(shù)器按觸發(fā) 方式分類 計數(shù)器是一種累計時鐘脈沖數(shù)的邏輯部件。計數(shù)器不僅用于時鐘脈沖計數(shù)，還用于定時、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及數(shù)字運算等。計數(shù)器是應(yīng)用最廣泛的邏輯部件之一。按觸發(fā)方式，把計數(shù)器分成同步計數(shù)器和異步計數(shù)器兩種。對于同步計數(shù)器，輸入時鐘脈沖時觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)是同時進(jìn)行的，而異步計數(shù)器中的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)則不是同時。 (2)60 進(jìn)制計數(shù)器的工作原理 “秒 ”計數(shù)器電路與 “分 ”計數(shù)器電路都是 60 進(jìn)制，它由一級 10 進(jìn)制計數(shù)器和一級6 進(jìn)制計數(shù)器連接構(gòu)成，如圖 4 所示，采用兩片中規(guī)模集成電路 74LS90 串接起來構(gòu)成的 “秒 ”、 “分 ”計數(shù)器。 圖 4 60 進(jìn)制計數(shù)電路 5 IC1 是十進(jìn)制計數(shù)器， QD1 作為十進(jìn)制的進(jìn)位信號， 74LS90 計數(shù)器是十進(jìn)制異步計數(shù)器，用反饋歸零方法實現(xiàn)十進(jìn)制計數(shù)， IC2 和與非門組成六進(jìn)制計數(shù)。74LS90 是在 CP 信號的下降沿翻轉(zhuǎn)計數(shù)， Q A1 和 Q C2 相與 0101 的下降沿，作為 “分 ”（ “時 ”）計數(shù)器的輸入信號，通過與非門和非門對下一級計數(shù)器送出一個高電平 1（在此之前輸出的一直是低電平 0）。 Q B2 和 Q C2 計數(shù)到 0110，產(chǎn)生的高電平 1 分別送到計數(shù)器的清零 R0(1)， R0(2)， 74LS90 內(nèi)部的 R0(1)和 R0(2)與非后清零而使計數(shù)器歸零，此時傳給下一級計數(shù)器的輸入信號又變?yōu)榈碗娖?0，從而給下一級計數(shù)器提供了一個下降沿，使下一級計數(shù)器翻轉(zhuǎn)計數(shù)，在這里 IC2 完成了六進(jìn)制計數(shù)。由此可見 IC1 和 IC2 串聯(lián)實現(xiàn)了六十進(jìn)制計數(shù)。 其中： 74LS90——可二 /五分頻十進(jìn)制計數(shù)器 74LS04——非門 74LS00——二輸入與非門 24 進(jìn)制計數(shù)器 小時計數(shù)電路是由 IC5 和 IC6 組成的 24 進(jìn)制計數(shù)電路，如圖 5 所示。 當(dāng) “時 ”個位 IC5 計數(shù)輸入端 CP5 來到第 10 個觸發(fā)信號時， IC5 計數(shù)器自 動清零，進(jìn)位端 QD5 向 IC6“時 ”十位計數(shù)器輸出進(jìn)位信號，當(dāng)?shù)?24 個 “時 ”(來自 “分 ”計數(shù)器輸出的進(jìn)位信號 )脈沖到達(dá)時， IC5 計數(shù)器的狀態(tài)為 “0100”， IC6 計數(shù)器的狀態(tài)為 “0010”，此時 “時 ”個位計數(shù)器的 QC5 和 “時 ”十位計數(shù)器的 QB6 輸出為 “1”。把它們分別送到 IC5和 IC6計數(shù)器的清零端 R0(1)和 R0(2)，通過 7490內(nèi)部的 R0(1)和 R0(2)與非后清零，從而完成 24 進(jìn)制計數(shù)。 圖 5 24 進(jìn)制計數(shù)電路 (四 ) 譯碼與顯示電路 顯示器原理（數(shù)碼管） 數(shù)碼管是數(shù)碼顯示 器的俗稱。常用的數(shù)碼顯示器有半導(dǎo)體數(shù)碼管，熒光數(shù)碼管，輝光數(shù)碼管和液晶顯示器等。 本設(shè)計所選用的是半導(dǎo)體數(shù)碼管，是用發(fā)光二極管（簡稱 LED）組成的字形來顯示數(shù)字，七個條形發(fā)光二極管排列成七段組合字形，便構(gòu)成了半導(dǎo)體數(shù)碼管。半導(dǎo)體數(shù)碼管有共陽極和共陰極兩種類型。共陽極數(shù)碼管的七個發(fā)光二極管的陽極接在一起，而七個陰極則是獨立的。共陰極數(shù)碼管與共陽極數(shù)碼管相反，七個發(fā)光二極管的陰極接在一起，而陽極是獨立的。 當(dāng)共陽極數(shù)碼管的某一陰極接低電平時，相應(yīng)的二極管發(fā)光，可根據(jù)字形使某幾段二極管發(fā)光，所以共陽極數(shù)碼管需 要輸出低電平有效的譯碼器去驅(qū)動。共陰極數(shù)碼管則需輸出高電平有效的譯碼器去驅(qū)動。 譯碼器原理（ 74LS47） 6 譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義 “翻譯 ”過來。實現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應(yīng)關(guān)系。 74LS47 是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用，表 2 列出了 74LS47的真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。 表 2 輸 入 輸 出 顯示數(shù)字符號 LT(——) RBI(——) A3 A2 A1 A0 BI(—)/RBO(———) a(—) b(—) c(—) d(—) e(—) f(—) g(—) 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 X 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 X 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 2 1 X 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 1 X 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 4 1 X 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 5 1 X 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 6 1 X 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 1 X 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 8 1 X 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 9 X X X X X X 0 1 1 1 1 1 1 1 熄滅 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 熄滅 0 X X X X X 1 0 0 0 0 0 0 0 8 (1)LT(——)：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)LT(——)=0 時，無論輸入 A3 ， A2 ， A1 ， A0 為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，若驅(qū)動的數(shù)碼管正常，是顯示 8。 (2)BI(—)：滅燈輸入，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。 BI(—)=0 時。不論 LT(——)和輸入 A3 ， A2 ， A1， A0 為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，使共陽極數(shù)碼管熄滅。 (3)RBI(——)：滅零輸入，它是為使不希望顯示的 0 熄滅而設(shè)定的。當(dāng)對每一位A3= A2 =A1 =A0=0 時，本應(yīng)顯示 0，但是在 RBI(