专业：通信工程 学号：__姓名：龚易乾___指导老师：

电子与信息工程学院

2023年2月

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综合设计实验

实验目的

熟练掌握Quartus等EDA设计与仿真工具，掌握多路选择器、N进制计数器、显示译码电路、开关电路、按键等电路的设计和调试方法。加深对《数字电子技术基础》课程内容的理解，逐步提高电路应用能力、设计能力、分析评价能力。

实验任务

设计一个多功能数字钟，要求如下：

1、准确计时，以数字形式显示时、分、秒；

2、12/24小时切换功能；

3、时、分、秒的校时功能；

4、秒表功能，显示分、秒、百分之一秒，暂停、复位功能；

5、时钟与秒表切换。

准备工作

1、了解FPGA开发板的资源。FPGA开发板上含有6位数码管，8个按键、8个LED灯

数码管

每位数码管的8段字符

分析电路图可知：数码管有6位片选信号和8位段选信号，因此要搭建片选扫描电路，利用视觉暂留现象，驱动数码管显示。共阳电路，采用7474译码器。7447的主要功能是输出低电平驱动的显示码，用以推动共阳极7段LED 数码管显示相应的数字。

按键 LED灯

按键未按下时为高电平，按下时为低电平 LED灯为低电平使能，共阳电路

2、预想功能表

按键未按下时LED均不亮，按下某按键后，对应的LED点亮。默认为不亮

按键	未按下（1）	按下（0）	功能
BUT1	24小时制	12小时制	切换12/24小时
BUT2	停止校时	时校时	时针校时
BUT3	停止校时	分校时	分针校时
BUT4	停止校时	秒校时	秒针校时
BUT5	时钟	秒表	切换时钟/秒表模式
BUT6	秒表暂停	秒表计时	秒表暂停/计时
BUT7	无	秒表复位	秒表复位
BUT8	无	无	无

3、电路框图

设计原理、电路图与仿真

考虑到电路图会比较复杂，所以我基本使用总线的接线方法去画图

1、先搭建基本的分频器

100进制计数器（两个74160）、25进制计数器、2进制计数器

100进制

25进制

利用D触发器搭建T’触发器构成2进制计数器

2、搭建信号发生器

原始输入时钟信号为50MHz，利用计数器分频

1Hz信号50M/（100100100252） 用于产生秒信号

2Hz信号 用于产生校时信号

100Hz信号 50M/（10010025*2）

用于按键扫描频率和产生秒表信号

1250Hz 用于数码管片选扫描

3、时钟

秒针计时

输入信号：1Hz时钟信号，RD复位信号

输出信号： 秒信号高位（SH[3…0]）显示到第5位数码管

秒信号低位(SL[3…0]) 显示到第6位数码管

SC为秒针进位信号

分针计时器仿真结果

分针计时

输入信号： 秒针计时器进位信号，RD复位信号

输出信号： 分信号高位（MH[3…0]）显示到第3位数码管

分信号低位(ML[3…0]) 显示到第4位数码管

MC为分针进位信号

分钟计时器仿真结果

24进制时钟

输入信号：分针计时器进位信号，RD复位信号

输出信号： 时信号高位（HH[3…0]）显示到第1位数码管

时信号低位(HL[3…0]) 显示到第2位数码管

HC为时针进位信号

24进制时针计时器仿真结果

12进制时钟

输入信号：分针计时器进位信号，RD复位信号

输出信号： 时信号高位（HH[3…0]）显示到第1位数码管

时信号低位(HL[3…0]) 显示到第2位数码管

HC为时针进位信号

12进制时针计时器仿真结果

4、秒表

分秒信号（100Hz）

5、按键读取电路

消抖：以100Hz的频率扫描端口，如果0.03ms内采样结果均相同，则认为按下/松开按键，并保存到由JK触发器构成的T’触发器中。

按键仿真结果

按键扫描电路

将8个按键的扫描结果封装

6**、译码显示**

数码管片选电路（顺序脉冲）

由74161与74138译码模块构成，低电平使能，S为0时，被选中

不断重复扫描，达到连续显示的效果

顺序脉冲仿真结果

7447译码器（段选电路）

封装成总线的形式，方便输入输出

7、LED驱动电路

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-gcXWPzJ8-1684859853659)(null)]

当L为1时，LED点亮

8、模式转换器

二选一模式转换器（用于切换第3-6位数码管的时钟、秒表显示）

K为输入信号，当K为1时，H24输出，当K为0时，H12输出

三选一模式转换器（用于切换第1、2位数码管的12/24进制、秒表显示）

由4片74153芯片构成（每片都只使用了一个4选1数据选择器）

当K0=K4等于1时，输出H24；当K4=1，K0=0时，输出H12

其他情况均输出M60

显示片选

总电路：

调试、结论

设置引脚、编译、下载至FPGA开发板。测试结果符合预期。

实验过程的问题与思考

问题：

1、设计【12翻1】计时器时，从0开始或从13结束，解决方法：预置数为1，计数到12时复位；

2、Modelsim无法仿真，没有正确设置路径；

3、7447译码器6和9显示不全，最后发现是该译码器的特性，使用7448译码器更好；

4、做12/24进制时钟切换时没有考虑到秒表，只做了二选一模块，后来做四选一模块得以解决，实现12/24/秒表切换

5、有时时钟的频率不对，先不用管，后来随着新功能的加入便正常了；

6、刚开始时考虑不周，模块化低。

心得体会：

Quartus是一个十分重要的工具，它可以帮助我们完成诸如逻辑电路设计、仿真、验证、综合等一系列任务，提高了我们的设计效率和精度。

1、设计前的准备十分重要。在进行设计前，需要对所要设计的电路进行充分的思考和分析，确定各个模块的功能、输入输出等信息，为后续的设计奠定基础。

2、画电路图时需要仔细。注意电路的正确性和逻辑的完整性，以避免在后续的仿真和验证过程中出现问题。

3、仿真和验证非常重要。在完成设计后，需要进行仿真和验证，以检验电路的正确性和稳定性。通过仿真和验证可以发现并修正电路中的问题，提高电路的可靠性和鲁棒性。

4、熟练掌握Quartus的使用技巧可以提高设计的效率和精度。

5、这是一个较大的设计实验，能顺利完成我很有成就感。

6、采用模块化设计，结构清晰，便于画图、修改与阅读。在设计过程中，加深了我对《数字电子技术基础》课程内容的理解，逐步提高电路应用能力、设计能力、分析评价能力。

七、 参考文献

[1]《数字电子技术基础（第5版）》

[2]《EDA设计 基于Quartus的多功能数字时钟设计》

【后记】

验收时发现24小时制的12时在12小时制应该为12时，不该为0时

学长只能帮你们到这了