实验报告正文——王建

摘要：本实验是基于QuartusII软件以及SmartSOPC实验开发系统的多功能数字时钟的设计。

首先对多功能数字时钟所需实现的各个功能进行分析，然后对实现各功能的基础电路进行设计，结合基本功能模块，设计总体方案。

该多功能数字时钟主要包含了时钟电路，分频电路，报时电路，校时校分电路以及消颤电路等基本电路。

经QuartusII软件的设计和仿真，最终在SmartSOPC实验平台上实现了基本时钟显示、保持、清零，时间校正，整点报时，闹钟等功能。

关键字：多功能数字时钟QuartusII SmartSOPCAbstract：The experiment is about a design of a multifunctional digital clock based on QuartusII and SmartSOPC.Firstly, the required functions of the clock are analysed, then, the fundamental circuits to realize the functions are designed. The whole design is achieved based on the fundamental functional modules. The all circuits to achieve the functions of the clock include timer, frequency divider, chime on integral time, recalibrate time and so on. After the design and simulation in the QuartusII software, the functions of time displaying, keeping, clearing, recalibrating striking the hour and alarm clock are all achieved on the platform of SmartSOPC.Keywords: multifunctional digital clock QuartusII SmartSOPC目录1 实验设计内容 (3)2 设计要求 (3)3 总体方案 (3)4 模块设计 (3)4.1 分频电路模块 (3)4.2 时分秒计时电路模块 (6)4.3 报时电路模块 (8)4.4 校时校分电路模块 (8)4.5消颤电路模块 (9)4.6译码显示电路模块 (9)4.7 整体封装图 (10)5 程序下载，仿真与调试 (10)6 实验改进和总结 (12)6.1 实验改进 (12)6.2 实验总结与感想 (13)参考文献 (14)1 实验设计内容基于QuartusII软件，设计多功能数字时钟，并在实验开发平台上实现。

2 设计要求设计一个多功能数字钟，可以完成00:00:00到23:59:59的计时功能，并在控制电路的作用下具有保持、清零、快速校时、快速校分、整点报时等功能。

另外额外设计闹钟功能，能够根据所设置的时间进行蜂鸣提醒。

其中6个数码管可显示时分秒；开关SW1~7分别实现的功能是计时电路时个位校正、闹钟电路时个位设置、闹钟电路分个位设置、计时电路清零复位功能、计时电路暂停使能功能、蜂鸣器停止蜂鸣功能、计时电路分个位校正。

整点报时是在时钟即时至59分53、55、57、59秒时报时，蜂鸣器在59秒1Khz频率响一次，其余为500hz频率响。

3 总体方案总体设计方案框图如下图1。

分频电路为系统提供所需要的一定脉冲频率的信号，开关控制校时校分电路的使能，以及计时电路的清零复位使能，显示电路控制数码管动态显示时间，报时电路则根据计时状态控制蜂鸣器整点以一定的频率发声进行报时。

图1总体设计框图4 模块设计4.1 分频电路模块因设计需要用到频率分别为1hz，2hz，500hz和1khz的频率，而开发板的频率源为48Mhz，所以根据需要设计了不同的分频电路，并加以组合，包括2分频，6分频，8分频，48分频和1000分频电路。

其中计时电路和校分电路使用1hz信号频率，消颤电路是2hz信号频率，报时电路使用500hz和1000hz。

各分频电路如下图所示。

图2a/b是二分频电路及其波形图，由一个D触发器和一个非门实现，通过将D触发器的Q和非Q相连，在Q端即得到2分频信号。

图2a 2分频电路图2b 2分频电路波形图图3a/b是六分频电路及其波形图，它由三分频和二分频电路串联而成，其中三分频由74160芯片实现。

图3a 六分频电路图3b 六分频电路波形图图4a/b是八分频电路及其波形图，它由四分频电路和二分频电路串联而成。

图4a 8分频电路图4b 8分频电路波形图图5是四十八分频电路，它是由8分频和6分频电路串联而成。

他的仿真图看的不是很清晰，这里就不展示了。

图5 48分频电路图6是一个十分频电路，由五分频和二分频电路串联组成。

一千分频电路，由三个十分频电路串联组成。

图6 10分频电路图7 是总的分频电路，通过一系列分频器的作用，可得到将48Mhz信号分别分频后的不同频率信号，如图所示。

图7 总分频电路4.2 时分秒计时电路模块本电路是对时分秒的个位十位计数的集合，其中分和秒的计数采用模60的计数器，时采用模24计数。

图8时分秒计数器电路图模60计数器是由两片74160构成的同步计数器。

上面第一片74160为秒的个位，第二片74160为秒的十位。

第一片74160从0000记到1001时，RCO为1，使第二片74160的clrn使能，秒十位送一个脉冲信号计一，满足了逢十进一，由于秒的计数为从00开始，于是当个位为9，十位为5时，即从00’’~59’’时，满足60秒的要求，这时输出端out为1，代表满60秒向分进一。

同理可知分十位和分个位的计数原理。

图9 模60计数器模24计数器所用的元件与模60计数器所用元件大致上相同，均为两片74160，且均为同步计数。

第一片的74160代表的是时的个位，第二片的74160代表的为时的十位。

当第一片为3，第二片为2时，满足00~23这24小时的计数，同时通过lidn端将两片74160置零,以此完成模24小时的计数。

图10 模24计数器图11时分秒计数器波形图4.3 报时电路模块如图12所示，上面两个与门表示分钟为59分，这是一个必要条件。

下面的与非门组成了53、55、57、59秒，满足其中一个蜂鸣器就工作，其中59秒处以1000hz的频率工作。

图12 报时电路图4.4 校时校分电路模块校时校分电路如图13，非常简单，主要是通过开关ko 控制使能端信号，从而控制时个位，时十位以及分个位，分十位计数功能，开关使能，计数开始由低向高跳动，当校正到所需要时间时，拨下使能开关，停止计数校正，此过程秒计时不停。

图13 校时校分电路图4.5消颤电路模块消颤开关由D 触发器构成，利用D 触发器锁存开关信号，并且屏蔽颤抖，如图14a 。

仿真波形图如图14b 。

由b 图可见，消颤电路对开关的动作有延时作用，可防颤抖。

图14a 消颤电路图图14b 消颤电路图4.6译码显示电路模块如图15为译码显示电路，显示电路主要由4片数据选择器74151、1片译码器74138计数器、1片显示译码器7447和数码显示管组成。

当计数器计数到某一个数值时四片74151同时选取对应位的输入组成计时器某一位的BCD编码，接入显示译码器7447，与此同时根据计数器的数值，74138译码器也通过数码管的使能端选择对应位有效，从而在实验箱上显现数据。

扫描的频率为1KHz,因为人眼的视觉停留，会感觉七个数码管同时显示。

因为实验要求只用一个显示译码器7447，所以考虑用动态扫描显示法进行数据显示，即每次只显示一位，按照一定的显示时间间隔轮流显示。

每个显示位均为四位二进制数，所以需要4片数选器，要显示的位有时分秒6位，还有2个空位，所以用一个模8循环计数器作为数选器的地址选择端供轮流选择带显示的数据足以。

此外 还要用一个3-8译码器来选择数码管(DIG位)来显示对应的数据。

图15译码显示电路4.7 整体封装图图16总体图5 程序下载，仿真与调试设置总体封装图为最顶层实体，编译成功后，配置Device和管脚Pin。

点击Assignment中Device，设置选择器件的系列、器件的封装形式、引脚数目和速度级别约束可选器件的范围。

这里选择CycloneIII系列中的“EP3C25F324C8”，如图15。

然后点击Assignment中Pin进行引脚配置如图16，完成后，开始进行硬件调试。

图17 配置器件图18 配置引脚 6 实验改进和总结6.1 实验改进除了老师布置的必要完成的功能，我们还另外附加了闹钟模块。

如图19所示，其中小时位为模24计数器，能够设置0~23中任何一位数字，分钟位为模60计数器，能够设置0~59中任何一个数字。

图19 闹钟时和分设置器闹钟时间设置好之后，经过比较才能决定蜂鸣器是否工作，时和分都是两位数，只有每个位上的数字都是一样的时候才能工作，所以这里采用了四个74157作为比较器。

图20 闹钟设置时间比较电路6.2 实验总结与感想本次数字电路应用实验结合本科时期学习的数字电路与模拟电路技术的知识涉及到的电路知识涵盖了译码显示，计数器芯片，计数模式等各方面的知识的应用。

除此外，还要掌握对Quartus软件的应用以及硬件调试。

在实验前老师对我们的任务进行了详细的讲解，还细细讲解了如何使用软件进行电路设计，使我们对该设计软件有了初步的了解。

但是，这毕竟是一个全新的软件，我们前期对软件的学习就花了较多的时间，导致后来实验进度过慢。

另外，本科学习数字电路和模拟电路时间已经较长，中间又没有花时间对相关内容进行学习和复习，所以一些电路的基本知识有很多已经忘了，这增加了实验的难度，也减慢了实验的进度。

好在在实验过程中，一直有师兄师姐在实验室对我们进行指导，不论是原理上的问题，还是软件上的一些难题，师兄师姐都进行了详细的解答，本次实验能够顺利完成，多亏师兄师姐的指导。

经过前期的对电路知识的复习和软件的学习，我正式开始做本次实验，但在实验过程中还是出现了很多问题，经常电路画出来没问题，但是仿真图却有问题，经过向师兄和师姐请教和找同学们帮忙，一一解决了这些问题。

从最开始的分频，到后来的计时电路，译码显示电路，清零电路，保持电路，都会出现一些小问题，但经过努力都克服解决了。

其次，本次设计我只是实现了最基本的功能，和额外的一个闹钟功能。

对于其它附加功能就无能为力了，这主要是原理知识掌握的不透彻，这就需要我以后花时间进行学习了。