基于VHDL数字时钟的设计及实现

1 引言

随着科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高。相对机械钟而言，数字钟能实现准确计时，并显示时，分，秒，而且可以方便，准确的对时间进行调节。在此基础上，还可以实现整点报时的功能。因此，数字钟的应用十分广泛。所谓数字时钟，是指利用电子电路构成的计时器。

1.1课题的背景、目的

电子技术是一门应用很广，发展极为迅速的科学技术，尤其由于数字电子技术具有高抗干扰能力、更高的可靠性和便于计算机处理等特点，近年来得到更加迅速的发展，数字通讯设备、数字电视、数字照相机、数字摄象机等数字化产品近年如雨后春笋般大量涌现，数字电子技术已经成为今后电子技术发展的主要方向。现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，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。

钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

通过数字时钟的设计，巩固计算机组成原理课程，理论联系实际，提高分析、解决计算机技术的实际问题的独立工作能力；掌握用VHDL语言编制简单的小型模块，学会数字钟的设计方法，熟悉集成电路的使用方法，初步掌握电子钟的设计方法并实现时间的显示和校对，以及报时的功能，并能对数字电子钟进行扩展。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

1.2 课程设计的内容

本课程设计实现一个数字时钟，具有按秒走时功能，能够分别显示小时（2位24小时）、分钟（2位）、秒（2位）。具有整点报时、时间调整功能，且能够对计时系统的小时、分钟进行调整。也可设计成十二小时计时方案（AM，PM）。具有美观、清晰、人性化的显示界面设计，走时精度不劣于±3秒/月。本课程设计采用VHDL语言，以MAXPLUSII开发工具。根据系统设计的要求，系统设计采用自顶向下的设计方法，可以将该系统中的各

功能模块细分为：秒计数模块、分计数模块、小时计数模块、报警模块、时间设置模块和译码显示模块六个部分。

2 EDA、VHDL简介

2.1 EDA简介

现代电子设计技术的核心就是EDA（Electronic Design Automatic）技术。利用EDA 技术，电子设计师可以方便地实现IC设计、电子电路设计和PCB设计等工作。EDA技术已有30年的发展历程。现在EDA技术应用广泛，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工等各个领域，都有EDA的应用。无论是在产品设计、制造方面，还是在科研与教学方面，EDA已成为必不可少的一部分。掌握EDA技术已成为通信电子类专业的学生学习及就业的基本素质。

2.1.1EDA技术的概念

EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的通用软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。

EDA 设计可分为系统级、电路级和物理实现级。物理级设计主要指IC版图设计，一般由半导体厂家完成；系统级设计主要面对大型复杂的电子产品；而一般民用及教学所涉及基本是电路级设计。我们常用的EDA软件多属于电路级设计。

电路级设计工作，是在电子工程师接受系统设计任务后，首先确定设计方案，并选择合适的元器件，然后根据具体的元器件设计电路原理图，接着进行第一次仿真。其中包括数字电路的逻辑模拟、故障分析、模拟电路的交直流分析、瞬态分析等。这一次仿真主要是检验设计方案在功能方面的正确性。

仿真通过后，根据原理图产生的电气连接网络表进行PCB板的自动布局布线，有条件的还可以进行PCB后分析。其中包括热分析、噪声及窜扰分析、电磁兼容分析、可靠性分析等，并可将分析后的结果参数反馈回电路图，进行第二次仿真，也称作后仿真。后仿真主要是检验PCB板在实际工作环境中的可行性。

2.1.2EDA技术的历史与发展

EDA技术发展历程大致可分为三个阶段。20世纪70年代为计算机辅助设计(CAD)阶段，人们开始用计算机取代手工操作进行IC版图编辑、PCB布局布线。80年代为计算机辅助工程(CAE)阶段。与CAD相比，CAE除了有纯粹的图形绘制功能外，又增加了电路功能分析和结构设计，并且通过电气连接网络表将两者结合在一起，实现了工程设计。20世纪90年代为电子系统设计自动化(EDA)阶段，同时又出现了计算机辅助工艺（CAPP）、

计算机辅助制造（CAM）等。

2.1.3EDA的应用

现在EDA技术应用广泛，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、科研和教学部门广泛使用。

在产品设计与制造方面，EDA 技术可实现前期的计算机仿真、系统级模拟及测试环境的仿真、PCB的制作、电路板的焊接、ASIC的设计等。

在教学方面，我国高校是从九十年代中期开始EDA教育的，现在几乎所有理工科类高校都开设了EDA课程。这些课程主要是让学生了解EDA的基本概念和原理，使用EDA 软件进行电子电路课程的实验及从事简单系统的设计。

2.1.4EDA常用软件

EDA工具层出不穷，目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件有：EWB、PSpice、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIlogic、Cadence等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同时也可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。下面按主要功能或主要应用场合进行划分。

1. 电子电路设计与仿真工具

电子电路设计与仿真工具包括PSpice、EWB、Matlab、SystemView、MMICAD等。下面简单介绍前两种软件。

（1）PSpice：基于Spice的PC版软件。Spice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1988年被定为美国国家标准。1984年，美国MicroSim公司推出了PSpice。PSpice是一种强大的模拟和数字电路混合信号仿真软件，包括对中规模集成电路(MSI)和大规模集成电路(LSI)提供多种分析功能，而且仿真精度高，在国内普遍使用。（2）EWB(Electronic Workbench)软件：Interactive ImageTechnologies Ltd在20世纪90年代初推出的电路仿真软件，主要用于模拟和数字电路的仿真。高版本已更名为Multisim。相对于其它EDA软件，它提供了万用表、示波器、信号发生器等虚拟仪器。该软件的界面直观，易学易用。它的很多功能模仿了Spice的设计，分析功能也较强。

2. PCB设计软件

PCB(Printed—Circuit Board)设计软件种类很多，如Protel、OrCAD、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的Expedition PCB、Winboard/Windraft/IvexSPICE、PCB Studio等等。