EDA(II)课程设计实验报告-基于QuartusII软件和SmartSopc平台多功能数字钟设计.doc
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1、摘要上学期的EDA(I)实验为硬件实验,利用模电知识在面包板上连接线路实现多功能数字钟设计。本次EDA(II)实验为软件实验,利用数电知识、QuartusII软件、在以Cyclone II芯片为核心的SmartSOPC平台上实现多功能数字钟的设计和显示。4天时间,我设计出了符合基本要求,包括计时、显示、保持、清零、校分、校时和整点报时功能,并具备闹钟、星期计时功能的多功能数字钟。实验中,我首先对其从原理上进行了设计,随后在QuartusII软件中设计了具体的电路并将其仿真检验,最后将完整电路下载至SmartSOPC平台演示,最终予以了细节的完善及各种功能的实现。本文中,我将对本次实验的具体过程
2、,如数字钟设计要求、方案论证、各子模块设计原理、调试、仿真结果及编程下载等作出较为详细的说明。关键词:EDA(II),多功能数字钟,QuartusII,SmartSOPCAbstractOn semester EDA (I) tests is the hardware experiment, using the mold notified by telegram that knows connects the line on the bread board to realize the multi-function digital clock design. This EDA (II) tes
3、ts is the software experiment, using digital logic electric circuit knowledge, the QuartusII software, and the demonstration take the Cyclone II chip as in the core SmartSOPC platform to realize the multi-purpose digital clocks design and demonstrate. In 4 days, I designed have met the essential req
4、uirements, including time, demonstration, maintained, reset, minute divides ,hour divides and hourly chime function, also it had the alarm clock, the week time function multi- function digital clock. In the experiment, I first have carried on the design it by theory, afterward has designed the concr
5、ete electric circuit and its simulation examination in the QuartusII software, finally complete electric circuit downloading to the SmartSOPC platform demonstration, has given finally the detail consummation and each kind of function realization. In this article, I will make a more detailed explanat
6、ion to this experiments concrete process, as the digital clock design requirements, the project concept demonstration, various submodules principle of design, the debugging, the simulation result and programming downloading and so on.Keywords: EDA(II),Multi- function Digital Clock,QuartusII,SmartSOP
7、C目 录摘要IAbstractI1绪论1概述1数字钟主要功能介绍22设计要求说明32.1 设计概述32.2 设计基本要求3 设计提高部分要求33设计方案论证(整体电路的工作原理)4工作流程图4工作原理43.3整体电路图5本章总结54各子模块设计原理6脉冲发生电路6计时电路7清零电路8校时电路8整点报时电路8显示电路8闹钟电路8防颤电路8本章小结85调试8基本过程85.2 问题及解决85.2 本章总结86仿真8脉冲发生电路系统8计时电路系统8暂停电路系统8清零电路系统8校时电路系统8整点报时电路系统8显示电路系统8闹钟电路系统8本章小结87编程下载8基本过程8管脚号分配8结论8实验感想8参考文献
8、8附录A 原理图及波形仿真文件夹81绪论1.1EDA概述EDA技术,指以大规模可编程逻辑器件为载体,以硬件描述语言为系统逻辑描述为主要表达方式,以EDA开发软件为设计工具,通过有关的开发软件,自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译、逻辑画简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真,直至对于特定目标芯片的逻辑映射、编程下载等工作,最后形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。主要涉及环境主要分硬件环境和软件环境。Smartsopc实验平台图1-1:以Cyclone II芯片为核心的SmartSOPC多功能试验台图1-2:QuartusII软件界面QuartusII提供了
9、可编程片上系统(SOPC)设计的一个开发环境。QuartusII集成环境包括:系统级设计,嵌入式软件开发,可编程器件设计,综合,布局/步线,仿真验证。1.2数字钟主要功能介绍(1)24小时计时:可完成二十四小时的不间断计时,最大计时显示23小时59分59秒。在SmartSOPC平台上由6个7段数码管显示。(2)星期计时:可完成7天计时,从17显示在1个7段数码管上。(3)时钟清零:使用K2开关控制清零端。K2=1时,数字钟所有时间清零;K2=0时,正常计数显示。(4)时钟暂停:使用K1开关控制时钟脉冲输入信号。K1=1时,时钟将停止计数,暂停显示当前时刻;K1=0时,时钟即可从原显示时间继续计
10、时。使用此功能主要用于对时钟进行精确校对。例如通过时校对和分校对分别把时钟校对到12:00:00后可以启用时钟暂停按钮,等待当标准时间到12:00:00时,关掉时钟停止按钮,便可完成时钟的精准校对。(5)时钟快速校时:使用K3、K4、K5开关分别选择控制分、时、日进位端。1)K3=1,将1Hz脉冲加至分低位,校正分位,秒位计数不受影响;K3=0,正常秒位向分位进位,每60秒进1。2)K4=1,将1Hz脉冲加至小时低位,分位、秒位计数不受影响;K4=0,正常分位向小时位进位,每60分进1。3)K5=1,将1Hz脉冲加至星期进位,校正星期,时、分、秒位计数不受影响;K5=0,正常时位向星期位进位,
11、每24小时进1。(6)整点报时:实现每个整点报时。当时间到达任何一个整点时刻前,例如11点59分时,蜂鸣器将分别在11:59:53、11:59:55、11:59:55以三声低频鸣响,在11:59:59时以高频鸣响。(7)闹钟功能:实现定点闹钟功能。1)由于SmartSOPC平台上仅8个7段数码管,因此设计使用K6开关选择正常显示和闹钟设定显示,且为区分正常显示和那种显示,闹钟显示仅用6个数码管。K6=1,7个数码管正常显示星期、时、分、秒;K6=0,6个数码管分别显示星期、时、分,秒高位一直为0。2)闹钟计时仅时位和分位单独计数,没有进位。使用K7对闹钟的时位设定时间,即校时,K7=0,将脉冲
12、加至时进位,校时;K7=1,保持设定的时间。使用K8对闹钟的分位设定时间,即校分,K8=0,将脉冲加至分进位,校分;K8=1,保持设定的时间。一旦与设定时间相同,则蜂鸣器将以1Khz频率鸣响10秒钟。2设计要求说明 设计概述主要内容:利用QuartusII软件设计一个数字计时器,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。并下载到SmartSOPC实验系统中演示。 设计基本要求(1)能进行正常的时、分、秒计时功能;(2)分别由六个数码管显示时分秒的计时;(3)K1是系统的使能开关(K1=0正常工作,K1=1时钟保
13、持不变);(4)K2是系统的清零开关(K2=0正常工作,K2=1时钟的分、秒全清零);(5)K3是系统的校分开关(K3=0正常工作,K3=1时可以快速校分);(6)K4是系统的校时开关(K4=0正常工作,K4=1时可以快速校分);(7)使时钟具有整点报时功能(当时钟计到5953”时开始报时,在5953”, 5955”,5957”时报时频率为512Hz,5959”时报时频率为1KHz) 设计提高部分要求(1)闹表设定功能;(2)自己添加其他功能;3设计方案论证(整体电路的工作原理)工作流程图图3-1工作原理(1)基本电路:脉冲发生电路、计时电路脉冲发生电路是所有电路的工作前提,将SmartSOP
14、C平台提供的48MHz输出经过分频分为1Hz、1KHz和512Hz信号,分别用于计数和报时输入脉冲。计时电路是核心电路。其从脉冲发生电路接受1Hz的脉冲信号,进行时钟的60进制、24进制和7进制的相关设计。(2)功能电路:校时电路、清零电路、显示电路、整点报时电路这三个电路是围绕计时电路的基本功能电路。通过特定的端口输入计时电路或从计时电路得到输出。依次完成对计时时间的快速校正、对内部计时器值全部清零、对计时时间进行译码显示和在整点进行报时。(3)附加功能电路:闹钟电路、星期计时电路闹钟电路与计时电路在同7片数码管输出显示,故增加选择电路使显示电路分别显示。将正常工作时间与设定时间进行比较,一
15、旦相同则蜂鸣10秒。星期计时与24小时计时电路原理相同,增加一个模7计数,从17显示。整体电路图9个输入端,其中一个是系统频率48MHz输入,另8个为控制开关,分别为暂停开关K1、清零开关K2、正常工作时位校对开关K3、正常工作分位校对开关K4、校星期开关K5、脑中显示开关K6、闹钟校时开关K7和闹钟校分开关K8。3个输出端,蜂鸣器BEEP输出、7位数码管段码输出S6.0和位码输出X6.0。各个子模块均为封装后子电路。各个子电路的内部电路将在下章中予以说明。电路图如下:图3-23.4本章总结本章节给出了本次设计的总思路。对总体原理进行概括和总结,给出流程图,总电路图。对输入、输出端进行阐释说明
16、。并实行由自顶向下的设计方案,依次设计子模块,对每个模块的思路进行总结概括。4各子模块设计原理脉冲发生电路 图4-1:脉冲发生电路模块流程图图4-2(1)48分频使用2片4位二进制计数器74161构成一个模16和模3计数器,级联,可构成48分频。将系统提供输入48MHz分频为1MHz。电路图如下:图4-3(2)1000分频使用3片4位二进制计数器74161构成三个模10计数器的级联,可构成1000分频。使用两个1000分频级联(1)中的48分频,使输出信号频率为1Hz。在第一个1000分频后拉出一个输出端,为1KHz。电路图如下:图4-4(3)2分频使用7474的器重一个触发器构成模2计数器。
17、使用1KHz为输入,使输出为512hz。电路图如下:图4-5计时电路 图4-6:计数电路模块4.2.1流程图图4-7(1)分、秒60计数使用2片74161构成模6和模10级联,成为模60,作为秒和分的计数器,实现0059计数。秒位脉冲为1Hz,分位脉冲由秒位进位。电路图如下:图4-8(2)小时24计数使用2片74161,一片构成模3作为24小时的高位,另一片在前片为0、1时模10,前片为2时模4,实现0023计数。脉冲由分位进位。电路图如下:图4-9(3)星期7计数使用1片74161,构成模7作为一星期的7天计数,与秒、分、时不同之处在于,前者均从0000开始计数,星期计数从0001开始,实现
18、17计数。脉冲由小时位进位。电路图如下:图4-104.2.3级联模块图图4-114.3清零电路74161芯片的CLRN引脚为清零引脚,低电平有效,在计时电路设计时,将所有的CLRN端均设为高电平,不会有清零作用产生,因此,次项设计中,将分、秒60计数、小时24计数和星期7计数的清零端均连接于开关K2。为可实现K2=0时正常工作,K2=1时全部清零。则将K2的值取非后再接入。上述计时电路中已将此功能涵盖。4.4校时电路 图4-12:校时模块4.4.1电路图(1)校时原理本次实验中,我用到了校周、校时和校分。电路原理均一样,通过门电路的组合,实现K=0时正常工作,提供该给的进位IN脉冲,K=1时,
19、提供1Hz的CLK脉冲快速校正。电路如下:图4-13(2)加至计数电路图4-144.5整点报时电路图4-15:整点报时模块图4.5.1流程图设计简单的门电路,将规定时间(5953”,5955”,5957”,5959”)同响应频率相与,结果相或后输入到蜂鸣器。图4-164.5.2电路图(1)报时电路需要在5953”, 5955”,5957”时和512Hz的频率信号相与输出为1,我利用了F2和F1相或再和F0相与得到53”、55”、57”时输出为1。5959”则将所有的1相与然后和1KHz的频率信号相与,结果相或后输入到蜂鸣器。图4-17(2)综合前述基本功能电路图4-184.6显示电路图4-19
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