1、多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)摘要：利用QuartusII軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘。通過(guò)原理圖輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)，取代VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)。軟件仿真調(diào)試成功后編譯下載至可編程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)SmartSOPC中進(jìn)行硬件測(cè)試。實(shí)現(xiàn)并充分領(lǐng)略硬件設(shè)計(jì)軟件化的精髓。關(guān)鍵詞：軟件; 數(shù)字鐘; 模塊化; VHDL; 可編程; 硬件Abstract:Using the QuartusII software design a digital bell with the blocking method.The design takes theory drawing instead of VHDL language.After e

2、mluating and debuging successfully,translate and edit the code.Then,download the result to the programmable SmartSOPC system and test it in hardware.Realizing the soul of designing hardware by software.Keywords:software; digital bell; blocking method; VHDL; programmable; hardware目錄一、設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介2二、設(shè)計(jì)要求2三、

3、方案論證（整體電路設(shè)計(jì)原理）2四、子模塊設(shè)計(jì)原理4.0 脈沖產(chǎn)生電路54.1 計(jì)時(shí)電路84.2 顯示電路124.3 保持電路144.4 清零電路144.5 校分電路154.6 校時(shí)電路154.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路164.8 鬧鐘設(shè)定電路174.9 音樂產(chǎn)生電路184.10 鬧鐘報(bào)時(shí)電路234.11 鬧鈴關(guān)閉電路244.12 星期調(diào)整電路254.13 電路總圖26五、實(shí)驗(yàn)中遇到問題及解決方法27六、結(jié)論29七、實(shí)驗(yàn)心得29八、參考文獻(xiàn)30一、 設(shè)計(jì)內(nèi)容簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字鐘，可以完成00:00:00到23:59:59的計(jì)時(shí)功能，并在控制電路的作用下具有保持、清零、快速校時(shí)、快速校分、整點(diǎn)報(bào)時(shí)等功能。我們

4、設(shè)計(jì)的電路在具有基本功能的基礎(chǔ)上，增加了下列功能：整點(diǎn)報(bào)時(shí)、鬧鐘設(shè)置、彩鈴和星期顯示調(diào)節(jié)功能。二、 設(shè)計(jì)要求2.0 基本要求1、能進(jìn)行正常的時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能；2、分別由六個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)分秒的計(jì)時(shí)；3、K1是系統(tǒng)的使能開關(guān)（K1=0正常工作，K1=1時(shí)鐘保持不變）；4、K2是系統(tǒng)的清零開關(guān)（K2=0正常工作，K2=1時(shí)鐘的分、秒全清零）；5、K3是系統(tǒng)的校分開關(guān)（K3=0正常工作，K3=1時(shí)可以快速校分）；6、K4是系統(tǒng)的校時(shí)開關(guān)（K4=0正常工作，K4=1時(shí)可以快速校時(shí)）；2.1 提高部分要求1、使時(shí)鐘具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能（當(dāng)時(shí)鐘計(jì)到5953”時(shí)開始報(bào)時(shí)，在5953”, 5955”,5957”時(shí)

5、報(bào)時(shí)頻率為512Hz，5959”時(shí)報(bào)時(shí)頻率為1KHz）；2、鬧表設(shè)定功能；三、 方案論證本實(shí)驗(yàn)在實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)基本功能的基礎(chǔ)上，加入了整點(diǎn)報(bào)時(shí)、鬧鐘設(shè)置、彩鈴和星期顯示調(diào)節(jié)功能。圖1為實(shí)驗(yàn)功能方框圖： 圖1 實(shí)驗(yàn)方框圖數(shù)字計(jì)時(shí)器基本功能是計(jì)時(shí)，因此首先需要獲得具有精確振蕩時(shí)間的脈振信號(hào)，以此作為計(jì)時(shí)電路的時(shí)序基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)中可以使用的振蕩頻率源為48MHZ，通過(guò)分頻獲得所需脈沖頻率（1Hz,1KHz,2KHz）。為產(chǎn)生秒位，設(shè)計(jì)一個(gè)模60計(jì)數(shù)器，對(duì)1HZ的脈沖進(jìn)行秒計(jì)數(shù)，產(chǎn)生秒位；為產(chǎn)生分位，通過(guò)秒位的進(jìn)位產(chǎn)生分計(jì)數(shù)脈沖，分位也由模60計(jì)數(shù)器構(gòu)成；為產(chǎn)生時(shí)位，用一個(gè)模24計(jì)數(shù)器對(duì)分位的進(jìn)位脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

6、整個(gè)數(shù)字計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)部分共包括六位：時(shí)十位、時(shí)個(gè)位、分十位、分個(gè)位、秒十位和秒個(gè)位。顯示功能是通過(guò)數(shù)選器、譯碼器、碼轉(zhuǎn)換器和7段顯示管實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中只用一個(gè)譯碼顯示單元，7個(gè)7段碼（6個(gè)用于顯示時(shí)分秒，一個(gè)顯示星期），所以通過(guò)4個(gè)7選一MUX和一個(gè)3-8譯碼器配合，根據(jù)計(jì)數(shù)器的信號(hào)進(jìn)行數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。清零功能是通過(guò)控制計(jì)數(shù)器清零端的電平高低來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只需使清零開關(guān)按下時(shí)各計(jì)數(shù)器的清零端均可靠接入有效電平（本實(shí)驗(yàn)中是低電平），而清零開關(guān)斷開時(shí)各清零端均接入無(wú)效電平即可。校分校時(shí)功能由防抖動(dòng)開關(guān)、邏輯門電路實(shí)現(xiàn)。其基本原理是通過(guò)邏輯門電路控制分計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)校分校時(shí)開關(guān)斷開時(shí)，計(jì)數(shù)脈沖

7、由低位計(jì)數(shù)器提供；當(dāng)按下校分校時(shí)開通時(shí)，既可以手動(dòng)觸發(fā)出發(fā)式開關(guān)給進(jìn)位脈沖，也可以有恒定的1Hz脈沖提供恒定的進(jìn)位信號(hào)，計(jì)數(shù)器在此脈沖驅(qū)動(dòng)下可快速計(jì)數(shù)。為實(shí)現(xiàn)可靠調(diào)時(shí)，采用防抖動(dòng)開關(guān)（由D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)）克服開關(guān)接通或斷開過(guò)程中產(chǎn)生的一串脈沖式振動(dòng)。保持功能是通過(guò)邏輯門控制秒計(jì)數(shù)器輸入端的1Hz脈沖實(shí)現(xiàn)的。正常情況下，開關(guān)不影響脈沖輸入即秒正常計(jì)數(shù)，當(dāng)按下開關(guān)后，使脈沖無(wú)法進(jìn)入計(jì)數(shù)端，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)保持功能。整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能可以通過(guò)組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的各位呈現(xiàn)特定的電平時(shí)，可以選通特定的與門和或門，將指定的頻率信號(hào)送入蜂鳴器中，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的時(shí)刻以指定頻率發(fā)音報(bào)時(shí)。鬧鐘設(shè)定功能。鬧鐘只設(shè)定時(shí)和分，

8、基本模塊與正常計(jì)時(shí)電路里的校時(shí)校分電路相同。本實(shí)驗(yàn)中為節(jié)省按鍵，鬧鐘時(shí)間調(diào)節(jié)鍵復(fù)用正常調(diào)時(shí)的校時(shí)校分開關(guān)，為使設(shè)定鬧鈴與正常計(jì)時(shí)中調(diào)節(jié)時(shí)間按鍵互不影響，額外用一個(gè)鬧鐘使能鍵，按下該鍵后進(jìn)入鬧鐘設(shè)定界面，此時(shí)校時(shí)校分開關(guān)用于調(diào)節(jié)鬧鐘時(shí)間，對(duì)正常計(jì)時(shí)沒有影響，且此時(shí)7段顯示碼顯示的是鬧鐘時(shí)間；恢復(fù)使能鍵后校分校時(shí)鍵用于對(duì)數(shù)字鐘進(jìn)行時(shí)間調(diào)節(jié)，對(duì)設(shè)定的鬧鐘時(shí)間沒有影響。音樂產(chǎn)生電路。本實(shí)驗(yàn)中音樂是歡樂頌的前半部分，共32個(gè)節(jié)拍，5個(gè)音頻。32個(gè)5個(gè)音頻的頻率由分頻器產(chǎn)生，32個(gè)節(jié)拍需按照順序產(chǎn)生，且要能夠循環(huán)。因此用譯碼器循環(huán)按序選取音頻，所以需要一個(gè)模5循環(huán)計(jì)數(shù)器和一個(gè)5-32譯碼器。譯碼選中位與所

9、需的音頻相與之后送入蜂鳴器產(chǎn)生音樂效果。鬧鐘報(bào)時(shí)功能。在計(jì)時(shí)電路走到設(shè)定的時(shí)間時(shí)鬧鈴報(bào)時(shí)功能會(huì)被啟動(dòng)，通過(guò)與音樂產(chǎn)生電路進(jìn)行邏輯組合，使得在達(dá)到鬧鈴時(shí)，發(fā)出音樂聲。鬧鈴關(guān)閉功能?？紤]到實(shí)際情況，希望鬧鈴聲可以被關(guān)閉，同時(shí)在關(guān)閉鬧鈴鍵恢復(fù)后，鬧鈴不再響，但是在下一次鬧鈴時(shí)間來(lái)臨時(shí)鬧鈴可以繼續(xù)工作。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)此功能的需要一個(gè)觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。星期設(shè)定電路功能。星期顯示功能由模7計(jì)數(shù)器構(gòu)成，16時(shí)為順序計(jì)數(shù)，星期日顯示為8，即從6跳過(guò)7直接進(jìn)入8，然后再由8進(jìn)入1。由此可見，需要設(shè)定這樣一個(gè)計(jì)數(shù)器：在一次循環(huán)計(jì)數(shù)過(guò)程中，要有兩次置位，且兩次所置數(shù)有所不同。四、 子模塊設(shè)計(jì)原理4.0 脈沖產(chǎn)生電路原理實(shí)驗(yàn)

10、板上振蕩源為48MHz，為獲得秒脈沖信號(hào)和報(bào)時(shí)電路中需要的音頻，需要對(duì)該振蕩源進(jìn)行分頻處理。處理的過(guò)程示意如下：48MHz3分頻8分頻1000分頻2分頻2KHz1KHz1000分頻2分頻1Hz圖2 脈沖產(chǎn)生方框圖4.0.1 2分頻電路2分頻電路是通過(guò)將D觸發(fā)器的端與D端接在一起就可以從Q端得到觸發(fā)器觸發(fā)信號(hào)的2分頻信號(hào)，電路圖如下：圖3 2分頻電路4.0.2 3分頻電路3分頻電路是通過(guò)74160用置數(shù)法實(shí)現(xiàn)。其輸出端按照如下方式循環(huán)計(jì)數(shù)時(shí)就可以對(duì)其輸入的脈沖進(jìn)行3分頻，輸出信號(hào)由直接引出。000000010010圖4 3分頻電路狀態(tài)圖74160置數(shù)端為低電平有效，所以將作為置數(shù)信號(hào)的輸入。3分

11、頻電路圖如下：圖5 3分頻電路封裝的子模塊圖為：圖6 3分頻電路封裝圖4.0.3 8分頻電路8分頻電路通過(guò)將3個(gè)2分頻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。把三個(gè)D觸發(fā)器按照如下方式串聯(lián)起來(lái)，將得到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)的8分頻信號(hào)。8分頻電路圖如下：圖7 8分頻電路圖將3分頻和8分頻電路串聯(lián)可構(gòu)成24分頻電路，電路圖如下：圖8 24分頻電路圖封裝成子模塊如下圖：圖9 24分頻電路封裝圖4.0.4 1000分頻電路1000分頻電路通過(guò)3個(gè)計(jì)數(shù)器74161串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。首先獲得10分頻電路，在=1111時(shí)置數(shù)，置位信號(hào)用，使計(jì)數(shù)器按如下方式進(jìn)行循環(huán)：0110100001111001101010111100110111101111圖10

12、10分頻電路狀態(tài)圖為了獲得占空比接近1：1的輸出信號(hào)，將端作為輸出，占空比為6：4。電路圖如下：圖11 10分頻電路將3個(gè)10分頻進(jìn)行串聯(lián)即可獲得1000分頻的分頻器。電路圖如下：圖12 1000分頻電路圖封裝成子模塊如下：圖13 1000分頻電路封裝圖最終將各種分頻獲得的信號(hào)輸出端封裝在一個(gè)總的模塊內(nèi)，輸入信號(hào)頻率48MHz，輸出三個(gè)頻率信號(hào)，分別是1Hz,1KHz,2KHz.封裝的模塊如下：圖14 分頻電路封裝圖4.1 計(jì)時(shí)電路時(shí)鐘能夠產(chǎn)生時(shí)間前進(jìn)是對(duì)秒脈沖計(jì)數(shù)產(chǎn)生形成的，為了形成時(shí)分秒，需要對(duì)秒進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)從而產(chǎn)生分，對(duì)分進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)產(chǎn)生時(shí)信號(hào)。秒和分均為60進(jìn)制，時(shí)為24進(jìn)制，

13、所以需要有模60和模24計(jì)數(shù)器。計(jì)時(shí)電路示意如下：1Hz秒個(gè)位秒十位分個(gè)位分十位時(shí)個(gè)位時(shí)十位圖15 計(jì)時(shí)電路示意圖模60計(jì)數(shù)器由兩個(gè)74160構(gòu)成，考慮用74160而不用74161的原因是74160為8421BCD方式計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)信號(hào)送進(jìn)7447后可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，而不像74161還要經(jīng)過(guò)碼轉(zhuǎn)換處理。另外，因?yàn)轱@示秒和分時(shí)都要顯示十位和個(gè)位，所以兩個(gè)計(jì)數(shù)器構(gòu)成模60的時(shí)候要考慮到分別顯示的問題，即讓一個(gè)用于作為十位，一個(gè)作為個(gè)位。電路圖如下：圖16 模60計(jì)數(shù)器電路圖圖中，前一個(gè)74160為個(gè)位，后一個(gè)為十位，每當(dāng)個(gè)位計(jì)數(shù)到1001時(shí)，由0變?yōu)?，將十位的置位，十位的74160計(jì)1，當(dāng)十

14、位的計(jì)數(shù)到5（0101），個(gè)位的計(jì)數(shù)到9（1001）時(shí)，正好是60，此時(shí)置位兩個(gè)計(jì)數(shù)器，重新由0開始，這樣就完成了模60計(jì)數(shù)。74160置位端低電平有效，因此將59時(shí)個(gè)位的,十位的,與非之后送給。在059之間時(shí)，=1，無(wú)效；59時(shí)，=0，計(jì)數(shù)器將被置位為0.模60封裝成模塊如下圖：圖17 模60計(jì)數(shù)器封裝圖說(shuō)明：CP：計(jì)數(shù)脈沖輸入； RD：清零輸入，低電平有效； CO：進(jìn)位輸出端，進(jìn)位輸出為0，正常輸出時(shí)狀態(tài)為1 TH：十位輸出，TH3,TH2,TH1,TH0. TL：個(gè)位輸出，TL3,TL2,TL1,TL0.仿真波形：圖18 模60計(jì)數(shù)器仿真波形圖模24計(jì)數(shù)器原理同模60，個(gè)位為3，十位為2

15、時(shí)置位為0，即將個(gè)位的，和十位的經(jīng)與非門接入。電路圖如下：圖19 模24計(jì)數(shù)器電路圖模24模塊圖如下：圖20 模24計(jì)數(shù)器封裝圖說(shuō)明：CP：計(jì)數(shù)脈沖輸入； RD：清零輸入，低電平有效； CO：進(jìn)位輸出端，進(jìn)位輸出為0，正常輸出時(shí)狀態(tài)為1； TH：十位輸出，SH3,SH2,SH1,SH0； TL：個(gè)位輸出，SL3,SL2,SL1,SL0；仿真波形：圖21 模24計(jì)數(shù)器仿真波形圖4.2 顯示電路顯示電路主要由數(shù)據(jù)選擇器74151、譯碼器74138、計(jì)數(shù)器、顯示譯碼器7447和數(shù)碼顯示管組成。顯示電路示意圖如下：圖22 顯示電路方框圖因?yàn)閷?shí)驗(yàn)要求只用一個(gè)顯示譯碼器7447，所以考慮用動(dòng)態(tài)掃描顯示法進(jìn)

16、行數(shù)據(jù)顯示，即每次只顯示一位，按照一定的顯示時(shí)間間隔輪流顯示。每個(gè)顯示位均為四位二進(jìn)制數(shù)，所以需要4片數(shù)選器，要顯示的位有時(shí)分秒6位（HH,HL,MH,ML,SH,SL），加上星期顯示1位(we)，最高空位為0，所以共8位。數(shù)選器的選擇信號(hào)有三位，所以要用一個(gè)模8循環(huán)計(jì)數(shù)器作為數(shù)選器的地址選擇端，供輪流選擇帶顯示的數(shù)據(jù)，此外，還要用一個(gè)3-8譯碼器來(lái)選擇數(shù)碼管(DIG位)來(lái)顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。電路圖如下：圖23 顯示電路圖封裝形式為：圖24 顯示電路封裝圖4.3 保持電路原理保持電路的功能是通過(guò)按鍵K1操作，用與門和非門實(shí)現(xiàn)。將保持開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)消顫開關(guān)后作非門處理和秒計(jì)數(shù)位的輸入脈沖相與，結(jié)果

17、送入秒位輸入端口。=0時(shí)，=1,電路正常計(jì)時(shí)；=1時(shí)，=0時(shí)，電路保持為當(dāng)前時(shí)間。電路如下：圖25 保持電路圖4.4 清零電路原理清零電路是把時(shí)間歸零，且無(wú)論什么時(shí)候操作，電路都將歸零，此電路通過(guò)對(duì)清零開關(guān)K2操作實(shí)現(xiàn)。把清零開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)消顫之后經(jīng)非門后送入時(shí)分秒計(jì)數(shù)器的的清零端(低電平有效)。=0,=1,電路正常工作；=1,=0，各計(jì)數(shù)器被清零。電路圖如下：圖26 清零電路圖4.5 校分電路原理校分電路用開關(guān)操作實(shí)現(xiàn)的。=0，正常工作；=1時(shí)，電路由1Hz脈沖信號(hào)校分。的狀態(tài)經(jīng)消顫開關(guān)接入三入與門，為鬧鐘使能信號(hào)，在正常計(jì)數(shù)未進(jìn)入鬧鈴設(shè)定狀態(tài)時(shí)=1。秒進(jìn)位信號(hào)在進(jìn)位（59秒）時(shí)為0，其余都

18、為1.1代表1Hz脈沖信號(hào)。圖27 校分電路圖4.6 校時(shí)電路原理校時(shí)電路用開關(guān)操作實(shí)現(xiàn)的。=0，正常工作；=1時(shí)，電路由1Hz脈沖信號(hào)校分。的狀態(tài)經(jīng)消顫開關(guān)接入三入與門，為鬧鐘使能信號(hào)，在正常計(jì)數(shù)未進(jìn)入鬧鈴設(shè)定狀態(tài)時(shí)=1，校分校時(shí)期間，的動(dòng)作對(duì)鬧鐘沒有影響；=0時(shí)為進(jìn)入鬧鐘設(shè)定狀態(tài)，校時(shí)校分開關(guān)用于鬧鐘時(shí)間設(shè)定，對(duì)正常計(jì)時(shí)不會(huì)有影響。分進(jìn)位信號(hào)在進(jìn)位（59分）時(shí)為0，其余都為1.1代表1Hz脈沖信號(hào)。4.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路原理按照要求，在5953”時(shí)開始報(bào)時(shí)，在5953”, 5955”,5957” 時(shí)報(bào)時(shí)頻率為512Hz,5959”時(shí)報(bào)時(shí)頻率為1KHz。實(shí)驗(yàn)圖中時(shí)分秒對(duì)應(yīng)的符號(hào)如下表：秒十位：

19、SH 秒個(gè)位：SL 分十位：MH分個(gè)位：ML 時(shí)十位：HH 時(shí)個(gè)位：HL時(shí)位 分位秒位HH323MH313SH303HH222MH212SH202HH121MH111SH101HH020MH010SH000HL327ML317SL307HL226ML216SL206HL125ML115SL105HL024ML014SL004 表1 字符對(duì)應(yīng)表為使控制電路盡量簡(jiǎn)單，用卡諾圖對(duì)3、5、7秒進(jìn)行化簡(jiǎn)。如表1所示。Q2Q1Q2Q4Q30001111000001001011011xxxx1000xx表2 整點(diǎn)報(bào)時(shí)卡諾圖化簡(jiǎn)后3、5、7秒控制電路的信號(hào)為。5950”為整點(diǎn)報(bào)時(shí)的共有部分，用6入與門實(shí)現(xiàn)。當(dāng)

20、報(bào)時(shí)時(shí)間到時(shí)，將邏輯結(jié)果與相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)相與后送入蜂鳴器。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路如下：圖28 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路圖說(shuō)明：圖中alarm為鬧鐘報(bào)時(shí)信號(hào)，鬧鈴時(shí)間未到時(shí)alarm=0.4.8 鬧鐘設(shè)定電路原理鬧鐘設(shè)定時(shí)，需要外部信號(hào)輸入，讓數(shù)字鐘進(jìn)入鬧鐘界面，且要保證在設(shè)定鬧鈴時(shí)數(shù)字鐘能夠正常工作。本電路在設(shè)計(jì)中讓按鍵具有復(fù)用功能，即用校時(shí)校分開關(guān)來(lái)設(shè)定鬧鐘時(shí)間的時(shí)位和分位，這就要求在設(shè)定鬧鈴和數(shù)字鐘的校時(shí)校分功能互不影響。本實(shí)驗(yàn)用鍵作為鬧鐘設(shè)定使能鍵。=0時(shí)，正常計(jì)時(shí)；=1進(jìn)入鬧鐘設(shè)定狀態(tài)。設(shè)定鬧鈴時(shí)間電路和計(jì)時(shí)電路中的校時(shí)校分的原理基本一致，不同之處在于，在鬧鈴設(shè)定完畢返回時(shí)間顯示狀態(tài)時(shí)獲其他任何沒有重新

21、設(shè)定鬧鈴狀態(tài)時(shí)，鬧鐘時(shí)間都不會(huì)改變。另外，在鬧鐘設(shè)定中，分位對(duì)時(shí)位沒有進(jìn)位。鬧鐘設(shè)定電路如下：圖29 鬧鐘設(shè)定電路圖封裝子模塊為：圖30 鬧鐘設(shè)定電路封裝圖說(shuō)明：K5：鬧鈴使能開關(guān)；K3：分設(shè)定開關(guān)；K4：小時(shí)設(shè)定開關(guān)；1HZ：1Hz脈沖輸入端；2KHZ：2KHz脈沖輸入端；MH：鬧鐘分十位；ML：鬧鐘分個(gè)位；HH：鬧鐘時(shí)十位；HL：鬧鐘時(shí)個(gè)位。4.9 音樂產(chǎn)生電路原理音樂是有不同頻率的音頻信號(hào)送入蜂鳴器產(chǎn)生的，要獲得音樂效果，首先要獲得音頻，這個(gè)由音頻電路產(chǎn)生；其次要讓音頻按照樂譜順序依次發(fā)聲，這個(gè)由譯碼器完成；最后，要讓鬧鈴聲在每次鬧鈴時(shí)都從頭開始播放，所以需要帶清零功能的循環(huán)計(jì)數(shù)器用來(lái)作

22、為譯碼器的輸入。將依次選中的位和對(duì)應(yīng)頻率脈沖相與之后輸出至蜂鳴器就可以產(chǎn)生音樂效果。本實(shí)驗(yàn)中音頻對(duì)應(yīng)為：音符（0）（1）1（2）2（3）3（4）音頻0.125khz0.25khz0.5khz1khz2khz表3 音符音頻對(duì)應(yīng)表表中（）內(nèi)數(shù)字為實(shí)驗(yàn)中代表（）前音符的數(shù)字，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中不方便用這樣的符號(hào)表示。本實(shí)驗(yàn)中音樂是歡樂頌，取其開頭一段：1 1 2 3 3 2 1 1 1 1 2 3 3 2 1 1 表4 樂譜實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的符號(hào)應(yīng)為：2 2 3 4 4 3 2 1 0 0 1 2 0 0 0 02 2 3 4 4 3 2 1 0 0 1 2 1 1 1 14.9.1 音頻電路表5 對(duì)應(yīng)表音樂電路

23、圖為：圖31 音樂產(chǎn)生電路圖音樂產(chǎn)生電路封裝模式為：圖32 音樂產(chǎn)生電路封裝圖仿真波形為：圖33 音樂產(chǎn)生電路仿真波形圖音頻電路就是分頻電路，用來(lái)獲得所需音頻。原理同脈沖電路。音頻電路圖如下：圖34 音頻電路圖音頻模塊圖為：圖35 音頻電路封裝圖4.9.2 譯碼電路所取音樂共有32個(gè)音符，用32個(gè)節(jié)拍，需要5-32譯碼器。實(shí)驗(yàn)軟件中沒有可以直接使用的5-32譯碼器，所以用一個(gè)2-4譯碼器74139和4個(gè)3-8譯碼器構(gòu)成。74139的兩個(gè)輸入端為5為譯碼的高兩位，輸出端用于選擇4片74138中的對(duì)應(yīng)一片。為便于后面使用，將譯碼器輸出端非一下輸出。使得由負(fù)有效輸出轉(zhuǎn)為正有效輸出。5-32譯碼器電路

24、如圖：圖36 譯碼電路圖5-32譯碼器封裝的子模塊為：圖37 譯碼電路封裝圖4.9.3 模32計(jì)數(shù)器模32計(jì)數(shù)器用于循環(huán)順序選擇樂譜。設(shè)計(jì)原理同模60計(jì)數(shù)器。電路圖如下：圖38 模32計(jì)數(shù)器電路圖封裝形式為：圖39 模32計(jì)數(shù)器電路封裝圖4.10 鬧鐘報(bào)時(shí)電路原理將鬧鈴設(shè)定的時(shí)間和數(shù)字鐘的當(dāng)前時(shí)間不斷通過(guò)與門比較，當(dāng)二者時(shí)和分完全相等時(shí)，將輸出鬧鈴啟動(dòng)信號(hào)sounderable,啟動(dòng)鬧鈴電路工作。如下圖所示：圖40 鬧鐘報(bào)時(shí)電路圖圖中所示為鬧鈴關(guān)閉開關(guān)，鬧鈴時(shí)按下該開關(guān)可以關(guān)閉鬧鈴聲音。整個(gè)鬧鈴啟動(dòng)電路為：VCCK6INPUTSOUNDOUTPUTAND2instAND2inst20AND2i

25、nst21AND2inst22AND2inst23AND2inst24AND2inst25AND2inst26AND2inst27AND2inst28AND2inst29AND2inst30AND2inst31AND2inst32AND2inst33AND2inst34AND2inst35AND2inst36AND2inst37AND2inst38AND2inst39AND2inst40AND2inst41AND2inst42AND2inst43AND2inst44AND2inst45AND2inst46AND2inst47AND2inst48AND2inst49AND2inst50NOTin

26、st51OR2inst52OR2inst54OR2inst55OR2inst56OR2inst57OR2inst58OR2inst59OR2inst60OR2inst61OR2inst62OR2inst63OR2inst64OR2inst65OR2inst66OR2inst67OR2inst68XNORinst2XNORinst3XNORinst7XNORinst9XNORinst53XNORinst69XNORinst70XNORinst71XNORinst72XNORinst73XNORinst74XNORinst75XNORinst76XNORinst77XNORinst78XNORin

27、st79AND8inst80AND8inst81AND2inst82CLRNDPRNQDFFinst83NOTinst86AND2inst88INCPOUT0SWITCHinst19NOTinst87AND2inst900125K025K05K10K20K1HRDOUTMUSICinst92OR3inst892KHZ0123YINPINinst99AND2inst95NKEY5NKEY51112S01S02P01P02A1KEY5P00NKEY510S00P03A5KEY5P04A6KEY5P05A7KEY5P06A8KEY5P07B1KEY5P08B2KEY5P09B3KEY5P10B4KE

28、Y5P11B5KEY5P12B6KEY5P13B7KEY5P14B8KEY5P15NKEY513S03NKEY514S04NKEY515S05NKEY516S06NKEY517S07NKEY520S08S0921NKEY5S1022NKEY5S1123NKEY5NKEY524S12NKEY525S13NKEY526S14NKEY527S15A2KEY5A3KEY5A4KEY5S00P00S01P01S02P02S03P03S04P04S05P05S07P07S08P08S09P09S10P10S11P11S12P12S13P13S14P14S15P15Q00Q01Q02Q03Q04Q05Q07

29、Q08Q09Q10Q11Q12Q13Q14Q15P06Q06S0610A111A212A313A414A515A616A717A820B121B222B323B424B525B626B727B8sounderableLOWHIGHalarmKEY5NKEY5nksounderableABLEalarm2KHZ2KHZ1HABLE1HZ1HABLEnk2KHZ圖41 鬧鐘啟動(dòng)電路圖4.11 鬧鐘關(guān)閉電路原理為鬧鈴關(guān)閉開關(guān)。鬧鈴電路啟動(dòng)后達(dá)到鬧鈴時(shí)間時(shí)，鬧鈴聲音將一致循環(huán)播放，知道鬧鈴關(guān)閉開關(guān)啟動(dòng)。正常情況下，為0，鬧鈴時(shí)間來(lái)臨時(shí)，鬧鈴音樂播放，按下，=1，鬧鈴關(guān)閉，下次鬧鈴時(shí)間來(lái)臨時(shí)不再鬧鈴；按

30、下后再恢復(fù)為0狀態(tài)，則下次鬧鈴時(shí)間來(lái)臨時(shí)，鬧鈴將正常工作。所以既有關(guān)閉鬧鈴聲音功能，又有關(guān)閉鬧鈴功能。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的關(guān)鍵在于電路中實(shí)驗(yàn)的D觸發(fā)器。正常未到鬧鈴情況下，D觸發(fā)器Q=0，=1，=0，鬧鈴不工作，sounderable=0；鬧鈴時(shí)間到，sounderable=1，上升沿觸發(fā)將=1送到此時(shí)的Q端，如果此時(shí)=0，=1，鬧鈴啟動(dòng)，播放音樂；如果此時(shí)按下，則由0至1，由1至0，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，觸發(fā)D觸發(fā)器，將此刻的=0送給Q，鬧鈴關(guān)閉。如果一直為1，則鬧鈴將處于關(guān)閉狀態(tài)；而如果恢復(fù)為0，則下次鬧鈴時(shí)間來(lái)臨時(shí)鬧鈴正常工作。這樣考慮主要是為了在立即關(guān)閉鬧鈴聲之后有立即恢復(fù)時(shí)，此刻的鬧鈴不再響。鬧

31、鈴關(guān)閉電路與鬧鈴報(bào)時(shí)電路在一起。4.12 星期調(diào)整電路原理星期顯示從16，8，用8來(lái)表示日。所以用一個(gè)模7循環(huán)計(jì)數(shù)器，利用狀態(tài)置位法置位，因?yàn)樵?110和1000時(shí)置位值不同。該循環(huán)計(jì)數(shù)器工作值應(yīng)該是：0001001000110100010101101000置位置位圖42 星期狀態(tài)圖為簡(jiǎn)化控制方法，畫出卡諾圖。Q2Q1Q2Q4Q30001111000x1110111x011xxxx100xxx表6 星期顯示卡諾圖在計(jì)數(shù)輸出端為0110和1000時(shí)置數(shù)分別置位。0110時(shí)置數(shù)1000，1000時(shí)置數(shù)0001.從表中可以化簡(jiǎn)出置數(shù)位B,C恒為0，D=,C=.LDN=.這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)星期計(jì)數(shù)顯示了。

32、電路圖如下：圖43 星期電路圖封裝的子模塊為：圖44 星期電路封裝圖仿真波形：圖45 星期電路仿真波形圖4.13 電路總圖圖46 電路總圖封裝形式為：圖47 總電路封裝圖五、 實(shí)驗(yàn)中遇到問題及解決方法5.1 消顫開關(guān)沒有消顫作用分析解決:開始時(shí)，我們采用R-S鎖存器進(jìn)行開關(guān)的的消顫處理，在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行模擬仿真時(shí)，隨著開關(guān)的撥動(dòng)，數(shù)碼管顯示值跳動(dòng)異常，且變化捉摸不定，鬧鈴設(shè)定值也因此變化，原因可能是對(duì)于有高頻干擾的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，R-S鎖存器容易受到干擾，消顫效果并不理想。所以我們?cè)诓殚喯汝P(guān)資料之后，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的數(shù)字電子系統(tǒng)中，比較普遍的是用D觸發(fā)器進(jìn)行消顫。在選取好D觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖也即采樣頻率后，

33、發(fā)現(xiàn)消顫效果較好。 5.2 加入鬧鈴功能時(shí)，鬧鈴時(shí)間可以通過(guò)K3,K4設(shè)定，但是正常校分校時(shí)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)分析解決：我們?cè)O(shè)計(jì)的模60計(jì)數(shù)器進(jìn)位輸出端在進(jìn)位時(shí)由高電平轉(zhuǎn)為低電平，即在沒有進(jìn)位的時(shí)候是1。開始時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的分計(jì)數(shù)脈沖輸入端是校分開關(guān)K3、1Hz、鬧鈴使能開關(guān)K5（正常計(jì)數(shù)時(shí)為1）三個(gè)信號(hào)進(jìn)過(guò)與門后與模60進(jìn)位信號(hào)經(jīng)或門后的信號(hào)。在經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，正常未進(jìn)位情況下，CP端一直為1，校分時(shí)校分的脈沖輸入上升沿并不能使CP產(chǎn)生上升沿，所以造成正常校分功能消失。同理，對(duì)校時(shí)開關(guān)存在同樣的問題。鬧鈴的校時(shí)校分能夠進(jìn)行的原因是其校時(shí)校分開關(guān)信號(hào)直接輸入至分鐘計(jì)數(shù)器CP端的，沒有秒進(jìn)位信號(hào)的影響。所以我們改成把K3、1Hz、K5與非的結(jié)果再和進(jìn)位信號(hào)相與后送入下級(jí)CP 端，經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)校時(shí)校分功能變得正常。5.3 鬧鈴時(shí)間到時(shí)，鬧鈴聲音無(wú)法關(guān)閉。分析解決：實(shí)驗(yàn)中鬧鈴關(guān)閉開關(guān)是K6，既然鬧鈴無(wú)法關(guān)閉，那么可能就是K6信號(hào)無(wú)法對(duì)鬧鈴觸發(fā)蜂鳴器的使能信號(hào)構(gòu)成影響。經(jīng)檢查電路發(fā)現(xiàn)，我們把鬧鐘時(shí)間到的信號(hào)sounderable和相與改成了相或。很明顯，當(dāng)sounder