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毕业设计
基于 VHDL 的数字时钟设计
和时序仿真
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年 月
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目 录
1 引言……………………………………………………………………………………1
2 设计概述………………………………………………………………………………2
3 开发工具简介…………………………………………………………………………4
3.1 VHDL 语言简介……………………………………………………………………4
3.1.1 VHDL 开展史……………………………………………………………………4
3.1.2 VHDL 设计特点…………………………………………………………………4
3.1.3 VHDL 设计构造……………………………………………………………… 5
3.1.4 VHDL 设计步骤……………………………………………………………… 6
3.2 Quartus II 软件简介……………………………………………………………6
3.2.1 Quartus II 软件介绍 …………………………………………………………6
3.2.2 Quartus II 软件设计流程…………………………………………………… 6
4 数字时钟的设计要求和原理……………………………………………………… 8
4.1 设计要求……………………………………………………………………………8
4.2 设计原理……………………………………………………………………………8
5 数字时钟模块化设计………………………………………………………………10
5.1 分频模块…………………………………………………………………………11
5.2 计时模块…………………………………………………………………………13
5.2.1 秒计时模块…………………………………………………………………… 13
5.2.2 分计时模块…………………………………………………………………… 15
5.2.3 时计时模块…………………………………………………………………… 17
5.3 报警模块…………………………………………………………………………18
5.4 数据选择模块……………………………………………………………… 20
5.5 译码显示模块……………………………………………………………………22
6 数字时钟模块化仿真………………………………………………………………24
6.1 计时模块仿真图…………………………………………………………………24
6.1.1 秒模块仿真图………………………………………………………………… 24
6.1.2 分模块仿真图………………………………………………………………… 24
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6.1.3 时模块仿真图 ………………………………………………………………25
6.2 报警模块仿真图…………………………………………………………………25
6.3 数据选择模块仿真图……………………………………………………………26
6.4 译码模块仿真图…………………………………………………………………26
6.5 数字时钟整体仿真图……………………………………………………………27
7 FPGA 开发板实验……………………………………………………………………
28
7.1 芯片和器件选择………………………………………………………………… 28
7.2 外部电路接线…………………………………………………………………… 28
7.2 硬件实物图……………………………………………………………………… 28
8 结论…………………………………………………………………………………30
附录…………………………………………………………………………………… 31
参考文献……………………………………………………………………………… 42
致……………………………………………………………………………………43
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1 引言
随着科学技术的迅猛开展,在计算机技术的推动下电子技术获得了飞速的开展。
电子产品几乎渗透到了工业、生活的各个领域,其中集成电路的设计正朝着速度
快、性能高、容量大、体积小和微功耗的方向开展。基于这种情况,可编程逻辑
器件的出现和开展大大改变了传统的系统设计方法。可编程逻辑器件和相应的设
计技术主要表达在三个方面:一是可编程逻辑器件的芯片技术;二是适用于可逻
辑编程器件的硬件编程技术,三是可编程逻辑器件设计的 EDA 开发工具,它主要
用来进展可编程逻辑器件应用的具体实现
[1]
。在本设计中采用了集成度较高的
FPGA 可编程逻辑器件,选用了 VHDL 硬件描述语言和 Quartus II 开发软件进展
设计。VHDL 硬件描述语言在电子设计自动化( EDA)中扮演着重要的角色,由于
采用了具有多层次描述系统硬件功能的“自顶向下〞(Top -Down)的全新设计方法,
使设计师们摆脱了大量的辅助设计工作,而把精力集中于创造性的方案与概念构
思上,用新的思路来开掘硬件设备的潜力,从而极提高了设计效率,缩短了产品的
研制周期
[2]
。Quartus II 软件是集成了编辑器、仿真工具、检查/分析工具和优化/
综合工具的这些所有开发工具的一种集成的开发环境,通过该开发环境能够很方
便的检验设计的仿真结果以及建立起与可编程逻辑器件的管脚之间对应的关系
[3]
。
EDA 技术是以计算机为工具,根据硬件描述语言 HDL 完成的设计文件,自动
地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线。仿真以及对于特定目
标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的 EDA 工具中必须包含两个特殊的
软件包,即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在 EDA 平台上完成的
针对某个系统工程的 HDL、原理图或状态图形描述,针对给定的硬件系统组件,
进展编译、优化、转换和综合,最终获得我们欲实现功能的描述文件。综合器
在工作前,必须给定所要实现的硬件构造参数,它的功能就是将软件描述与给
定的硬件构造用一定的方式联系起来。综合过程就是将电路的高级语言描述转
换低级的。可与目标器件 FPGA/CPLD 相映射的网表文件。适配器的功能是将
由综合器产生的王表文件配置与指定的目标器件中,产生最终的下载文件,如
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JED 文件。适配所选定的目标器件(FPGA/CPLD 芯片)必须属于在综合器中已
指定的目标器件系列。
2 设计概述
数字时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,具有更长的使用寿命,数字时钟
可植入自动控制、测试等系统部,作为系统的时钟源,可为系统提供定时信号或
中断控制的时间基准,具有广泛的用途。由于数字集成电路的开展使得数字时钟
的精度远远超过老式钟表,钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便,而
且大扩展了钟表原先的单一报时功能
[4]
。参加了一些诸如自动报时、定时闹钟等
功能。这些都是以钟表数字化为根底的。因此,研究数字时钟及扩大其应用,有
着非常现实的意义。
数字时钟的设计方法有很多种,包括基于单片机的硬件设计、基于各种描述
语言的软件设计,本设计采用 VHDL 语言来设计数字时钟有着多方面的优越性,
通过把整个设计分为多个模块依次来实现,减少了众多重复性步骤,合理化了设
计过程,使得设计更加省时、快捷,提高了设计效率。
目前,电子系统的 EDA 技术正从着眼与数字逻辑向模拟电路和数模混合电路
的方向开展,21 世纪是 EDA 技术飞速开展的时期,可以预见 EDA 技术将会对今
后电子设计的开展产生重大的影响。随着电子技术的开展,集成电路经历了从小
规模、中规模到大规模和超大规模集成的过程,应用系统向小型化、快速化、
大容量、重量轻的方向开展
[5]
;数字系统的设计也已从芯片组合化设计走向单
片系的设计。随着微电子和计算机领域的原理创新、技术创新、应用创新层出
不穷,许多特定功能的专用集成电路应用日益广泛,用户迫切希望根据自身设
计要求自行构造逻辑功能的数字电路,复杂可编程逻辑器件 FPGA 顺应了这一
新的需要。它能将大量逻辑功能集成于一个芯片中,其规模可达几十万或上百
门以上,从而电子设计自动化 EDA 技术应运而生,它是电子产品及系统开发领
域中一场革命性变革,EDA 技术极推动了科学技术的开展
[6]
。EDA 技术的开展
使硬件电路设计软件化,降低了硬件电路设计的难度,使设计周期和产品的开
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gjmm89
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