数字中频的基本原理和FPGA 的实现
1．基本原理
数字中频主要分两部分，数字上变频（DUC ）和数字下变频(DDC)。它们的主要功能是相反，但原理和实现的方法是十分相似。在R8905项目中由于采用了零中频技术，数字上变频和下变频有一些差别，数字上变频没有了NCO 模块。另外为了降低输出信号的峰均比又加入了削峰模块CFR,而CGC 模块的引入则是补偿削峰所引起的功率损失。
图1 数字上变频模块框图
在数字下变频中RSSI
模块是信号的功率检测模块，它配合AGC 电路将信号的输出功率稳定在一定范围内。
图2 数字下变频模块框图
在DDC 和DUC 中主要使用3种滤波器分别是RRC,HB 和CIC ，它们个自有个自的特点。 RRC 滤波器一般来讲阶数比较多，多用于低频处。由于它的阶数比较多，所以可以得到比较锐利的带通特性，但它所用的乘法器比较多。CIC 滤波器不需要乘法器，但它的带内不是很平坦，适合用在高频处。而HB 滤波器的特性正好在它们之间，它有约一半的系数是0可以讲乘法器的个数减少一半。
削峰模块CFR 实际上也是一组滤波器，它的功能是将CDMA 信号中的峰值信号减小一些，以减小输出信号的峰均比，使射频功率放大器的效率更高。削峰的模块框图如图3
图3 单级削峰示意图
削峰的原理是这样的一个复信号(I,Q)如果它的模大于某个门限，就将其减去这个门限得到一个复信号(dI,dQ),否则(dI,dQ)＝(0,0)。将(dI,dQ)送到fir滤波器中，fir滤波器是一个低通滤波器将峰值限定在一定的带宽内，防止影响临道。将原信号(I,Q)减去滤波后的信号(fir_i,fir_q)就得到了削峰的值。如果有必要这这样的削峰可以连续做几次，在R8905设计中削峰用了两次。
2．滤波器的设计
由于在滤波的同时还有内插和抽取，所以充分利用这一特性可以减少FPGA使用的资源。
另外滤波器的系数一般都是对称的，可以将头和尾的数相加再乘滤波器的系数，这样可以大大减少乘法器的使用。以R8905中的上变频RRC为例来说明：
设a(n)为RRC滤波器的系数而x(n)为3.84M输入数据则考虑了内插后的滤波器的数学表达式为
y=a(0)*x(n)+a(1)*0+a(2)*x(n-1)+.........+a(n-1)*0+a(0)*x(0)
=a(0)*(x(n)+x(0)) +a(2)*( x(n-1)+x(1))......
其FPGA实现的逻辑框图如下
图4 DUC RRC滤波器实现逻辑图
其中使用了4个乘法器和四个RAM以及一个ROM来存数据。RRC_CTR_6144模块控制这些乘法器和ROM。参考代码如下：
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// Date : Sat Jul 21 10:51:51 2007
//
// Author : duan chenghong
//
// Company : zte
//
// Description :
// RRC滤波器用了4个RAM和4个乘法器完成IQ两路的滤波功能，// I,Q的处理方法完全相同。数据同时写入4个RAM中，但读的地址不// 同，由于RRC滤波器的系数是对称的所以读RAM的地址也是对称的，将地址
// 对称的RAM读出数相加再和RRC滤波器系数相成再累加就可以得到最后的结果
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module rrc_ctr_6144 (waddr, raddr0, raddr1, raddr2, raddr3, clk, reset,
data_en, dat0_out, dat1_out, dat2_out, dat3_out, coef,
raddr_coef, ih, il, qh, ql, coef_h, coef_l, mih, mil, mqh, mql, idat,
qdat, rrc_en);
output [5:0] waddr ; reg [5:0] waddr ;
output [5:0] raddr0 ; wire [5:0] raddr0 ; output [5:0] raddr1 ; wire [5:0] raddr1 ; output [5:0] raddr2 ; wire [5:0] raddr2 ; output [5:0] raddr3 ; wire [5:0] raddr3 ;
input clk ; wire clk ;
input reset ; wire reset ;
input data_en ; wire data_en ;
input [31:0] dat0_out ; wire [31:0] dat0_out ; input [31:0] dat1_out ; wire [31:0] dat1_out ; input [31:0] dat2_out ; wire [31:0] dat2_out ; input [31:0] dat3_out ; wire [31:0] dat3_out ; input [31:0] coef ; wire [31:0] coef ;
output [3:0] raddr_coef ; wire [3:0] raddr_coef ; output [16:0] ih ; reg [16:0] ih ;
output [16:0] il ; reg [16:0] il ;
output [16:0] qh ; reg [16:0] qh ;
output [16:0] ql ; reg [16:0] ql ;
output [15:0] coef_h ; wire [15:0] coef_h ; output [15:0] coef_l ; wire [15:0] coef_l ; input [32:0] mih ; wire [32:0] mih ;
input [32:0] mil ; wire [32:0] mil ;
input [32:0] mqh ; wire [32:0] mqh ;
input [32:0] mql ; wire [32:0] mql ;
output [15:0] idat ; reg [15:0] idat ;
output [15:0] qdat ; reg [15:0] qdat ;
output rrc_en ; reg rrc_en ;
assign coef_h=coef[31:16];
assign coef_l=coef[15:0];
reg [3:0] cnt;
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
waddr<=0;
else
if(data_en)
waddr<=waddr+1'b1;
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
cnt<=0;
else
if(data_en)
cnt<=0;
else
cnt<=cnt+1'b1;
assign raddr_coef = cnt[3]?cnt-3:cnt-1'b1;
//系数的地址
assign raddr0 =cnt[3]?waddr-23+cnt[2:0]:waddr-23+cnt[2:0]-1;
assign raddr1 =cnt[3]?waddr-23+cnt[2:0]+6:waddr-23+cnt[2:0]+6-1; assign raddr2 =cnt[3]?waddr-cnt[2:0]-1:waddr-cnt[2:0]-1 ;
assign raddr3 =cnt[3]?waddr-cnt[2:0]-6-1:waddr-cnt[2:0]-6-1 ;
// 4个RAM的读地址
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
ih<=0;
else
ih<={dat0_out[31],dat0_out[31:16]}+{dat2_out[31],dat2_out[31:16]};
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
il<=0;
else
il<={dat1_out[31],dat1_out[31:16]}+{dat3_out[31],dat3_out[31:16]};
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
qh<=0;
else
qh<={dat0_out[15],dat0_out[15:0]}+{dat2_out[15],dat2_out[15:0]};
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
ql<=0;
else
ql<={dat1_out[15],dat1_out[15:0]}+{dat3_out[15],dat3_out[15:0]}; //为防止相加溢出，补一位
wire [35:0] ex_mih,ex_mil,ex_mqh,ex_mql;
assign ex_mih=mih[32]? {3'b111,mih}:{3'b000,mih};
assign ex_mil=mil[32]? {3'b111,mil}:{3'b000,mil};
assign ex_mqh=mqh[32]? {3'b111,mqh}:{3'b000,mqh};
assign ex_mql=mql[32]? {3'b111,mql}:{3'b000,mql};
//为防止累加溢出，补3位
reg [35:0] sum_ih,sum_il,sum_qh,sum_ql; always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
sum_ih<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b001)
sum_ih<=0;
else
sum_ih<=sum_ih+ex_mih;
always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset)
sum_il<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b001)
sum_il<=0;
else
sum_il<=sum_il+ex_mil;
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
sum_qh<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b001)
sum_qh<=0;
else
sum_qh<=sum_qh+ex_mqh;
always@(posedge clk or negedge reset) if(~reset)
sum_ql<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b001)
sum_ql<=0;
else
sum_ql<=sum_ql+ex_mql;
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
rrc_en<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b000)
rrc_en<=1'b1;
else
rrc_en<=0;
//产生RRC滤波器输出数据使能信号
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
idat<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b000)
idat<=(((sum_ih+sum_il)>>13)+1'b1)>>1;
always@(posedge clk or negedge reset)
if(~reset)
qdat<=0;
else
if(cnt[2:0]==3'b000)
qdat<=(((sum_qh+sum_ql)>>13)+1'b1)>>1;
//产生I,Q两路数据并对末位进行四舍五入
endmodule
如果是半带滤波器，考虑到内插
在奇数拍时有
y=a(0)*x(n)+0*0+a(2)*x(n-1)+.........+0*0+a(0)*x(0)
=a(0)*(x(n)+x(0)) +a(2)*( x(n-1)+x(1))......
而在偶数拍有
y=a(0)*0+0*x(n-1)+a(2)*0+....+a(m)x(m)+0 0
及只有中间项有数，其他各项不是系数为0，就是数据为0，且中间项的系数一般是0.5,利用这一点可以减少FPGA的资源。
HB滤波器的设计和RRC十分相似，如下图
图5 HB滤波器设计框图
而CIC滤波器相对简单些，它实际上就是一些加法和一些减法，其设计框图如图6所示
图6 CIC滤波器设计框图
在CIC滤波器中需要注意的是d1clk模块，它只是为了调整时序。
3.设计对时序要求的满足：
完成代码设计后除了要保证仿真正确同时也要保证电路的时序能够满足设计的要求。从图1可以看到信号的频率随着每一次内插而变高，那各个滤波器的工作时钟是不是也要逐步提高呢？实际上比较好的方法是时钟始终工作在最高频率61.44M上而用使能信号来标识数据。当数据的速率是3.84M时就每16个61.44M时钟产生一个使能，而当速率是7.68M时就每8个61.44M时钟产生一个使能。这样整个DUC电路只有一个时钟，便于时钟的时序分析。如果我们使用Xilinx的ISE进行编译，建议综合工具使用synplify Pro而不要使用ISE 本身的XST。选用synplify Pro的方法如图7
图7 在ISE中选用synplify Pro
在ISE的集成环境中有两个地方可以对时钟进行约束，分别是synplify Pro的sdc约束文件和ISE的UCF约束文件。sdc文件主要通过改变代码生成的电路来提高速度，而UCF通过
布局布线来提高速度，另外用面积约束的方法把相关模块放在一起减少布线延时也可以提高速度。点击synplify 界面中红线圈定的图标可以编辑时钟约束文件。
图8 synplify中加约束文件
同样在ISE中也要加约束文件
图9 在ISE中加约束文件
在ISE中可以添加时序约束和面积约束来提高时序。添加约束的时候可以加入一些过约束，如果你希望时钟可以跑到10ns,可以将约束设为8～9ns。但无论如何良好的代码设计是电路时序的根本保证。
如果时序不能满足，ISE的时序分析工具可以帮助你指出最长延时的路径，点击如图10所示分析关键可以看到关键路径。
图10 ISE时序分析工具
ISE的时序分析工具清楚的告诉你那条路径时序有问题，如图11所示
图11 路径延时的分析报告
4．怎样验证频域电路
滤波器电路设计一个最大的问题是它是针对频域的设计，算法又比较复杂而我们一般的仿真工具都是针对时域的。怎么认定我们的设计是正确的往往是一个比较困难的事情。有以下几种方法可以帮助判断。
1．输入一个等效幅度为1的冲击信号，滤波器的输出将是滤波器的各个系数
2．输入单音信号，分析输出信号的频谱是否只有一个单音频点。
3．和matlab仿真的数据逐个比较
摘要 伴随着集成电路技术的发展, 电子设计自动化(EDA)技术逐渐成为数字电路设计的重要手段。基于FPGA的EDA技术的发展和应用领域的扩大与深入，使得EDA技术在电子信息，通信，自动控制，计算机等领域的重要性日益突出。 本设计给出了一种基于FPGA的多功能数字钟方法，采用EDA作为开发工具，VHDL语言和图形输入为硬件描述语言，QuartusII作为运行程序的平台，编写的程序经过调试运行，波形仿真验证，下载到EDA实验箱的FPGA芯片，实现了设计目标。 系统主芯片采用CycloneII系列EP2C35F672C8。采用自顶向下的设计思想，将系统分为五个模块:分频模块、计时模块、报时模块、显示模块、顶层模块。用VHDL语言实现各个功能模块, 图形输入法生成顶层模块. 最后用QuartusII 软件进行功能仿真, 验证数字钟设计的正确性。 测试结果表明本设计实现了一个多功能的数字钟功能，具有时、分、秒计时显示功能，以24小时循环计时；具有校正小时和分钟的功能；以及清零，整点报时功能。 关键词：EDA技术；FPGA；数字钟；VHDL语言；自顶向下
Abstract Accompanied by the development of integrated circuit technology, electro nic design automation (EDA) technology is becoming an important means of digital circuit design. FPGA EDA technology development and expansion of a pplication fields and in-depth, the importance of EDA technology in the field of electronic information, communication, automatic control, computer, etc. hav e become increasingly prominent. This design gives a FPGA-based multifunctional digital clock using ED A as a development tool, VHDL language and graphical input hardware descri ption language, the QuartusII as a platform for running the program, written procedures debugging and running, the waveform simulation downloaded to th e FPGA chip to achieve the design goals. The main system chip CycloneII series EP2C35F672C8. Adopted a topdw n design ideas, the system is divided into five modules: frequency module, ti ming module, timer module, display module, the top-level module. With VHD L various functional modules, graphical input method to generate the top-level module. Last QuartusII under simulation, to verify the correctness of the digi tal clock design. The test results show that the design of a multifunctional digital clock, with seconds time display, 24-hour cycle timing; has a school, cleared, and th e whole point timekeeping functions. Key words: EDA technology; FPGA; VHDL language; top-down; digital cloc k
基于FPGA的数字时钟的设计课题: 基于FPGA的数字时钟的设计 学院: 电气信息工程学院 专业: 测量控制与仪器 班级 : 08测控(2)班 姓名 : 潘志东 学号 : 08314239 合作者姓名: 颜志林 2010 年12 月12 日
综述 近年来随着数字技术的迅速发展,各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉与掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法,除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题与故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外,还必须培养大学生工程设计与组织实验能力。 本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用与掌握,使学生在实验原理的指导下,初步具备基本电路的分析与设计能力,并掌握其应用方法;自行拟定实验步骤,检查与排除故障、分析与处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的就是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力,包括选择设计方案,进行电路设计、安装、调试等环节,运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟就是一种计时装置,它具有时、分、秒计时功能与显示时间功能;具有整点报时功能。 本次设计我查阅了大量的文献资料,学到了很多关于数字电路方面的知识,并且更加巩固与掌握了课堂上所学的课本知识,使自己对数字电子技术有了更进一步的认识与了解。
1、课题要求 1、1课程设计的性质与任务 本课程就是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际,分析与解决问题的能力。通过本课程设计,使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练,加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程,培养学生的动手能力与严谨的工作作风。 1、2课程设计的基本技术要求 1)根据课题要求,复习巩固数字电路有关专业基础知识; 2)掌握数字电路的设计方法,特别就是熟悉模块化的设计思想; 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用,特别就是原理图输入,波形仿真,能对仿真波形进行分析; 5) 具备EDA技术基础,能够熟练使用VHDL语言进行编程,掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理,学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真与测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来,调试电路的功能。 1、3课程设计的功能要求 基本功能:能进行正常的时、分、秒计时功能,分别由6个数码管显示24小时,60分钟,60秒钟的计数器显示。 附加功能:1)能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能; 2)能利用蜂鸣器做整点报时:当计时到达59’59’’时开始报时, 鸣叫时间1秒钟; 3)定时闹铃:本设计中设置的就是在七点时进行闹钟功能,鸣叫 过程中,能够进行中断闹铃工作。 本人工作:负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析
基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 专业班级姓名学号 一、实验目的 1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程； 2.熟悉一种EDA软件使用； 3.掌握Verilog设计方法； 4.掌握分模块分层次的设计方法； 5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计; 6.学会FPGA的仿真。 二、实验要求 ?功能要求： 利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能： 1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式； 2)计时时间范围00:00:00－23:59:59 3)可实现校正时间功能； 4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00 扩展功能： 5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。 6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接 7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接 8)手动输入校时； 9)手动输入定时闹钟； 10)万年历； 11)其他扩展功能； ?设计步骤与要求： 1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。 2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系 统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。 3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快 得出仿真结果）。 4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。 5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。
南昌大学实验报告 学生姓名：邓儒超学号：6100210045 专业班级：卓越通信101 实验类型：□验证□综合□√设计□创新实验日期：2012.10.28 实验成绩： 实验三数字钟设计 一、实验目的 （1）掌握数字钟的设计 二、实验内容与要求 （1）设计一个数字钟，要求具有调时功能和24/12进制转换功能 （2）进行波形仿真，并分析仿真波形图； （3）下载测试是否正确； 三、设计思路/原理图 本次数字钟的设计采用了自顶向下分模块的设计。底层是实现各功能的模块，各模块由vhdl语言编程实现：顶层采用原理图形式调用。其中底层模块包括秒、分、时三个计数器模块、按键去抖动模块、按键控制模块、时钟分频模块、数码管显示模块，其中，时计数器模块又包括24进制计数模块、12进制计数模块、24/12进制转换模块。设计框图如下： 由图可以清晰的看到数字钟系统设计中各功能模块间连接关系。系统时钟1KHZ经过分频后产生1秒的时钟信号，1秒的时钟信号作为秒计数模块的输入信号，秒计数模块产生的进位信号作为分计数模块的输入信号，分计数模块的进位信号作为时计数模块的输入信号。秒计数模块、分计数模块、时计数模块的计数输出分别送到显示模块。由于设计中要使用按键进行调节时间，而按键的动作过程中存在产生得脉冲的不稳定问题，所以就牵扯到按键去抖动的问题，对此系统中设置了按键去抖动模块，按键去抖动模块产生稳定的脉冲信号送入按键控制模块，按键控制模块根据按键的动作对秒、分、时进行调节。 原理图如下：
四、实验程序（程序来源：参考实验室里的和百度文库的稍加改动，还有自己写的） 1、分频模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY fenpin IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC; CLK1:OUT STD_LOGIC); END fenpin; ARCHITECTURE behav OF fenpin IS SIGNAL X,CNT:STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0); BEGIN P1:PROCESS(CLK) BEGIN X<="001111101000";--1000分频 IF CLK'EVENT AND CLK = '1' THEN CNT<=CNT+1; IF CNT=X-1 THEN CLK1<='1';CNT<="000000000000"; ELSE CLK1<='0'; END IF; END IF; END PROCESS; END behav; 2、60进制计数器（秒、分计数器）模块 LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY count60 IS PORT(EN,RST,CLK1: IN STD_LOGIC; Q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); COUT: OUT STD_LOGIC); END count60;
f p g a数字钟课程设计报告 Prepared on 24 November 2020
课程设计报告 设计题目：基于FPGA的数字钟设计 班级：电子信息工程1301 姓名：王一丁 指导教师：李世平 设计时间：2016年1月 摘要 EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。 关键词：EDA VHDL语言数字钟 目录 摘要 1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求
设计任务 设计要求 3 VHDL程序设计 方案论证 系统结构框图 设计思路与方法 状态控制模块 时分秒模块 年月日模块 显示模块 扬声器与闹钟模块 RTL整体电路 4 系统仿真与分析 5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献 1 课程设计目的 (1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。 (3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。
基于FPGA的多功能数字钟的设计 摘要数字钟是采用数字电路实现对时、分、秒数字显示的计时装置,是人们日常生活中不可少的必需品。本文介绍了应用FPGA芯片设计多功能数字钟的一种方案，并讨讨论了有关使用FPGA芯片和VHDL语言实现数字钟设计的技术问题。关键词数字钟、分频器、译码器、计数器、校时电路、报时电路。 Design of Abstract Keywords
目录 0.引言 (4) 1.设计要求说明 (4) 1.1设计要求 (4) 1.2完成情况说明 (4) 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 (4) 2.1计时电路 (5) 2.2异步清零电路 (5) 2.3校时、校分功能电路 (5) 2.4报时电路 (6) 2.5分频电路 (7) 2.6闹钟及音乐闹铃电路 (9) 2.7秒表计时电路 (15) 2.8译码显示电路 (15) 2.9逻辑总图 (16) 3.设计感想 (17) 参考文献 (17)
0．引言 数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用,使得数字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大地扩展了钟表原先的报时功能。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。 1.设计要求说明 1.1设计要求 1）设计一个具有校时、校分、清零，保持和整点报时功能的数字钟。 2）多数字钟采用层次化的方法进行设计，要求设计层次清晰、合理；构成整个设计的功能模块既可采用原理图方法实现，也可采用文本输入法实 现。 3）数字钟的具体设计要求具有如下功能： ①数字钟的最大计时显示23小时59分59秒； ②在数字钟正常工作时可以进行快速校时和校分，即拨动开关K1可对小 时进行校正，拨动开关K2可对分钟进行校正； ③在数字钟正常工作情况下，可以对其进行不断电复位，即拨动开关K3 可以使时、分、秒回零； ④整点报时是要求数字钟在每小时整点来到前进行鸣叫，鸣叫频率是在 59分53秒、55秒、57秒时为500Hz，59分59秒时为1KHz； ⑤哟啊去所有开关具有去抖动功能。 4）对设计电路进行功能仿真。 5）将仿真通过的逻辑电路下载到EDA实验系统，对其进行验证。 1.2完成情况说明： 对于实验要求的基本功能我们设计的电路都能准确实现。另外，我们还附加了显示星期、秒表、闹钟时间来时播放音乐等功能。 2.多功能数字钟的基本原理及其在FPGA中的设计与实现 通过分析多功能数字钟的设计要求和所要实现的功能，应用层次化方法设计出数字钟应由计时模块、分频脉冲模块、译码显示模块、校时校分和清零模块、报时模块等几个模块组成，其原理框图如下图1所示：
xxxx大学 电子设计自动化技术与应用 设计报告 设计题目：基于FPGA的数字时钟 学院：通信学院 姓名： 学号：
目录 一、设计任务 (3) 二、总体设计方案 (3) 1、设计思想 (3) 2、总体设计框图 (3) 三、单元电路设计 (4) 1、秒计数器模块设计与实现 (4) 2、分计数器模块设计与实现 (5) 3、时计数器模块设计与实现 (6) 4、2选1选择器模块设计与实现 (7) 5、译码器模块的设计与实现 (8) 6、3-8线译码器模块设计与实现 (9) 7、分频器的设计与实现 (9) 8、顶层原理设计图 (10) 四、硬件测试与结果分析 (11) 1、硬件测试： (11) 2、测试过程及结果分析 (12) 五、收获与体会 (12)
一、设计任务 1、能进行正常的时、分、秒计时功能，由LED数码管显示时间，最大计时 为23：59：59。 2、小时显示采用24进制，分显示和秒显示都采用60进制。 3、具有调时和调分功能。 二、总体设计方案 1、设计思想 本设计是基于Altera公司的Cyclone III 系列的EP3C16Q240C8芯片设计的，采用层次化设计方式，先设计数字时钟的底层器件：秒计数器、分计数器、时计数器、2选1选择器、译码器、分频器。顶层采用原理图设计方式，将所设计的底层器件连接起来构成一个具有计时和调时功能的数字时钟。 2、总体设计框图 完整的数字时钟设计硬件框图如图所示。
三、单元电路设计 1、秒计数器模块设计与实现 1.1秒计数器流程图如下： 1.2秒计数器生成模块如图1所示: 图1 其中，clk 是时钟信号，daout 是60计数输出，enmin 是向分进位的高电平。 1.3 波形仿真图
基于FPGA开发板的数字钟设计初探 摘要：本文介绍了基于FPGA开发板的数字钟设计的基本构想，所提供的功能，基本的模块和控制逻 辑。 关键词: 模块，数字钟 1引言 VHDL结合FPGA可以方便地，可重复利用地实现各种设计，本文主要从原理上规划出设计一个数字钟需要的模块和功能逻辑，以便后期使用VHDL和FPGA实现。 2 设计原理 本文打算实现的数字钟向用户提供的功能包括：秒、分、时、日、月显示，闹钟设定，时间校准。鉴于所提供的功能，电路应当包括以下五大模块：控制模块，分频模块，闹钟模块，计时模块和显示模块。控制模块包括了输入部分，用户通过外部按钮选择数字钟工作模式和输入基准时间，闹钟时刻；分频模块主要是给需要的模块提供特定频率的时钟信号；闹钟模块的主要作用是接收并存储用户输入的闹钟时刻，比较当前时刻是否是用户所设定的闹钟时刻，进而决定是否启动闹钟提醒装置（蜂鸣器）；计时模块包括了秒、分、时、日，月计数模块，并提供给显示模块显示输出；显示模块包括数码管及驱动部分，蜂鸣器。 3 电路设计 控制模块主要是一个译码电路，控制系统所处的模式：正常计时显示，时间校准，设定闹钟。 计时模块通过六十进制、二十四进制、三十或三十一进制和十二进制的计数器实现计时。计时模式下利用分频器提供的基准时钟信号实现计时；时间校准模式下，用户输入按钮的脉冲作时钟信号。 分频模块是一个分频器，将系统提供的时钟分频到需要的频率。 闹钟模块在计时模式下利用比较电路检测当前时间，如果是闹钟时刻，则启动蜂鸣器；闹钟模式下，用户通过输入按钮脉冲设定闹钟，闹钟模块记录并存储。 显示模块在计时模式和时间校准模式下由计时模块控制显示，设定闹钟时由闹钟模块控制显示，方便用户设定闹钟，蜂鸣器由闹钟模块控制。
基于FPGA 的数字时钟的设计 课 题： 基于FPGA 的数字时钟的设计 学 院： 电气信息工程学院 专 业 ： 测量控制与仪器 班 级 ： 08测控（2）班 姓 名 ： 潘 志 东 学 号 ： 08314239 合作者姓名： 颜志林 2010 年 12 月 12 日
综述 近年来随着数字技术的迅速发展，各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉和掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法，除通过实验教学培养数字电路的基本实验方法、分析问题和故障检查方法以及双踪示波器等常用仪器使用方法等基本电路的基本实验技能外，还必须培养大学生工程设计和组织实验能力。 本次课程设计的目的在于培养学生对基本电路的应用和掌握，使学生在实验原理的指导下，初步具备基本电路的分析和设计能力，并掌握其应用方法；自行拟定实验步骤，检查和排除故障、分析和处理实验结果及撰写实验报告的能力。综合实验的设计目的是培养学生初步掌握小型数字系统的设计能力，包括选择设计方案，进行电路设计、安装、调试等环节，运用所学知识进行工程设计、提高实验技能的实践。数字电子钟是一种计时装置，它具有时、分、秒计时功能和显示时间功能；具有整点报时功能。 本次设计我查阅了大量的文献资料，学到了很多关于数字电路方面的知识，并且更加巩固和掌握了课堂上所学的课本知识，使自己对数字电子技术有了更进一步的认识和了解。
1、课题要求 1.1课程设计的性质与任务 本课程是电子与信息类专业的专业的专业基础必修课——“数字电路”的配套实验课程。目的在于培养学生的理论联系实际，分析和解决问题的能力。通过本课程设计，使学生在理论设计、计算机仿真、指标调测、故障排除等方面得到进一步的训练，加强学生的实践能力。学生通过设计、仿真、调试、撰写设计报告等过程，培养学生的动手能力和严谨的工作作风。 1.2课程设计的基本技术要求 1）根据课题要求，复习巩固数字电路有关专业基础知识； 2）掌握数字电路的设计方法，特别是熟悉模块化的设计思想； 3) 掌握QUARTUS-2软件的使用方法; 4) 熟练掌握EDA工具的使用，特别是原理图输入，波形仿真，能对仿真波形进行分析； 5) 具备EDA技术基础，能够熟练使用VHDL语言进行编程，掌握层次化设计方法; 6) 掌握多功能数字钟的工作原理，学会不同进制计数器及时钟控制电路的设计方法; 7) 能根据设计要求对设计电路进行仿真和测试; 8) 掌握将所设计软件下载到FPGA芯片的下载步骤等等。 9) 将硬件与软件连接起来，调试电路的功能。 1.3课程设计的功能要求 基本功能：能进行正常的时、分、秒计时功能，分别由6个数码管显示24小时，60分钟，60秒钟的计数器显示。 附加功能：1）能利用硬件部分按键实现“校时”“校分”“清零”功能； 2）能利用蜂鸣器做整点报时：当计时到达59’59’’时开始报时，鸣叫时间1秒钟； 3）定时闹铃：本设计中设置的是在七点时进行闹钟功能，鸣叫过程中，能够进行中断闹铃工作。 本人工作：负责软件的编程与波形的仿真分析。 2、方案设计与分析
多功能数字钟 开课学期：2014—2015 学年第二学期课程名称：FPGA课程设计 学院：信息科学与工程学院 专业：集成电路设计与集成系统班级： 学号： 姓名： 任课教师： 2015 年7 月21 日
说明 一、论文书写要求与说明 1.严格按照模板进行书写。自己可以自行修改标题的题目 2.关于字体： a)题目：三号黑体加粗。 b)正文：小四号宋体，行距为1.25倍。 3.严禁抄袭和雷同，一经发现，成绩即判定为不及格！！！ 二、设计提交说明 1.设计需要提交“电子稿”和“打印稿”； 2.“打印稿”包括封面、说明（即本页内容）、设计内容三部分；订书机左边装订。 3.“电子稿”上交：文件名为“FPGA课程设计报告-班级-学号-姓名.doc”,所有报告发送给班长，由班长统一打包后统一发送到付小倩老师。 4.“打印稿”由班长收齐后交到：12教305办公室； 5.上交截止日期：2015年7月31日17:00之前。
第一章绪论 (3) 关键词：FPGA，数字钟 (3) 第二章FPGA的相关介绍 (4) 2.1 FPGA概述 (4) 2.2 FPGA特点 (4) 2.3 FPGA设计注意 (5) 第三章Quartus II与Verilog HDL相关介绍 (7) 3.1 Quartus II (7) 3.2 Verilog HDL (7) 第四章设计方案 (8) 4.1数字钟的工作原理 (8) 4.2 按键消抖 (8) 4.3时钟复位 (8) 4.4时钟校时 (8) 4.5数码管显示模块。 (8) 第五章方案实现与验证 (9) 5.1产生秒脉冲 (9) 5.2秒个位进位 (9) 5.3按键消抖 (9) 5.4复位按键设置 (10) 5.5 数码管显示。 (10) 5.6 RTL结构总图 (11) 第六章实验总结 (14) 第七章Verilog HDL源代码附录 (15)
基于FPGA的Verilog-HDL数字钟设计--
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基于FPGA的Verilog HDL数字钟设计 专业班级姓名学号 一、实验目的 1.掌握可编程逻辑器件的应用开发技术——设计输入、编译、仿真和器件编程； 2.熟悉一种EDA软件使用； 3.掌握Verilog设计方法； 4.掌握分模块分层次的设计方法； 5.用Verilog完成一个多功能数字钟设计; 6.学会FPGA的仿真。 二、实验要求 功能要求： 利用实验板设计实现一个能显示时分秒的多功能电子钟，基本功能： 1)准确计时，以数字形式显示时、分、秒，可通过按键选择当前显示时间范围模式； 2)计时时间范围00:00:00－23:59:59 3)可实现校正时间功能； 4)可通过实现时钟复位功能：00:00:00 扩展功能： 5)定时报：时间自定(不要求改变)，闹1分钟(1kHz)---利用板上LED或外接电路实现。 6)仿广播电台正点报时：XX:59:[51,53,55,57(500Hz);59(1kHz)] ---用板上LED或外接 7)报整点时数：XX:00:[00.5-XX.5](1kHz)，自动、手动---用板上LED或外接
8)手动输入校时； 9)手动输入定时闹钟； 10)万年历； 11)其他扩展功能； 设计步骤与要求： 1)计算并说明采用Basys2实验板时钟50MHz实现系统功能的基本原理。 2)在Xilinx ISE13.1 软件中，利用层次化方法，设计实现模一百计数及显示的电路系 统，设计模块间的连接调用关系，编写并输入所设计的源程序文件。 3)对源程序进行编译及仿真分析（注意合理设置，以便能够在验证逻辑的基础上尽快 得出仿真结果）。 4)输入管脚约束文件，对设计项目进行编译与逻辑综合，生成下载所需.bit文件。 5)在Basys2实验板上下载所生成的.bit文件，观察验证所设计的电路功能。 三、实验设计 功能说明：实现时钟，时间校时，闹铃定时，秒表计时等功能 1.时钟功能：完成分钟/小时的正确计数并显示；秒的显示用LED灯的闪烁做指示； 时钟利用4位数码管显示时分； 2.闹钟定时：实现定时提醒及定时报时，利用LED灯代替扬声器发出报时声音； 3.时钟校时：当认为时钟不准确时，可以分别对分钟和小时位的值进行调整； 4.秒表功能：利用4个数码管完成秒表显示：可以实现清零、暂停并记录时间等功能。 秒表利用4位数码管计数； 方案说明：本次设计由时钟模块和译码模块组成。时钟模块中50MHz的系统时钟clk分频产
摘要 本设计为一个可调数字钟，具有时、分、秒计数功能，以24小时循环计数。本设计采用FPGA技术，以硬件描述语言VreilogHDL为系统逻辑描述手段设计文件，在QUARTUS2工具软件环境下，采用自顶向下的设计方法，由各个模块共同构建一个基于CPLD的数字钟。系统芯片采用6块74160实现了60进制（分、秒）、24进制（小时）的编译，由时钟模块、控制模块、计时模块、数据译码模块、显示模块组成。最终经过编译和仿真所涉及的程序，在可编程逻辑器件上下载验证，本系统能够完成时、分、秒的分别显示，可以在程序中直接改变初始值。 关键词：数字钟硬件描述语言VerilogHDL FPGA
1.实验目的 本实验主要内容涉及数字逻辑电路的设计、数字电路仿真软件Quartus Ⅱ以及VHDL 设计语言的学习与应用。实验目的在于让实验者掌握数字逻辑电路的设计方法和过程，并且能够熟练准确地设计出具有特定功能的较复杂数字逻辑电路，此外，实验者还应熟练掌握Quartus Ⅱ软件的设计、仿真以及编译下载的使用方法。 2 .课程要求 用Verilog 硬件描述语言设计数字钟，实现： 1.具有时、分、秒计数显示功能，以二十四小时循环计时。 2.具有调节小时、分钟功能。 3.具有整点报时功能。 3.系统设计总体方案 秒模块 时模块
4.各模块电路具体实现 4.1 时钟分频模块 module div_clk(clk_50MHz,clk_1Hz,clk_1KHz,clk_500Hz); input clk_50MHz; output clk_1Hz,clk_500Hz,clk_1KHz; reg clk_1Hz,clk_500Hz,clk_1KHz; reg [24:0] cnt1; reg [24:0] cnt2; reg [24:0] cnt3; always @(posedge clk_50MHz) begin if(cnt1 == 24999999) begin cnt1<=0; clk_1Hz=~clk_1Hz; end else cnt1<=cnt1+1'b1; end always @(posedge clk_50MHz) begin if(cnt2 == 24999) begin cnt2<=0; clk_1KHz=~clk_1KHz; end else cnt2<=cnt2+1'b1; end always @(posedge clk_50MHz) begin if(cnt3 == 49999) begin cnt3<=0; clk_500Hz=~clk_500Hz; end else cnt3<=cnt3+1'b1; end endmodule
数字钟的设计 学生姓名：XXX 学生学号：20XX 院（系）：电气信息工程学院 年级专业：20XX级电子信息工程班小组：XXXX 指导教师：XXXX 二零XX年X月XX日
摘要 本设计为一个多功能的数字钟，具有时、分、秒计数显示功能，以24小时循环计数；具有校对功能。 本设计采用EDA技术，以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段设计文件，在QUARTUSII工具软件环境下，采用自顶向下的设计方法，由各个基本模块共同构建了一个基于FPGA的数字钟。 系统由时钟模块、控制模块、计时模块、数据译码模块、显示以及组成。经编译和仿真所设计的程序，在可编程逻辑器件上下载验证，本系统能够完成时、分、秒的分别显示，由按键输入进行数字钟的清零、启停功能。 关键词数字钟,硬件描述语言,VHDL,FPGA
Abstract The design for a multi-functional digital clock, with hours, minutes and seconds count display to a 24-hour cycle count; have proof functions function. The use of EDA design technology, hardware-description language VHDL description logic means for the system design documents, in QUAETUSII tools environment, a top-down design, by the various modules together build a FPGA-based digital clock. The main system make up of the clock module, control module, time module, data decoding module, display and broadcast module. After compiling the design and simulation procedures, the programmable logic device to download verification, the system can complete the hours, minutes and seconds respectively, using keys to cleared , start and stop the digital clock. Keywords digital clock,hardware description language,VHDL,FPGA
课程设计报告 设计题目：基于FPGA的数字钟设计 班级：电子信息工程1301 学号：20133638 姓名：王一丁 指导教师：李世平 设计时间：2016年1月
摘要 EDA（Electronic Design Automation）电子设计自动化，是以大规模可编程器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，通过相关的软件，自动完成软件方式设计得电子系统到硬件系统，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。本次课程设计利用Quartus II 为设计软件，VHDL为硬件描述语言，结合所学知识设计一个多功能时钟，具有显示年、月、日、时、分、秒显示，计时，整点报时，设定时间等功能。利用硬件描述语言VHDL 对设计系统的各个子模块进行逻辑描述，采用模块化的思想完成顶层模块的设计，通过软件编译、逻辑化简、逻辑综合优化、逻辑仿真、最终完成本次课程设计的任务。 关键词：EDA VHDL语言数字钟
目录 摘要 1 课程设计目的 2 课程设计内容及要求 2.1 设计任务 2.2 设计要求 3 VHDL程序设计 3.1方案论证 3.2 系统结构框图 3.3设计思路与方法 3.3.1 状态控制模块 3.3.2 时分秒模块 3.3.3 年月日模块 3.3.4 显示模块 3.3.5脉冲产生模块 3.3.6 扬声器与闹钟模块 3.4 RTL整体电路 4 系统仿真与分析 5 课程设计总结，包括.收获、体会和建议 6 参考文献
1 课程设计目的 (1)通过设计数字钟熟练掌握EDA软件(QUARTUS II)的使用方法，熟练进行设计、编译，为以后实际工程问题打下设计基础。 (2)熟悉VHDL 硬件描述语言，提升分析、寻找和排除电子设计中常见故障的能力。 (3)通过课程设计，锻炼书写有理论根据的、实事求是的、文理通顺的课程设计报告。 2 课程设计内容及要求 2.1 设计任务 (1)6个数字显示器显示时分秒，setpin按键产生一个脉冲，显示切换为年月日。 (2)第二个脉冲可预置年份，第三个脉冲可以预置月份，依次第四、 五、六、七个脉冲到来时分别可以预置时期、时、分、秒，第八个脉冲到来后预置结束正常从左显示时分秒。 (3)up为高时，upclk有脉冲到达时，预置位加一，否则减一。 2.2 设计要求 (1)在基本功能的基础上，闹钟在整点进行报时，产生一定时长的高电平。 (2)实现闹钟功能,可对闹钟时间进行预置，当达到预置时间时进行报时。
四川理工学院毕业设计论文 基于FPGA的数字钟控制器设计 学生：史凯 学号：10021050117 专业：电子信息科学与技术 班级：2010.1 指导教师：徐金龙 四川理工学院自动化与电子信息学院 二O一四年六月
四川理工学院毕业设计论文 基于FPGA 的数字钟控制器设计 摘要：本设计采用EDA 技术，利用硬件描述语言VHDL 为系统逻辑描述手段设计电路，以Quartus II 软件为设计平台，进行基于FPGA 的数字时钟电路的方案设计、程序设计输入、编译和仿真。该时钟由分频模块、键盘输入模块、控制模 块、计时模块、译码显示模块、闹铃模块以及报时模块组成。在可编程逻辑器件FPGA 上实现电路设计，该时钟使用千分频产生1HZ 的时钟源，具有时、分、秒 计数显示功能，以24小时循环计时并且具有清零、调节小时、分钟、整点报时和 闹铃功能。本设计的电路简单，但功能齐全， FPGA 的设计改动非常方便，只用改变程序设计出相应的内部模块就可以实现一些基本门电路的功能。根据需要可以增添日历、温度显示等功能，所以本设计具有很强的升级前景。 关键词：数字时钟；EDA ；VHDL ； FPGA ；可编程逻辑器件 学 生：史凯 学 号：10021050117 专 业：电子信息科学与技术 班 级：电科2010.1 指导教师：徐金龙 四川理工学院自动化与电子信息学院 二O 一四年三月 Design of digital clock controller based on FPGA
史凯：基于FPGA的数字钟控制器设计 SHI Kai (Sichuan University of Science and Engineering, Zigong, China, 643000) Abstract: This design uses EDA technology, using hardware description language VHDL description of the means for the system logic design file to Quartus II design software platform for FPGA-based design digital clock circuits, program design entry, compilation and simulation operation, the clock by the control module, the timing module, data decoding module, display and timekeeping module on FPGA programmable logic device testing system to achieve the functional design requirements, the design of a multi-functional digital clock, using thousands divider 1HZ clock source, with hours, minutes, seconds count display features a 24-hour cycle time and has cleared, adjust the hours, minutes, hourly chime and alarm function. The design of the circuit is simple, but fully functional, FPGA design changes is very convenient, just by changing the appropriate internal procedures designed to achieve functional modules can be some basic gates. According to need can add a calendar, temperature display and other functions, so the design has a strong outlook upgrade. Keywords: Digital clock; EDA; VHDL; FPGA; programmable logic device
因为本人也是刚学习fpga的菜鸟，所以这个程序漏洞很多，仅供参考。。。。。。。。。 //分频子模块 module fenpin (clk,rst_n,en_1s,en_1ms); //产生1s，1ms的分频 input clk; input rst_n; output en_1s; output en_1ms; reg[31:0] jishu_1s; reg[15:0] jishu_1ms; parameter cnt_1s =49999999; parameter cnt_1ms =49999; always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) jishu_1s<=32'b0; else if(jishu_1s //按键控制部分 module anjian(clk,rst_n,key1,key2,key1_low,key2_low); input clk; input rst_n; input key1; // 分加 input key2; // 分减 output key1_low; //按键按下消抖后的标志位 output key2_low; reg reg0_key; //key1消抖 reg reg1_key; reg reg2_key; //key2消抖 reg reg3_key; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin reg0_key <= 1'b1; reg1_key <= 1'b1; end else begin reg0_key <= key1; reg1_key <= reg0_key; //根据非阻塞赋值的原理，reg1_key 存储的值是reg0_key 上一个时钟的值 end end //脉冲边沿检测法,当寄存器key1 由1 变为0 时，key1_an 的值变为高，维持一个时钟周期 wire key1_an; assign key1_an = reg1_key & ( ~reg0_key); always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin reg2_key <= 1'b1; reg3_key <= 1'b1; end else begin reg2_key <= key2;
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