FPGA数字钟设计与实现教程

"Lab2 FPGA数字钟设计实验_Q17_V2.docx" 本实验主要围绕FPGA技术，通过设计一个多功能数字钟来训练学生的实践能力。实验目标是构建一个能够准确显示24小时制时间、具备校正功能、整点报时功能以及闹钟功能的数字钟。实验中，学生将使用DE2开发板，利用其内置的50MHz晶振源CLOCK_50作为时钟信号，并通过共阳极数码管显示时间。 首先，数字钟的核心功能包括： 1. **准确计时**：设计的数字钟需能精确地显示时、分、秒，以24小时制计时。 2. **分、时校正**：提供1Hz的校正脉冲，允许用户校正时间。 3. **整点报时**：在59分51秒、53秒、55秒和57秒时播放500Hz低音，59分59秒时播放1kHz高音，以模拟广播电台的报时方式，声音持续1秒。 4. **闹钟功能**：允许用户设定闹钟时间，闹铃持续1分钟，输出500Hz和1kHz交替的方波信号，且持续1秒。设有停止闹铃的控制键。 5. **显示与控制**：使用DE2开发板上的数码管HEX7至HEX2显示时间，使用拨动开关或按键作为控制输入，外接扬声器播放报时和闹铃声音。 设计过程中，数字钟的电路结构通常包含以下几个部分： 1. **振荡器**：产生稳定的高频脉冲，作为时间基准。实验中可使用555定时器与RC电路产生1kHz振荡器，进一步分频得到1Hz秒脉冲。 2. **分频器**：将高频脉冲转换为标准秒脉冲。 3. **计数器**：采用BCD码计数，秒计数器、分计数器和小时计数器依次递进，形成时间的循环计数。 4. **译码显示**：计数器的输出经过译码器转化为数码管可以显示的信号。 5. **控制逻辑**：实现校正、报时和闹钟功能的逻辑控制。 在FPGA实现数字钟的优势在于其灵活性和可编程性，可以根据需求方便地修改和扩展功能。通过编写VHDL或Verilog代码，可以将上述逻辑功能集成到一个可配置的逻辑器件中，实现数字钟电路的硬件级设计。 在实际操作中，学生需要了解和掌握以下知识点： - FPGA的基本工作原理和VHDL/Verilog语言基础。 - 数字电路设计，包括计数器、分频器、译码器和多路选择器的实现。 - 时序逻辑设计，理解和运用同步和异步电路的概念。 - 数码管显示驱动电路的设计。 - 振荡器和分频器的电路设计与分析。 - 逻辑控制信号的生成与处理，如按键和拨动开关的读取。 - 软硬件协同设计，结合 Quartus II 或其他FPGA开发工具进行仿真和下载。 通过这个实验，学生不仅能学习到FPGA的基础知识，还能提升数字系统设计和动手实践的能力。