鄧世華 沈祖斌

摘 要：文章詳盡介紹了一個基于電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）技術(shù)的高精度電子秒表的各模塊及相應(yīng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。作者采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，利用Quartus Prime軟件平臺對電子秒表電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包括對系統(tǒng)時(shí)鐘精確的分頻、動態(tài)刷新驅(qū)動五位七段數(shù)碼管顯示以及按鍵去抖，最后通過Quartus Prime軟件平臺編譯、仿真，并下載到EPM1270芯片上實(shí)現(xiàn)。在開發(fā)板上顯示“分”，“秒”，“1/100秒”，并可通過一個功能按鍵進(jìn)行計(jì)時(shí)、停止、清零。

關(guān)鍵詞：電子秒表；按鍵去抖；動態(tài)刷新；分頻電路

中圖分類號：TH714 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0092-02

Abstract： This paper introduces in detail the design and implementation of each module and corresponding circuit of a high precision electronic stopwatch based on electronic design automation（EDA） technology. The author uses the top-down design method and uses the Quartus Prime software platform to design the electronic stopwatch circuit. The design includes the accurate frequency division of the system clock， the dynamic refresh driving the five-digit seven-segment digital tube display and the key to shake. Finally， it is compiled， simulated and downloaded to the EPM1270 chip through the Quartus Prime software platform. Display "minutes"， "seconds"， "1/100 seconds" on the development board， and can be timed， stopped， and zeroed by a function button.

Keywords： electronic stopwatch； key to shake； dynamic refresh； frequency division circuit

1 概述

EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是指以計(jì)算機(jī)為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進(jìn)行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計(jì)。利用EDA工具，電子設(shè)計(jì)師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)，大量工作可以通過計(jì)算機(jī)完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、性能分析到設(shè)計(jì)出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計(jì)算機(jī)上自動處理完成?，F(xiàn)在對EDA的概念或范疇用得很寬。包括在機(jī)械、電子、通信、航空航天、化工、礦產(chǎn)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域，都有EDA的應(yīng)用。目前EDA技術(shù)已在各大公司、企事業(yè)單位和科研教學(xué)部門廣泛使用。本文在簡述電子秒表工作原理的基礎(chǔ)上，主要介紹基于EDA技術(shù)的高精度電子秒表的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

2 電子秒表功能要求及描述

電子秒表功能要求：電子秒表按0.01s的步長進(jìn)行高精度定時(shí)計(jì)數(shù)，所以提供給電路內(nèi)部定時(shí)的時(shí)鐘脈沖頻率（50MHz）有源晶振應(yīng)分頻到100Hz，具有顯示最長計(jì)時(shí)時(shí)間為9分59秒99的功能。因此需要一個五位的七段碼LED數(shù)碼管顯示器，由控制電路來控制秒表計(jì)數(shù)、停止、清零三種狀態(tài)，由一個按鈕完成所有狀態(tài)的控制，整個電路的結(jié)構(gòu)應(yīng)包括按鍵去抖電路、時(shí)鐘脈分頻電路、五位七段碼LED數(shù)碼管七段顯示電路以及計(jì)時(shí)電路和控制電路。

電子秒表的工作原理是：由系統(tǒng)提供的時(shí)鐘脈沖信號經(jīng)過分頻電路的分頻后，如圖1所示分別產(chǎn)生用于計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率（Ji Shi）、數(shù)碼管動態(tài)刷新驅(qū)動的刷新頻率（Shua Xin）和控制電路的去抖頻率（Qu Dou）。計(jì)時(shí)電路的輸出通過刷新電路的刷新頻率分時(shí)輸入到七段顯示譯碼器，經(jīng)過譯碼器譯碼后送到七段數(shù)碼管上顯示，數(shù)碼管在刷新電路的作用下分時(shí)選擇數(shù)碼管，使得在同一時(shí)刻計(jì)時(shí)電路對應(yīng)的輸出顯示到對應(yīng)的數(shù)碼管上，即動態(tài)刷新驅(qū)動的顯示方式，采用這種顯示驅(qū)動方式能有效節(jié)省I/O引腳的消耗。當(dāng)按鍵第一次按下時(shí)控制電路輸出允許計(jì)時(shí)信號，計(jì)時(shí)電路開始計(jì)時(shí)，第二次按下時(shí)控制電路輸出計(jì)時(shí)停止信號，計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)，第三次按下時(shí)控制電路輸出計(jì)時(shí)清零信號，計(jì)時(shí)電路開始計(jì)時(shí)清零。

3 各模塊的具體電路設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)要求電子秒表的總體電路圖如圖1所示。該圖包括分頻電路（fenpin）、計(jì)時(shí)電路（jishi）、譯碼顯示電路（yima）和控制電路（kongzhi）4個部分。計(jì)時(shí)電路完成9分59秒99功能，而控制電路具有直接控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)、停止、清零三種狀態(tài)的功能。

3.1 分頻模塊

由于計(jì)時(shí)電路時(shí)間需要精確到0.01s，要保證電子鐘的精確度，就需要利用實(shí)驗(yàn)板上的50MHz晶振源得到100Hz的時(shí)鐘脈沖。因此，用于計(jì)時(shí)模塊的分頻電路采用一個500000模的計(jì)數(shù)器，即每經(jīng)過50萬個時(shí)鐘脈沖，其輸出端輸出一個高電平（100Hz）。由于視覺暫留現(xiàn)象，要保證數(shù)碼管的顯示不閃爍，就需要得到1000Hz的時(shí)鐘脈沖，方法同上。

3.2 計(jì)時(shí)模塊

由1個BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成0.01s的單位計(jì)時(shí)器（計(jì)時(shí)器均為74LS161），由1個BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成0.1s的單位計(jì)時(shí)器，由1個BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成1s的單位計(jì)時(shí)器，由1個BCD碼六進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成10s的單位計(jì)時(shí)器，由1個BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成1min的單位計(jì)時(shí)器。計(jì)時(shí)電路工作時(shí)由分頻脈沖電路輸入頻率為100Hz的時(shí)鐘脈沖到0.01s的單位計(jì)時(shí)器中的CLK引腳，且ENP、ENT引腳輸入高電平計(jì)數(shù)使能。計(jì)時(shí)開始后0.01s計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到10時(shí)0.01s計(jì)時(shí)器清零，同時(shí)0.1s計(jì)時(shí)器加1，以此類推最終當(dāng)1min計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)到10min時(shí)所有計(jì)時(shí)器清零，由此完成0.00.00至9.59.99計(jì)時(shí)的電子秒表功能。

3.3 動態(tài)刷新驅(qū)動五位七段數(shù)碼管顯示模塊

動態(tài)刷新驅(qū)動七段數(shù)碼管顯示電路如圖2所示，由譯碼/驅(qū)動電路驅(qū)動5只共陽極七段數(shù)碼管。多路選擇器通過模5計(jì)數(shù)器來具體選擇點(diǎn)亮哪個數(shù)碼管并讀取那個數(shù)碼管對應(yīng)的計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管上。如模5計(jì)數(shù)為000時(shí)選中點(diǎn)亮0.01s位七段數(shù)碼管，顯示0.01s位七段字形，模5計(jì)數(shù)為001時(shí)選中點(diǎn)亮0.1s位七段數(shù)碼管，顯示0.1s位七段字形。以此類推完成五位七段數(shù)碼管的動態(tài)刷新。因?yàn)閿?shù)碼管是高電平選中點(diǎn)亮而74LS138輸出為低電平，所以在74LS138的每個輸出引腳后都要加一個非門電路來把74LS138輸出的低電平轉(zhuǎn)換為高電平以此來點(diǎn)亮數(shù)碼管。把10s和1min的單位計(jì)時(shí)器分別用4輸入引腳的或門電路連接各自的4個數(shù)據(jù)輸出引腳，再用一個或門電路連接這兩個4輸入引腳或門電路的輸出。10s數(shù)碼管的前導(dǎo)零滅零顯示方法：上述或門電路輸出與74LS138對應(yīng)的10s輸出引腳后面的非門電路用與門電路連接起來。1min的數(shù)碼管前導(dǎo)零滅零顯示方法：把1min單位計(jì)時(shí)器的4輸入引腳或門電路的輸出與74LS138對應(yīng)的1min輸出引腳后面的非門電路用與門電路連接起來。

3.4 功能按鍵模塊

由按鈕去抖電路和1個74LS161組成。由于物理按鍵本身在按下時(shí)會產(chǎn)生一個低電平和多個山峰狀的連續(xù)脈沖松開時(shí)會產(chǎn)生一個高電平。處理方法有：延時(shí)方法，多D觸發(fā)器方法。而電子秒表需要對按鍵立即響應(yīng)，因此，不能采用延時(shí)去抖的方法去除按鍵抖動，要采用雙D觸發(fā)器方法去除按鍵抖動。

由于所有的控制功能都要由一個按鍵完成，因此需要對單鍵功能進(jìn)行擴(kuò)展。實(shí)現(xiàn)方法為利用74LS161進(jìn)行計(jì)數(shù)循環(huán)，74LS161的每個計(jì)數(shù)值分別代表一個功能，具體的功能輸出需要根據(jù)不同的功能要求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)中單鍵共需要完成三個功能，分別為計(jì)時(shí)開始、計(jì)時(shí)停止和計(jì)時(shí)清零。具體設(shè)計(jì)如下：74LS161初始計(jì)數(shù)為0按鈕按下一次經(jīng)過去抖電路去抖后74LS161輸入一個脈沖，計(jì)數(shù)加1，當(dāng)74LS161計(jì)數(shù)到3時(shí)計(jì)數(shù)清零完成0--2的計(jì)數(shù)循環(huán)。當(dāng)計(jì)數(shù)為1時(shí)計(jì)時(shí)電路開始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)為2時(shí)計(jì)時(shí)電路停止計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)數(shù)為3時(shí)計(jì)時(shí)電路計(jì)時(shí)清零。計(jì)時(shí)開始：當(dāng)計(jì)數(shù)為1時(shí)74LS161數(shù)據(jù)引腳輸出為00000001，把其QA引腳用一個非門電路連接，用一個或非門電路連接該非門與QB連接起來其輸出接到0.01s、1s、10s和1min計(jì)時(shí)器的ENP、ENT引腳并輸出高電平；計(jì)時(shí)停止：當(dāng)計(jì)數(shù)為2時(shí)74LS161數(shù)據(jù)引腳輸出為00000010，因計(jì)數(shù)不為1所以或非門輸出低電平，0.01s計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)不使能，計(jì)時(shí)停止；計(jì)時(shí)清零：當(dāng)計(jì)數(shù)為3時(shí)74LS161數(shù)據(jù)引腳輸出為00000011，其QA和QB引腳分別用非門電路連接起來再用一個或門電路把這兩個非門電路連接起來，輸出和0.01s、1s、10s和1min計(jì)時(shí)器各自的清零電路用或門電路連接起來再把或門電路的輸出接到各自的CLRN引腳；控制循環(huán)：74LS161計(jì)數(shù)到3時(shí)數(shù)據(jù)引腳輸出為00000011，其QA和QB引腳分別用非門電路連接起來再用一個或門電路把這兩個非門電路連接起來輸出接到它本身的CLRN引腳（74LS161計(jì)數(shù)器清零端）。即當(dāng)74LS161計(jì)數(shù)到3時(shí)計(jì)數(shù)清零從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)0--2的循環(huán)也就是清零、計(jì)數(shù)和停止三種狀態(tài)的循環(huán)。由于按鈕按下一次就向74LS161輸入一個時(shí)鐘脈沖，而計(jì)數(shù)的循環(huán)需要在一個時(shí)鐘脈沖內(nèi)完成，所以74LS161不能采用計(jì)數(shù)置0的方法來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)清零，必須采用清零端清零的方法清零。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一個基于EDA技術(shù)的電子秒表電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，通過本項(xiàng)目，深化了筆者對時(shí)鐘分頻、按鍵消抖、計(jì)時(shí)控制及定時(shí)計(jì)數(shù)等知識點(diǎn)的理解，熟悉EDA的設(shè)計(jì)的方法，掌握了EDA技術(shù)的基本原理，了解EDA的設(shè)計(jì)的全過程。

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