17 ABCD数码管显示与动态扫描原理

1. 驱动八位数码管循环点亮

1.1 数码管结构图

数码管有两种结构，共阴极和共阳极，ACX720板上的是共阳极数码管，低电平点亮。

1.2 三位数码管等效电路图

为了节约I/O接口，各个数码管的各段发光管被连在一起，通过sel端口选择要发光的数码管。

1.3 单个数码管发光的LUT（look up table）

2.  数码管显示与动态扫描逻辑建模

3. 数码管显示与动态扫描的Verilog实现

3.1 不完善的设计代码版本

1. 设计代码

该设计代码有两个地方需要修改

1. 分频时钟的使用不合理，在fpga设计中，一定要避免使用计数器（寄存器）分频得到的信号来作为时钟再去驱动其他的寄存器；推荐使用使能时钟，不要使用门控时钟。
2. 在fpga设计中，推荐多使用时序逻辑而非组合逻辑。对于case语句，我们要将其放在always语句块中，在每个时钟沿下发生数据的变换。

module hex8(clk,rstn,disp_data,sel,led
);parameter times = 25000; // 0.5msinput clk;input rstn;input [31:0]disp_data;output reg [7:0] sel;output reg [7:0] led;reg [15:0]div_cnt;always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)div_cnt <= 0;else if(div_cnt >= times - 1)div_cnt <= 0;elsediv_cnt <= div_cnt + 1'd1;//分频时钟//用一个寄存器来模拟一个时钟去驱动其他寄存器会存在许多问题reg clk_lk;always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)clk_lk <= 0;else if(div_cnt == times - 1)clk_lk <= ~clk_lk;//cnt累加器reg [2:0] num_cnt;    always@(posedge clk_lk or negedge rstn)if(!rstn)num_cnt <= 0;elsenum_cnt <= num_cnt + 1'd1;//三八译码器    always@(posedge clk_lk or negedge rstn)if(!rstn)sel <= 0;else case(num_cnt)0:sel = 8'b0000_0001;1:sel = 8'b0000_0010;2:sel = 8'b0000_0100;3:sel = 8'b0000_1000;4:sel = 8'b0001_0000;5:sel = 8'b0010_0000;6:sel = 8'b0100_0000;7:sel = 8'b1000_0000;endcase//八选一多路器reg [3:0]disp_tmp;always@(*)case(num_cnt)0:disp_tmp = disp_data[3:0];1:disp_tmp = disp_data[7:4];2:disp_tmp = disp_data[11:8];3:disp_tmp = disp_data[15:12];4:disp_tmp = disp_data[19:16];5:disp_tmp = disp_data[23:20];6:disp_tmp = disp_data[27:24];7:disp_tmp = disp_data[31:28];endcase//四十六译码器 always@(*)case(disp_tmp)0:led = 8'hc0;1:led = 8'hf9;2:led = 8'ha4;3:led = 8'hb0;4:led = 8'h99;5:led = 8'h92;6:led = 8'h82;7:led = 8'hf8;8:led = 8'h80;9:led = 8'h90;4'ha:led = 8'h88;4'hb:led = 8'h83;4'hc:led = 8'hc6;4'hd:led = 8'ha1;4'he:led = 8'h86;4'hf:led = 8'h8e;  default:led = 8'hc0;endcaseendmodule

2. 仿真波形

3.1 修改分频时钟和case语句后的设计代码

1. 设计代码

module hex8_2(clk,rstn,disp_data,sel,led
);parameter times = 50000; // 1msinput clk;input rstn;input [31:0]disp_data;output reg [7:0] sel;output reg [7:0] led;reg [15:0]div_cnt;always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)div_cnt <= 0;else if(div_cnt >= times - 1)div_cnt <= 0;elsediv_cnt <= div_cnt + 1'd1;//使能时钟  reg clk_lk;always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)clk_lk <= 0;else if(div_cnt == times - 1)clk_lk <= 1'd1;elseclk_lk <= 0;//cnt累加器reg [2:0] num_cnt;    always@(posedge clk_lk or negedge rstn)if(!rstn)num_cnt <= 0;else if(clk_lk == 1)num_cnt <= num_cnt + 1'd1;//三八译码器    always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)sel <= 0;else case(num_cnt)0:sel = 8'b0000_0001;1:sel = 8'b0000_0010;2:sel = 8'b0000_0100;3:sel = 8'b0000_1000;4:sel = 8'b0001_0000;5:sel = 8'b0010_0000;6:sel = 8'b0100_0000;7:sel = 8'b1000_0000;endcase//八选一多路器reg [3:0]disp_tmp;always@(posedge clk)case(num_cnt)0:disp_tmp = disp_data[3:0];1:disp_tmp = disp_data[7:4];2:disp_tmp = disp_data[11:8];3:disp_tmp = disp_data[15:12];4:disp_tmp = disp_data[19:16];5:disp_tmp = disp_data[23:20];6:disp_tmp = disp_data[27:24];7:disp_tmp = disp_data[31:28];endcase//四十六译码器 always@(posedge clk)case(disp_tmp)0:led = 8'hc0;1:led = 8'hf9;2:led = 8'ha4;3:led = 8'hb0;4:led = 8'h99;5:led = 8'h92;6:led = 8'h82;7:led = 8'hf8;8:led = 8'h80;9:led = 8'h90;4'ha:led = 8'h88;4'hb:led = 8'h83;4'hc:led = 8'hc6;4'hd:led = 8'ha1;4'he:led = 8'h86;4'hf:led = 8'h8e;  default:led = 8'hc0;endcaseendmodule

2.仿真代码

module hex8_2(clk,rstn,disp_data,sel,led
);parameter times = 50000; // 1msinput clk;input rstn;input [31:0]disp_data;output reg [7:0] sel;output reg [7:0] led;reg [15:0]div_cnt;always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)div_cnt <= 0;else if(div_cnt >= times - 1)div_cnt <= 0;elsediv_cnt <= div_cnt + 1'd1;//使能时钟  reg clk_lk;always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)clk_lk <= 0;else if(div_cnt == times - 1)clk_lk <= 1'd1;elseclk_lk <= 0;//cnt累加器reg [2:0] num_cnt;    always@(posedge clk_lk or negedge rstn)if(!rstn)num_cnt <= 0;else if(clk_lk == 1)num_cnt <= num_cnt + 1'd1;//三八译码器    always@(posedge clk or negedge rstn)if(!rstn)sel <= 0;else case(num_cnt)0:sel = 8'b0000_0001;1:sel = 8'b0000_0010;2:sel = 8'b0000_0100;3:sel = 8'b0000_1000;4:sel = 8'b0001_0000;5:sel = 8'b0010_0000;6:sel = 8'b0100_0000;7:sel = 8'b1000_0000;endcase//八选一多路器reg [3:0]disp_tmp;always@(posedge clk)case(num_cnt)0:disp_tmp = disp_data[3:0];1:disp_tmp = disp_data[7:4];2:disp_tmp = disp_data[11:8];3:disp_tmp = disp_data[15:12];4:disp_tmp = disp_data[19:16];5:disp_tmp = disp_data[23:20];6:disp_tmp = disp_data[27:24];7:disp_tmp = disp_data[31:28];endcase//四十六译码器 always@(posedge clk)case(disp_tmp)0:led = 8'hc0;1:led = 8'hf9;2:led = 8'ha4;3:led = 8'hb0;4:led = 8'h99;5:led = 8'h92;6:led = 8'h82;7:led = 8'hf8;8:led = 8'h80;9:led = 8'h90;4'ha:led = 8'h88;4'hb:led = 8'h83;4'hc:led = 8'hc6;4'hd:led = 8'ha1;4'he:led = 8'h86;4'hf:led = 8'h8e;  default:led = 8'hc0;endcaseendmodule

3.仿真波形

 4. 使能时钟与门控时钟的原理和差异

1. 使能时钟和门控时钟

• 使用门控时钟时：将一个D触发器的输出作为其他D触发器的时钟输入，忽略ENA。

• 使用使能时钟时：D触发器的工作时钟仍为高质量的全局时钟，利用使能时钟使能D触发器。

2. 使用全局时钟的原因

• 全局时钟是一条“高速公路”，时钟信号到达各个寄存器的时间受连线距离影响比较小，而用寄存器产生的门控时钟，走的是内部连线，随着距离的延长，延迟增加明显，从而破环寄存器的建立保持时间。
• 使用寄存器传输时钟信号时，随着寄存器一级一级的传递，信号会出现波动，时钟信号的波形会越来越差（毛刺，波动等）
• 全局时钟有专门的晶体管来提高时钟的驱动能力，而寄存器产生的时钟会随着寄存器的传递，驱动能力越来越弱。