SWJTU 数电实验报告——数码管动态扫描显示电路设计

实验描述：

一、实验目的

1. 学习动态扫描显示数码管的使用。

2. 学习数据选择器及其信号分配方法。

3. 巩固 Verilog HDL 层次化设计电路的方法。

二、基本实验内容

多位数码管的显示电 路如果每一位都单独连接 到驱动（控制）器上，需要 非常多的引脚和布线通道， 实际使用中，为了降低成本、 方便 PCB 布局布线，常使用 动态显示数码管。 右图是 1 种 4 位共阴型 数码管的引脚图。

A,B,C,D,E,F,G,DP 是段选 （行）引脚，

SEG1,SEG2,SEG3,SEG4 是 位选（列）引脚。 对于共阴型数码管，段 信号是高电平有效，位选信 号是低电平有效。整个数码管共用同一组段信号（引脚）。实验室所用的数字电路实验箱上， 数码管的位选信号经过一个 NPN 型三极管放大驱动能力之后连接到数码管的位选引脚，信 号被三极管反相，因此，进行 FPGA 程序设计时位选信号应设计成高电平有效。数码管的 驱动信号时序图可参考下图。 段信号 Data1 Data2 Data3 Data4 Data1 … SEG1 SEG2 SEG3 SEG4 4 位动态扫描显示数码管驱动信号时序图

4 位动态扫描显示数码管的位选信号可看作是 4 相时钟，占空比 25%，位选信号为高电 平时将需要显示的数据送到数码管译码器上译码，再将译码输出送到数码管的段信号。 从上述时序图可以看出，在 SEG1 为高电平时，SEG1 位数码管被选中驱动，Data1 被 送到 7 段译码器中译码，此时数码管的 SEG1 位显示 Data1 的数值，其它几位数码管不亮； 在下一个时钟相位，SEG2 为高电平，SEG2 显示 Data2 的数据…在第四个时钟相位 SEG4

显示 Data4 之后，一个显示周期结束，电路将开始下一个显示周期。由于人眼的视觉暂留，

西南交通大学 电子技术实验室

当 SEG 位选信号切换得足够快（100Hz 以上），在人眼看来，数码管的所有位都同时点亮。 使用可编程芯片（FPGA/CPLD）控制多位动态扫描数码管显示时，一般需要使用计数 器、译码器等模块电路，电路原理可参考下图“4 位动态扫描数码管显示驱动电路框图”。

Data1,Data2,Data3,Data4 为 BCD 码数据，对应数码管上显示的千、百、十、个位显示的数 值。“位信号驱动电路”和“7 段数码管”是可编程芯片之外的单独电路元件，其余部分都 需要编程实现，为了获得频率 1000Hz 左右的扫描时钟，还需要设计一个前置分频器，将

50MHz 的系统时钟分频。

注意，因为位信号驱动电路和数码管的切换速度都不高，一般最高只能几 kHz，所以 扫描时钟频率并非越高越好，否则数码管的亮度可能会降低，甚至显示错误。

扫描时钟 Data4 Data3 Data2 Data1 4选1数据选择器 7段译码器

7段数码管 2-4线译码器 位信号驱动电路 模4计数器 约1000Hz

实验要求： 用 Verilog HDL 设计一个 3 位数码管动态扫描显示电路，在实验箱的数码管上固定显示 显示自己学号的后 3 位数（学号后 3 位全 0 则显示 321）。采用层次化设计方法，只能调用 1

个 7 段译码器。

三、提高性实验

1. 在基本实验内容的基础上，增加一个功能切换控制开关，切换功能后，数码管显示 的数字可以自动循环移位。

2. 其它显示功能。

四、预习要求

1. 简要写出电路设计思路。

2. 完成实验程序代码编写。

3. 用 ModelSim 对实验电路进行功能仿真，并将仿真结果截图。除了观察输出引脚上 的电平，还应该观察中间信号——数据选择器的输出 Y，确保所有信号都是正确的 再进行下一步实验。

4. 列出引脚锁定分配表（信号名->主板器件名->引脚号），实验箱上的数码管段信号 命名为小写字母，位信号命名是 SEG0~SEG7。

五、实验报告要求

1. 列出关键程序代码。

2. 附 Quartus 生成的 RTL 图（菜单 Tools -> Netlist Viewers –>RTL）。

3. 附仿真测试波形。

4. 列出实验过程出现的问题及解决措施。

5. 附源程序（截图）

思路：

1. 连接外部信号：连接包括时钟信号clk、复位信号rstn，以及从模块输出的七段数码管的段选信seg、选择信号sel、显示输出值tub和控制信号con。

2. 操作控制：根据需要，通过更改控制信号con的值来选择不同的数字进行显示。具体的操作如下：

   (1)初始状态下，con为0。

   (2)通过递增con的值，由高位到低位切换要显示的数字。每次递增con时，选择信号sel 和显示值tub会根据con的值更新。具体操作是：

     ①当con为0时，选择信号sel为3'b100（对应第一个数码管），显示值tub为4'd9。

     ②当con为1时，选择信号sel为3'b010（对应第二个数码管），显示值tub为4'd0。

     ③当con为2时，选择信号sel为3'b001（对应第三个数码管），显示值tub为4'd2。

     ④当con` 超过2时，控制信号con会被重置为0，并标志位flag会设置为1（flag的作用是复位的时候con从0开始而不是1开始），以开始下一个循环。

3. 七段数码管显示：模块会根据sel和tub的值选择要在数码管上显示的数字。具体的显示值已经在代码中定义，通过case语句进行匹配，将seg设置为相应的七段数码管段选信号，以显示正确的数字。

4. 复位功能：在系统初始化或复位时，确保复位信号rstn为低电平。这会将所有输出信号复位为零，以确保初始化状态。

5. 时钟信号生成：模块内部的计数器cnt会生成1kHz的时钟信号clk1k用于控制数码管的刷新。

代码：

上板子的代码：

module qwq(
	input clk,
	input rstn,
	output reg [6:0] seg, // 数码管
	output reg [7:0] sel, // 选择位数
	output reg [3:0] tub, // 输出的数
	output reg [1:0] con // 控制赋值哪位
);
	reg [31:0] cnt; // 16位寄存器，用于计数
	reg clk1k; // 时钟信号，1kHz的时钟
	reg flag;
	reg [3:0] k1 = 4'd9;
	reg [3:0] k2 = 4'd0;
	reg [3:0] k3 = 4'd2;
	always @ (posedge clk or negedge rstn) // 时钟上沿或下沿
	begin
		if (!rstn) // 如果复位信号为低电平
		begin
			cnt <= 0; // 计数器复位为0
			clk1k <= 0; // 1kHz时钟信号复位为低电平
		end 
		else if (cnt >= 24999999) // 如果计数达到24999（1kHz频率下1秒的计数值）
		begin
			clk1k <= !clk1k; // 切换1kHz时钟信号的状态
			cnt <= 0; // 计数器复位为0
		end
		else
			cnt <= cnt + 1; // 计数器递增
	end

	always @ (posedge clk1k or negedge rstn)
	begin
		if (!rstn) // 如果复位信号为低电平
		begin
			tub <= 0; // 七段数码管显示值复位为0
			con <= 0; // 控制信号复位为0
			sel <= 0; // 选择信号复位为0
			seg <= 0; // 段选信号复位为0
			flag <= 0;
		end
		else
		begin
			if (con < 2 && flag == 1)
				con = con + 1'd1; // 控制信号递增
			else
				begin
				
				con = 0; // 控制信号复位为0
				flag = 1'd1;
				end
			case(con) // 根据控制信号值进行不同的操作
			2'b00:begin sel = 8'b0000_0100;tub = k1;end
			2'b01:begin sel = 8'b0000_0010;tub = k2;end
			2'b10:begin sel = 8'b0000_0001;tub = k3;end
			endcase 
			//调用数码管
			
			case(tub) // 根据七段数码管显示值进行不同的操作
			4'd0: seg = 7'b1111110;
			4'd1: seg = 7'b0110000;
			4'd2: seg = 7'b1101101;
			4'd3: seg = 7'b1111001;
			4'd4: seg = 7'b0110011;
			4'd5: seg = 7'b1011011;
			4'd6: seg = 7'b1011111;
			4'd7: seg = 7'b1110000;
			4'd8: seg = 7'b1111111;
			4'd9: seg = 7'b1111011; 
			default: seg = 7'b0000001; // 将大于9的数显示为-负号
			endcase
		end
	end
endmodule 

modelsim代码：

`timescale 1ns/1ns // 定义时间单位，1ns为仿真时间单位，10ns为仿真时间精度
module emm();
	reg clk; // 时钟信号
	reg rstn; // 同步复位信号
	wire [6:0] seg; // 7位数码管的段选信号
	wire [7:0] sel; // 3位数码管的选择信号
	wire [3:0] tub; // 4位七段数码管显示的值
	wire [1:0] con; // 控制信号
	wire [11:0] number;
	initial
		begin
		clk = 1'b0; // 初始化时钟为低电平
		rstn = 1'b0; // 初始化同步复位信号为低电平
		#100 // 延时100个时间单位（1ns），持续100ns
		rstn = 1'b1; // 同步复位信号变为高电平
//		#10000 // 延时100000个时间单位（1ns），持续100ns
//		rstn = 1'b0; // 同步复位信号重新变为低电平
//		#10000 // 延时100000个时间单位（1ns），持续100ns
//		rstn = 1'b1; // 同步复位信号重新变为低电平
		end
	
	always #(1) clk = ~clk; // 时钟信号每1ns翻转一次，周期为2ns，频率为50MHz

	qwq dfun(
		.clk(clk),
		.rstn(rstn),
		.seg(seg),
		.sel(sel),
		.tub(tub),
		.con(con),
		.number(number)
	);
endmodule