免毛刺时钟切换电路设计方法
免毛刺时钟切换电路设计方法
基于网上资料整理，并进一步作了分析。
这篇文章讲述了时钟切换的时候毛刺(glitch)带来的危害，以及如何设计防止毛刺发生的时钟切换电路。但是没有讲到电路设计的构思从何而来，大家看了之后知道直接用这个电路，但是假如不看这篇文章，自己从头设计还是无从下手。
在这里，我换另外一个角度，通过电路设计技巧来阐述防毛刺时钟切换电路的设计思路。希望看过之后，不用参考文章就能够自己设计出这个电路。
对于一个时钟切换电路，输入两个异步时钟clk0、clk1，以及一个选择信号sel。
(1) 假设不考虑glitch，直接使用Mux就可以完成切频。电路如下：
由于clk0/clk1/sel之间是异步关系，时钟切换会发生在任意时刻，有一定的概率会发生glitch. glitch的危害文章里已经详述，这里不再重复。Glitch可能导致无法满足setup或hold时序要求而导致寄存器输出为不定态。
(2) 由于sel和clk0和clk1都是不同步的，我们可以从sel同步的方向入手，假如sel需要和clk0和clk1进行同步，那么sel必须分成两路，一个和clk0同步，一个和clk1同步，同步之后的sel信号再和clk0/clk1 gating起来，就可以让问题简单化。为了将sel分成两路，并且clk0/clk1需要分别gating, 那么可以将mux逻辑用and/or设计出来，如下：
当然此Mux电路还可以用两个or加上一个and来实现，都可以。注意G0和G1两点就是分别对clk0和clk1进行gating. 将来会在G0/G1点插入同步DFF.
(3) 将上面电路拆开成两部分，一部分电路通过sel产生sel+和sel-两路，另一部分电路是gating mux电路, 如下：
只需要将sel-接上G0, sel+接上G1就是一个mux电路。将电路分开，是为了后续技巧性的功能替换。
(4) 将part0电路换成同样功能的带反馈的组合电路(为何要这样做，属于电路设计直觉和技巧。原因有2。其一，可以防抖。以part0_a为例，Sel从1到0的跳变，若仅为非常短的glitch，则可能sel+还来不及从1到0跳变，故sel-也保持为0，从而防止了输出因glitch 而抖动。其二，利用反馈，让时钟切换按照安全的顺序，即先关闭当前时钟，再打开目标时钟。而不管关闭还是使能，都必须保证当前时钟或目标时钟的使能信号的跳变都是分别在时
钟为低电平期间进行的，防止产生时钟glitch。详细分析参见下文。)。最常见带反馈的电路是RS触发器，因此可以将part0换成如下电路。
(5) 将part0_a或者part0_b替换part0电路，功能不变。如下：
不过，此时插入同步DFF的地方就多了一个选择，如果直接在G0, G1插入同步DFF, clk0和clk1的gating时间先后顺序不确定，还是有可能发生毛刺。而在s0和s1处插入同步DFF, 正好利用反馈，让时钟切换按照安全的顺序进行：
(1)先gating住之前选择的时钟
如下图，即通过在S1和S0插入两级DFF，保证：切换时钟时，如从clk1切换到clk0时，sel从1到0跳变，S1=0，经两级DFF同步（后一级其实可以选用clk gating latch）, G1才为0，并gating住之前选择的时钟clk1（即关停，hold住为0）。
(2)然后再放开将要选择的时钟
紧接上例，G1=0之后，S0才为1, 即保证clk已被关停。因clk1和clk0为异步时钟，经两级同步后，G0才置为1，即所谓的“放开将要选择的时钟”。
在(1)和(2)之间，输出时钟clk_out一直都是无效状态（对于2and + 1or的mux来说，无效状态就是0)。（2）结束后，即G0被置起后，才真正完成时钟的切换。
(6) 按照上面的分析，得到电路如下：
注意几点：
(1) 对s0插入的DFF需要用clk0作为时钟, 对于s1插入的DFF需要用clk1作为时钟。
(2) 后一级的DFF必须使用clock下降沿，因为是用AND门进行gating(如果用上升沿，则更容易出现毛刺)。如果换成2个OR+1个AND的MUX, 则必须用上升沿。
(3) 必须插入两级DFF防止metal stable, 前一级可以用上升沿，也可以用下降沿，用上升沿是为了节省时间。
(4) 所有的DFF 复位值都是0，即让clk_out处于无效状态。
(5) 必须满足先gating后放开的顺序，如果不满足，可以在G0/G1处各插入一个反相器。(用part0_b搭配part1的时候需要插入反相器，如下图)
(6)搭配不同的part0电路和part1电路，经过稍许修改，都可以完成防毛刺切频电路的设计。
甚至其他的一些变化。本质上都是：
1）利用RS触发器，让时钟切换按照安全的顺序进行，即先关闭当前时钟，再打开目标时钟。
2）Clk0和clk1是异步时钟，各自在RS触发器输出通道上的信号需同步后再使用。区别以上的示例，可增加同步DFF至2~3 级。
3）最后一个DFF和与门，本质上是一个clk gating cell。
如下图，针对2）和3）作了标注。
FPGA消除毛刺的方法
如何解决FPGA电路设计中的毛刺问题 如何解决FPGA电路设计中的毛刺问题 武汉大学电气工程学院张志杰汪翔 引言 随着半导体技术的飞速发展，FPGA（Field Programmable Gate Array）的计算能力、容量以及可靠性也有了很大的提高。它正以高度灵活的用户现场编程功能、灵活的反复改写功能、高可靠性等优点，成为数字电路设计、数字信号处理等领域的新宠。但和所有的数字电路一样，毛刺也是FPGA电路中的棘手问题。它的出现会影响电路工作的稳定性、可靠性，严重时会导致整个数字系统的误动作和逻辑紊乱。因此，如何有效正确的解决设计中出现的毛刺，就成为整个设计中的关键一环。 本文就FPGA设计中出现的毛刺问题，根据笔者自己的经验和体会，提出了几种简单可行的解决方法和思路，供同行供交流与参考。 FPGA电路中毛刺的产生 我们知道，信号在FPGA器件中通过逻辑单元连线时，一定存在延时。延时的大小不仅和连线的长短和逻辑单元的数目有关，而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。因此，信号在器件中传输的时候，所需要的时间是不能精确估计的，当多路信号同时发生跳变的瞬间，就产生了“竞争冒险”。这时，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号就是“毛刺”。另外，由于FPGA以及其它的CPLD器件内部的分布电容和电感对电路中的毛刺基本没有什么过滤作用，因此这些毛刺信号就会被“保留”并传递到后一级，从而使得毛刺问题更加突出。 可见，即使是在最简单的逻辑运算中，如果出现多路信号同时跳变的情况，在通过内部走线之后，就一定会产生毛刺。而现在使用在数字电路设计以及数字信号处理中的信号往往是由时钟控制的，多数据输入的复杂运算系统，甚至每个数据都由相当多的位数组成。这时，每一级的毛刺都会对结果有严重的影响，如果是多级的设计，那么毛刺累加后甚至会影响整个设计的可靠性和精确性。下面我们将以乘法运算电路来说明毛刺的产生以及去除，在实验中，我们使用的编程软件是Quartus II2.0，实验器件为Cyclone EP1CF400I7。需要说明一点，由于示波器无法显示该整数运算的结果，我们这里将只给出软件仿真的结果。而具体的编程以及程序的下载我们在这里也不再详述，可以参考相关的文献书籍。 毛刺的消除方法 首先，我们来设计一个简单的乘法运算电路。运算电路所示。 (c)所示，如果在不加任何的去除毛刺的措施的时候，我们可以看到结果c中含有大量的毛刺。产生的原因就是在时钟的上升沿，每个输入（a和b）的各个数据线上的数据都不可能保证同时到达，也就是说在时钟读取数据线上的数据的时候，有的数据线上读取的已经是新的数据，而有的数据线上读取的仍然是上一个数据，这样无疑会产生毛刺信号，而当数据完全稳定的时候，毛刺信号也就自然消失了。 输出加D触发器
数字电路电子时钟课程设计
数字电路电子时钟课程设计 整个数字钟由时间计数电路、晶体振荡电路、校正电路、整点报时电路组成。 其中以校正电路代替时间计数电路中的时、分、秒之间的进位，当校时电路处于正常输入信号时，时间计数电路正常计时，但当分校正时，其不会产生向时 进位，而分与时的校位是分开的，而校正电路也是一个独立的电路。电路的信 号输入由晶振电路产生，并输入各电路 方案论证：方案一数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码 器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时 基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。 优点：数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械 式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。 方案二秒、分计数器为60进制计数器，小时计数器为24进制计数器。 实现这两种模数的计数器采用中规模集成计数器74LS90构成。 优点：简单易懂，比较好调试。 1 设计原理数字电子钟由信号发生器、“时、分、秒”计数器、译码器及显示器、校时电路、整点报时电路等组成。秒信号产生器是整个系统的时基信号，它直接决定计时系统的精度，一般用555构成的振荡器加分频器来实现。将标 准秒脉冲信号送入“秒计数器”，该计数器采用60进制计数器，每累计60秒发出一个“分脉冲”信号，该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器，每累计60分，发出一个“时脉冲”信号，该信号将被 送到“时计数器”。“时计数器”采用24进制计数器，可以实现一天24h的累计。译码显示电路将“时、分、秒”计数器的输出状态经七段显示译码器译码，通 过六位LED显示器显示出来。整点报时电路是根据计时系统的输出状态产生一
FPGA中的毛刺信号解析
FPGA设计中毛刺信号解析 在FPGA的设计中，毛刺现象是长期困扰电子设计工程师的设计问题之一, 是影响工程师设计效率和数字系统设计有效性和可靠性的主要因素。由于信号在FPGA的内部走线和通过逻辑单元时造成的延迟,在多路信号变化的瞬间，组合逻辑的输出常常产生一些小的尖峰，即毛刺信号，这是由FPGA 内部结构特性决定的。毛刺现象在FPGA的设计中是不可避免的，有时任何一点毛刺就可以导致系统出错,尤其是对尖峰脉冲或脉冲边沿敏感的电路更是如此。 任何组合电路、反馈电路和计数器都可能是潜在的毛刺信号发生器，但毛刺并不是对所有输入都有危害，如触发器的D输入端，只要毛刺不出现在时钟的上升沿并满足数据的建立保持时间，就不会对系统造成危害。而当毛刺信号成为系统的启动信号、控制信号、握手信号，触发器的清零信号(CLEAR)、预置信号(PRESET)、时钟输入信号(CLK)或锁存器的输入信号时就会产生逻辑错误。在实际设计过程中，应尽量避免将带有毛刺的信号直接接入对毛刺敏感的输入端上，对于产生的毛刺，应仔细分析毛刺的来源和性质，针对不同的信号，采取不同的解决方法加以消除。 因此，克服和解决毛刺问题对现代数字系统设计尤为重要。本文从FPGA的原理结构的角度探讨了产生毛刺的原因及产生的条件，在此基础上，总 结了多种不同的消除方法，在最后结合具体的应用对解决方案进行深入的分析。 1毛刺产生的原因 以图1的例子分析毛刺产生的起因：图1是一个3位同步加法计数器，当使能端为高电平时，在每个时钟上升沿时刻，QA ,QB,QC从000逐步变到111，进入到全1状态后，进位输出端输出半个时钟脉冲宽度的高电平，但从图2仿真结果中可以看到在011变化到100时刻ROC出现了尖脉冲，即毛刺。 以Xilinx的FPGA为例分析其内部结构，如图3所示[2]。
跨时钟域处理
快时钟域信号到慢时钟域有可能的情况是： 快时钟域信号宽度比慢时钟信号周期窄，导致漏采。 解决的方法有： 1.将快时钟域信号延长，至少有慢时钟周期的一到两个周期宽 2.使用反馈的方法，快时钟域信号有效直到慢时钟域有反馈信号，表示已经正确采样此信 号，然后快时钟域信号无效。
通过反馈的方式很安全，但是从上图可以看出来延时是非常大的。慢时钟采快时钟信号，然后反馈信号再由快时钟采。 以上是简单的单个信号同步器的基本方法。 多个信号跨时钟域 多个控制信号跨时钟域仅仅通过简单的同步器同步有可能是不安全的。 简单举例，b_load和b_en同步至a_clk时钟域，如果这两个信号有一个小的skew，将导致在a_clk时钟域中两个信号并不是在同一时刻起作用，与在b_clk中的逻辑关系不同。解决的方法应该比较简单，就是将b_load和b_en信号在b_clk时钟域中合并成一个信号，然后同步至a_clk中。 如果遇到不能合并的情况，如译码信号。如下图
如果Bdec[0]、bdec[1]间存在skew将导致同步至a_clk中后译码错误，出现误码。在这种情况下，建议加入另一个控制信号，确保bdec[0]、bec[1]稳定时采。例如在bdec[0]、bec[1]稳定输出后一到两个周期b_clk域输出一个en信号，通知a_clk域此时可以采bdec[0]、bec[1]信号。这样可确保正确采样。 数据路径同步 对数据进行跨时钟域处理时，如果采用控制信号同步的方式进行处理的话，将是非常浩大的工程，而且是不安全的。 简单来说，数据同步有两种常见的方式： 1.握手方式 2.FIFO 简要说下握手方式，无非就是a_clk域中首先将data_valid信号有效，同时数据保持不变，然后等待b_clk中反馈回采样结束的信号，然后data_valid信号无效，数据变化。如有数据需要同步则重复上述过程。握手方式传输效率低，比较适用于数据传输不是很频繁的，数据量不大的情况。 FIFO则适合数据量大的情况，FIFO两端可同时进行读/写操作，效率较高。而且如果控制信号比较多，也可采用fifo方式进行同步，将控制信息与数据打包，写入FIFO，在另一端读取，解码，取得数据和控制信息。
免毛刺时钟切换电路设计方法
免毛刺时钟切换电路设计方法 基于网上资料整理，并进一步作了分析。 这篇文章讲述了时钟切换的时候毛刺(glitch)带来的危害，以及如何设计防止毛刺发生的时钟切换电路。但是没有讲到电路设计的构思从何而来，大家看了之后知道直接用这个电路，但是假如不看这篇文章，自己从头设计还是无从下手。 在这里，我换另外一个角度，通过电路设计技巧来阐述防毛刺时钟切换电路的设计思路。希望看过之后，不用参考文章就能够自己设计出这个电路。 对于一个时钟切换电路，输入两个异步时钟clk0、clk1，以及一个选择信号sel。 (1) 假设不考虑glitch，直接使用Mux就可以完成切频。电路如下： 由于clk0/clk1/sel之间是异步关系，时钟切换会发生在任意时刻，有一定的概率会发生glitch. glitch的危害文章里已经详述，这里不再重复。Glitch可能导致无法满足setup或hold时序要求而导致寄存器输出为不定态。 (2) 由于sel和clk0和clk1都是不同步的，我们可以从sel同步的方向入手，假如sel需要和clk0和clk1进行同步，那么sel必须分成两路，一个和clk0同步，一个和clk1同步，同步之后的sel信号再和clk0/clk1 gating起来，就可以让问题简单化。为了将sel分成两路，并且clk0/clk1需要分别gating, 那么可以将mux逻辑用and/or设计出来，如下：
当然此Mux电路还可以用两个or加上一个and来实现，都可以。注意G0和G1两点就是分别对clk0和clk1进行gating. 将来会在G0/G1点插入同步DFF. (3) 将上面电路拆开成两部分，一部分电路通过sel产生sel+和sel-两路，另一部分电路是gating mux电路, 如下： 只需要将sel-接上G0, sel+接上G1就是一个mux电路。将电路分开，是为了后续技巧性的功能替换。 (4) 将part0电路换成同样功能的带反馈的组合电路(为何要这样做，属于电路设计直觉和技巧。原因有2。其一，可以防抖。以part0_a为例，Sel从1到0的跳变，若仅为非常短的glitch，则可能sel+还来不及从1到0跳变，故sel-也保持为0，从而防止了输出因glitch 而抖动。其二，利用反馈，让时钟切换按照安全的顺序，即先关闭当前时钟，再打开目标时钟。而不管关闭还是使能，都必须保证当前时钟或目标时钟的使能信号的跳变都是分别在时
数字电子时钟设计
电子技术课程设计 数字电子时钟的设计 摘要： 设计一个周期为24小时，显示满刻度为23时59分59秒，具有校时功能和报时功能的电子钟。本系统的设计电路由时钟译码显示电路模块、脉冲逻辑电路模块、时钟脉冲模块、整电报时模块、校时模
块等部分组成。计数器采用异步双十进制计数器74LS90，发生器使用石英振荡器，分频器4060CD及双D触发器74LS74D，整电报时电路用门电路及扬声器构成。 一、设计的任务与要求 电子技术课程设计的主要任务是通过解决一，两个实际问题，巩固和加深在“模拟电子技术基础”和“数字电子技术基础”课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。电子技术课程设计的主要内容包括理论设计、仿真实验、安装与调试及写出设计总结报告。衡量课程设计完成好坏的标准是：理论设计正确无误；产品工作稳定可靠，能达到所需要的性能指标。 本次课程设计的题目是“多功能数字电子钟电路设计”。要求学生运用数字电路，模拟电路等课程所学知识完成一个实际电子器件设计。 二、设计目的 1、让学生掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统 的设计、安装、测试方法； 2、进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实 际问题的能力； 3、提高电路布局﹑布线及检查和排除故障的能力； 4、培养书写综合实验报告的能力。
三、原理方框图如下 1、图中晶体振荡电路由石英32.768KHZ及集成芯。 2、图中分频器4060BD芯片及D触发器构成分频器。 3、计数器由二——五——十73LS90芯片构成。 4、图中DCD_HEX显示器用七段数码显示器且本身带有译码器。 5、图中校时电路和报时电路用门电路构成。 四、单元电路的设计和元器件的选择 1、十进制计数电路的设计 74LS90集成芯片是二—五—十进制计数器，所以将INB与QA 相连；R0（1）、R0（2）、R9(1)、R9（2）接地（低电平）；INA
FPGA与SoC芯片设计中五步法CDC跨时钟域检查方法学
Advanced Verification White Paper Five Steps to Quality CDC Verification Ping Yeung Ph.D. Mentor Graphics
CDC synchronizers are used to reduce the probability of metastable signals. Taking unpredictable metastable sig- nals and creating predictable behavior, they prevent metastable values from reaching the receiving clock domain.Metastability Effects Even when proper CDC synchronizers are used for all clock-domain crossings and all CDC protocols are cor-rectly implemented, metastability inevitably leads to unpredictable cycle-level timing [4, 5]. Traditional RTL simulation does not model metastability, therefore, it cannot be used to find functional problems that may arise when metastability manifests in hardware. We are going to show two scenarios in which the cycle-level timing of RTL simulation differs from the cycle-level timing of the actual hardware in the presence of metastability.In Figure 3, the incoming CDC signal, cdc_d , violates the register setup time. Although it is sampled correctly in RTL simulation, the register is metastable and the output settles to 0. As a result, the hardware transition is delayed by one cycle. Figure 2: A two-register CDC synchronizer. Figure 4: Hold time violation: hardware transition is advanced by one cycle. Figure 3: Setup time violation: hardware transition is delayed by one cycle.
时钟无毛刺切换电路
Techniques to make clock switching glitch free From: https://www.360docs.net/doc/1115687140.html,/articles/exit/?id=5827&url=http://www.eetime https://www.360docs.net/doc/1115687140.html,/story/OEG20030626S0035 Rafey Mahmud With more and more multi-frequency clocks being used in today's chips, especially in the communications field, it is often necessary to switch the source of a clock line while the chip is running. This is usually implemented by multiplexing two different frequency clock sources in hardware and controlling the multiplexer select line by internal logic. The two clock frequencies could be totally unrelated to each other or they may be multiples of each other. In either case, there is a chance of generating a glitch on the clock line at the time of the switch. A glitch on the clock line is hazardous to the whole system, as it could be interpreted as a capture clock edge by some registers while missed by others. In this article, two different methods of avoiding a glitch at the output clock line of a switch are presented. The first method is used when clocks are multiples of each other, while the second deals with clocks totally unrelated to each other. The problem with on-the-fly clock switching Figure 1 shows a simple implementation of a clock switch, using an AND-OR type multiplexer logic.
多功能数字钟电路设计
多功能数字钟电路设计 一、数字电子钟设计摘要 (2) 二、数字电子钟方案框图 (2) 三、单元电路设计及相关元器件的选择 (3) 1.6进制计数器电路的设计 (3) 2.10进制计数器电路的设计 (4) 3.60进制计数器电路的设计 (4) 4.时间计数器电路的设计 (5) 5.校正电路的设计 (6) 6.时钟电路的设计 (7) 7.整点报时电路设计 (8) 8. 译码驱动及单元显示电路 (9) 四、系统电路总图及原理 (9) 五、经验体会 (10) 六、参考文献 (10) 附录A:系统电路原理图 附录B:元器件清单
一、数字电子钟设计摘要 数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。 此次设计数字钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作数字钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。且由于数字钟包括组合逻辑电路和时叙电路。通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法。 二、数字电子钟方案框图 图1 数字电子钟方案框图
三、单元电路设计和元器件的选择 1. 6进制计数器电路的设计 现要设计一个6进制的计数器，采用一片中规模集成电路74LS90N芯片，先接成十进制，再转换成6进制，利用“反馈清零”的方法即可实现6进制计数，如图2所示。 图2
2. 10进制电路设计 图3 3. 60 进数器电路的设计 “秒”计数器与“分”计数器都是六十进制，它由一级十进制计数器和一级六进制计数器连接而成，如图4所示，采用两片中规模集成电路74LS90N串接起来构成“秒”“分”计数器。
电路中如何消除方波跳变时产生的尖刺
电路中如何消除方波跳变时产生的尖刺? 解释一： 在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致叫竞争。产生毛刺叫冒险。如果布尔式中有相反的信号则可能产生竞争和冒险现象。解决方法：一是添加布尔式的（冗余）消去项，但是不能避免功能冒险，二是在芯片外部加电容。三是增加选通电路。 在组合逻辑中，由于多少输入信号变化先后不同、信号传输的路径不同，或是各种器件延迟时间不同（这种现象称为竞争）都有可能造成输出波形产生不应有的尖脉冲（俗称毛刺），这种现象成为冒险。 解释二： 竞争与冒险是数字电路中存在的一种现象。由于元器件质量和设备工艺已达到相当高的水平，因而数字电路的故障往往是竞争与冒险引起的，所以要研究它们。在一个复杂的数字电路的设计阶段，就完全预料电路中的竞争与冒险是困难的，有一些要通过实验来检查。下面将说明组合数字电路中竞争与冒险的基本概念和确定消除它的一些基本方法。 竞争：在组合电路中，信号经由不同的途径达到某一会合点的时间有先有后，这种现象称为竞争。 冒险：由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误现象称为冒险。表现为输出端出现了原设计中没有的窄脉冲，常称其为毛刺。 竞争与冒险的关系：有竞争不一定会产生冒险，但有冒险就一定有竞争。 在组合逻辑中，由于门的输入信号通路中经过了不同的延时，导致到达该门的时间不一致叫竞争。 产生毛刺叫冒险。如果布尔式中有相反的信号则可能产生竞争和冒险现象。 解决方法：一是添加布尔式的消去项，二是在芯片外部加电容。 当组合逻辑电路存在冒险现象时，可以采取修改逻辑设计，增加选通电路，增加输出滤波等多种方法来消除冒险现象。 当一个门的输入有两个或两个以上的变量发生改变时，由于这些变量是经过不同路径产生的，使得它们状态改变的时刻有先有后，这种时差引起的现象称为竞争（Race）。竞争的结果若导致冒险或险象（Hazard）发生（例如毛刺），并造成错误的后果，那么就称这种竞争为临界竞争。若竞争的结果没有导致冒险发生，或虽有冒险发生，但不影响系统的工作，那么就称这种竞争为非临界竞争。 组合逻辑电路的险象仅在信号状态改变的时刻出现毛刺，这种冒险是过渡性的，它不会使稳态值偏离正常值，但在时序电路中，冒险是本质的，可导致电路的输出值永远偏离正常值或者发生振荡。 组合逻辑电路的冒险是过渡性冒险，从冒险的波形上，可分为静态冒险和动态冒险。 输入信号变化前后，输出的稳态值是一样的，但在输入信号变化时，输出信号产生了毛刺，这种冒险是静态冒险。若输出的稳态值为0，出现了正的尖脉冲毛刺，称为静态0险象。若输出稳态值为1，出现了负的尖脉冲毛刺，则称为静态1冒险。 输入信号变化前后，输出的稳态值不同，并在边沿处出现了毛刺，称为动态险象（冒险）。 从引起冒险的具体原因上，冒险可以分为函数冒险和逻辑冒险。函数冒险是逻辑函数本身固有的，当多个输入变量发生变化时，常常会发生逻辑冒险。避免函数冒险的最简单的方法是同一时刻只允许单个输入变量发生变化，或者采用取样的办法。 单个输入变量改变时，不会发生函数冒险，但电路设计不合适时，仍会出现逻辑冒险。通过精心设计，修改电路的结构，可以消除逻辑冒险。 解释三： 当一个门的输入有两个或两个以上的变量发生改变时，由于这些变量是经过不同组合逻辑路径产生的，使得它们状态改变的时刻有先有后，这种时差引起的现象称为竞争（Race）。竞争的结果若导致冒险或险象（Hazard）发生（例如毛刺（glitch）），并造成错误的后果，那么就称这种竞争为临
基于单片机及时钟芯片DS1302的电子时钟设计
目录 摘要 一、引言 (1) 二、硬件电路设计 (2) 2.1 主要芯片 (2) 2.1.1 微处理器 (2) 2.1.2 DS1302简介 (4) 2.1.3 DS1302引脚说明 (5) 2.1.4 74ls245简介及引脚说明 (5) 2.2 时钟硬件电路设计 (6) 2.2.1 时钟电路设计 (7) 2.2.2 整点报时功能 (8) 2.2.3 硬件原理图 (9) 三、proteus和keil软件仿真及调试 (9) 3.1 电路的仿真 (9) 3.2 软件调试 (9) 四、C语言程序 (10) 五、参考文献 (13)
电子时钟主要是利用电子技术将时钟电子化、数字化，拥有时钟精确、体积小、界面友好、可扩展性能强等特点，被广泛应用于生活和工作当中。另外，在生活和工农业生产中，也常常需要温度，这就需要电子时钟具有多功能性。 本文对当前电子钟开发手段进行了比较和分析，最终确定了采用单片机技术实现多功能电子时钟。本设计应用AT89C52芯片作为核心，6位LED数码管显示，使用DS1302实时时钟日历芯片完成时钟/日历的基本功能。这种实现方法的优点是电路简单，性能可靠，实时性好，时间精确，操作简单，编程容易。 本设计主要为实现一款可正常显示时钟/日历、带有定时闹铃的多功能电子时钟。该电子时钟可以应用于一般的生活和工作中，也可通过改装，提高性能，增加新功能，从而给人们的生活和工作带来更多的方便。 关键词：电子钟；多功能；AT89C52；时钟芯片
一、引言 时间是人类生活必不可少的重要元素，如果没有时间的概念，社会将不会有所发展和进步。从古代的水漏、十二天干地支，到后来的机械钟表以及当今的石英钟，都充分显现出了时间的重要，同时也代表着科技的进步。致力于计时器的研究和充分发挥时钟的作用，将有着重要的意义。 1.1 多功能电子时钟研究的背景和意义 20世纪末，电子技术获得了飞速的发展。在其推动下，现代电子产品几乎渗透到了社会的各个领域，有力的推动和提高了社会生产力的发展与信息化程度，同时也使现代电子产品性能进一步提升，产品更新换代的节奏也越来越快。 时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂容易使人忘记当前的时间。然而遇到重大事情的时候，一旦忘记时间，就会给自己或他人造成很大麻烦。平时我们要求上班准时，约会或召开会议必然要提及时间；火车要准点到达，航班要准点起飞；工业生产中，很多环节都需要用时间来确定工序替换时刻。所以说能随时准确的知道时间并利用时间，是我们生活和工作中必不可少的[1]。 电子钟是采用电子电路实现对时、分、秒进行数字显示的计时装置，广泛应用于个人家庭，车站，码头办公室等公共场所，成为人们日常生活中不可少的必需品。由于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。诸如定时自动报警、0按时自动打铃、定时广播、自动起闭路灯、定时开关烘箱、通断动力设备、甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
Xilinx FPGA 设计中的跨时钟域问题
浅谈XLINX FPGA设计中跨时钟域的同步设计问题 摘要 本文介绍了FPGA设计中的同步设计原则并对FPG A设计中的触发器亚稳态问题进行了阐述本文通过具体的设计实例论证了跨时钟域同步处理的必要性并介绍了一种实现跨时 钟域同步处理的方法和其具体电路 关键字 同步设计异步设计触发器亚稳态时序稳定 一同步设计的原则 尽量使用同步电路避免使用异步电路这句话是电路设计的几个原则之一同异步设计相比同步设计设计出来的电路更稳定可靠在XILINX FPGA设计中时常 有设计人员遇到如下类似的问题 设计的电路升级困难可移植性差也就是说一些原本工作正常的电路移植到高端的FPGA中就根本工作不起来了 设计的电路一致性差同一电路设计每次布线后工作的结果不同 设计的电路时序仿真正常但实际电路上却工作不起来 设计的电路极易受毛刺的干扰 通常这些类似的问题都于电路的异步设计有关 二亚稳态 图1 触发器的亚稳态示意图 对于触发器当时钟沿到来时其输入要求是稳定的这时其输出也是稳定的但假如时钟沿到来时其输入也正在变化即翻转这时触发器会瞬时进入亚稳态通 常触发器对输入信号都有一个建立时间的要求也即setup时间当这一建立时间得 不到满足时触发器也会进入瞬时亚稳态如图1 通常触发器即使进入亚稳态也会很快进入稳态但其输出值是不定的这有可能对使我们设计的FPGA模块尤其是哪些有复杂状态机的模块产生错误的逻辑对于亚稳态问题我们还应明白亚稳态问题并非指输出结果数据的不确定性而是指输出变化的时序不确定性 遵循同步设计的原则有助于解决亚稳态问题使我们设计出稳定可靠的电路模块对于单时钟系统我们可以很方便地设计出稳定易于设计及仿真的同步单一时钟系统但在电信和数据通讯领域中我们设计的系统中往往具有多个时钟往往需要将数据或时序由一个时钟域传到另一个时钟域这类设计的难点在于实现不同时钟域之间数据和时序变化的稳定可靠地传递采用经验证的设计技术可以实现跨时钟域的同步设计进而设计出可靠工作的电路 三跨时钟域的异步设计案例 本人曾经设计过如下几个模块这些模块中的几个子模块分别工作在各自的时钟域
时钟电路的设计
一、概述 本次设计以AT89C51单片机芯片为核心，辅以必要的外围电路，设计了一个简易的电子时钟并且利用单片机自身的定时计数器，使LED 按照一定的时间间隔闪烁，闪烁时间间隔不小于1秒。在硬件方面，除了CPU 外，使用七段数码管来进行动态扫描。通过数码管能够比较准确显示时，分，LED 一闪一灭显示秒，设计方面采用C 语言编程，整个电子时钟能完成时间的显示，手动复位等功能。本系统是基于AT89C51单片机设计的一个具有显示的数字实时时钟的发光二极管，该系统同事具有硬件设计简单，工作稳定性高，价格低廉等优点。数字单片机的技术进步反应在内部结构，功率消耗，外部电压等级以及制造工艺上。 二、方案论证 利用单片机自身的定时计数器，使LED 发光二极管按照一定的时间间隔闪烁，闪烁时间间隔不小于1秒。 方案一： 采用AT89C51单片机来做LED 时间闪烁电路，其方案原理框图如下图1所示。 图1 打片机控制设计时钟电路的原理框图 方案二： 采用电子电路装置安装，其原理框图如下图2所示。 图2 电子电路控制设计时钟电路原理图 时钟电路 A T89C51 单片机 复位电路 按键控制电路 LED 显示电路 直流5V 电源电路 振荡电路 控制电路 计数器 译码器 LED 显示电路
本设计采用的是方案一，AT89C51单片机构成的数码管显示时钟，硬件设计简单，工作稳定性高，性价比高比较合适。 三、电路设计 1.程序流程图 程序总体结构示意流程图如下图3所示。程序从开始运行，设计要求为1秒的闪烁间隔，内容包括了开关中断子程序，以及总体流程。 Y N N Y 图3 程序总体结构示意图 2.复位电路 AT89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，复位电路主要是确定 开始 开关中断 Countor1++（自加1） Counror1==20 D1=~D1（按位取反操作） TH0=(65536-50000)/256（重新赋初值） P1~0口状态改变
跨时钟域问题(Clock Domain Crossing)
跨时钟域问题(Clock Domain Crossing) –同两个时钟域打交道！ 引言：设计者有时候需要将处于两个不同时钟域的系统对接，由于接口处是异步（会产生setuptime 和holdtime violation，亚稳态以及不可靠的数据传输）的，因此处理起来较同步逻辑更棘手，需要寻求特殊处理来进行接口界面的设计。 任意的两个系统如果满足以下条件之一，就可称其为异步的： (1)工作在不同的时钟频率上； (2)工作频率相同，但是相位不相同； 处理跨时钟域的数据传输，有两种实现方案： （1）采用握手信号来交互 （2）以异步FIFO来实现 1.1、以握手信号交互： 假设系统A以这种方式向系统B传递数据，握手信号分别为req和ack。 握手协议： Transmitter asserts the req (request) signal, asking the receiver to accept the data on the data bus.
Receiver asserts the ack (acknowledge) signal, asserting that it has accepted the data. 这种处理跨时钟域的方式很直接，但是也最容易产生亚稳态，由于系统A发送的req信号需要系统B中的时钟去sample，而系统B发出的ack信号又需要系统A中的时钟去sample，这样两边都存在着setup time和hold time violation的问题。为了避免由于setup time和hold time vilation所造成的亚稳态，通常我们可以将异步时钟域交互的信号用local system的时钟打两级甚至三级寄存器，以此来消除亚稳态的影响。下图以系统A发送到系统B的req信号示例消除亚稳态的方法： 当然，这种处理方式是以损失传输速率为代价的，加入两到三级寄存器同步异步时钟域的信号，会有许多时钟周期浪费在了系统的“握手”。 有时候，我们也会对数据多打两拍reg来同步，但通常情况下，我们并不会采取这种方式，它不仅需要较多逻辑，而且收效甚微。通常对数据的同步是以异步FIFO来实现的。下图给出了1bit数据传输打两拍reg所做的同步，从中可以发现，与前面的握手信号处理完全一致。 1.2 结合实际工作谈谈以握手信号处理的跨时钟域问题 由于所在项目的逻辑设计相当庞大，超出了最初的预估，同时也鉴于产品化方向考虑可以单独流片，因此对整个逻辑结构进行了划分，在做FPGA原型验证的时候，将这两块逻辑分别映射到不同的器件单元中，这里暂且称它们为wrapper0和wrapper1。实践结果表明，wrapper0和wrapper1的相位需要存在180度的反相，弥补板级走线的延迟影响。
毛刺与抗干扰
毛刺与抗干扰 在FPGA的设计中，毛刺现象是影响设计效率和数字系统设计有效性和可靠性的主要因素。由于信号在FPGA的内部走线和通过逻辑单元时造成的延迟，在多路信号变化的瞬间，组合逻辑的输出常常产生一些小的尖峰，即毛刺信号，这是由FPGA内部结构特性决定的。毛刺现象在FPGA的设计中是不可避免的，有时任何一点毛刺就可以导致系统出错，尤其是对尖峰脉冲或脉冲边沿敏感的电路更是如此。因此，克服和解决毛刺问题对现代数字系统设计尤为重要。 一、FPGA电路中毛刺的产生 我们知道，信号在FPGA器件中通过逻辑单元连线时，一定存在延时。延时的大小不仅和连线的长短有关，还和逻辑单元的数目有关，而且也和器件的制造工艺、工作环境等有关。因此，信号在器件中传输的时候，所需要的时间是不能精确估计的，当多路信号同时发生跳变的瞬间，就产生了“竞争冒险”。这时，往往会出现一些不正确的尖峰信号，这些尖峰信号就是“毛刺”。另外，由于FPGA及其他的CPLD器件内部的分布电容和电感对电路中的毛刺基本没有什么过滤作用，因此这些毛刺信号就会被“保留”并传递到下一级，从而使得毛刺问题更加突出。 可见，即使是在最简单的逻辑运算中，如果出现了多路信号同时跳变的情况，在通过内部走线之后，就一定会产生毛刺。而现在在数字电路设计及数字信号处理中的信号往往是由时钟控制的，多数据输入的复杂运算系统，甚至每个数据都由相当多的位数组成。这时，每一级的毛刺都会对结果有严重的影响，如果是多级的设计，那么毛刺累加后甚至会影响整个设计的可靠性和精确性。 总的来说，毛刺发生的条件就是同一时刻有多个信号输入发生改变。 二、毛刺的消除方法 1.利用冗余项法 利用冗余项消除毛刺有两种方法：代数法和卡诺图法，两者都是通过增加冗余项来消除险象，只是前者针对于函数表达式而后者针对于真值表。以卡诺图为例，若两个卡诺图的两圆相切，其对应的电路就可能产生险象。因此，修改卡诺图，在卡诺图的两圆相切处增加一个圆，以增加多余项来消除逻辑冒险。但该法对于计数器型产生的毛刺是无法消除的。 2.采样法 由于冒险多出现在信号发生电平跳变的时刻，即在输出信号的建立时间内会产生毛刺，而在保持时间内不会出现，因此，在输出信号的保持时间内对其进行采样，就可以消除毛刺信号的影响，常用的采样方法有两种：一种使用一定宽度的高电平脉冲与输出相与，从而避开了毛刺信号，取得输出信号的电平值。这种方法必须保证采样信号在合适的时间产生，并且只适用于对输出信号时序和脉冲宽度要求不严的情况。另一种更常见的方法叫锁存法，是利用D触发器的输入端D对毛刺信号不敏感的特点，在输出信号的保持时间内，用触发器读取组合逻辑的输出信号。由于在时钟的上升沿时刻，输出端Q=D，当输入的信号有毛刺时，只要不发生在时钟的上升沿时刻，输出就不会有毛刺。这种方法类似于将异步电路转化为同步电路，实现简单，但同样会涉及时序问题。 3.吸收法 由于产生的毛刺实际上是高频窄脉冲，故增加输出滤波，在输出端接上小电容C就可以消除毛刺。但输出波形的前后将变坏，在对波形要求较严格时，应再加整形电路，该方法
数字电子时钟课程设计
数字电子技术基础课程设计报告 班级：姓名: 学号： 一、设计目的 1掌握专业基础知识的综合能力。 2完成设计电路的原理设计、故障排除。 3逐步建立电子系统的研发、设计能力，为毕业设计打好基础。 4让学生掌握组合逻辑电路、时序逻辑电路及数字逻辑电路系统的设计、安装、测试方法。 5进一步巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和解决实际问题的能力。 6培养书写综合实验报告的能力。 二、设计仪器 1 LM555CH 2 74LS161N 74LS160N 74LS290 3 74LS00 74LS08 4 电源电阻电容二极管接地等 三数字电子钟的基本功能及用途 现在数字钟已成为人们日常生活中：必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及车站、码头、剧场、办公室等公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于数字集成电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使数字钟具有走时准确、性
能稳定、集成电路有体积小、功耗小、功能多、携带方便等优点，，因此在许多电子设备中被广泛使用。 电子钟是人们日常生活中常用的计时工具，而数字式电子钟又有其体积小、重量轻、走时准确、结构简单、耗电量少等优点而在生活中被广泛应用，因此本次设计就用数字集成电路和一些简单的逻辑门电路来设计一个数字式电子钟，使其完成时间及星期的显示功能。 多功能数字钟采用数字电路实现对“时”、“分”、“秒”数字显示的计时装置。具有时间显示、走时准确、显示直观、精度、稳定等优点。电路装置十分小巧,安装使用也方便。同时在日期中，它以其小巧，价格低廉，走时精度高，使用方便，功能多，便于集成化而受广大消费的喜爱。 四设计原理及方框图 数字钟实际上是一个对标准频率进行计数的计数电路，标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。由图可见：本数字钟电路主要由震荡器、、时分秒计数器、译码显示器构成。它们的工作原理是：由震荡器产生的高频脉冲信号作为数字钟的时间基准，送入秒计数
跨时钟域信同步方法种
跨时钟域信号同步方法6种 ASIC中心 1 引言 基于FPGA的数字系统设计中大都推荐采用同步时序的设计，也就是单时钟系统。但是实际的工程中，纯粹单时钟系统设计的情况很少，特别是设计模块与外围芯片的通信中，跨时钟域的情况经常不可避免。如果对跨时钟域带来的亚稳态、采样丢失、潜在逻辑错误等等一系列问题处理不当，将导致系统无法运行。本文总结出了几种同步策略来解决跨时钟域问题。 2 异步设计中的亚稳态 触发器是FPGA设计中最常用的基本器件。触发器工作过程中存在数据的建立(setup)和保持(hold)时间。对于使用上升沿触发的触发器来说，建立时间就是在时钟上升沿到来之前，触发器数据端数据保持稳定的最小时间。而保持时间是时钟上升沿到来之后，触发器数据端数据还应该继续保持稳定的最小时间。我们把这段时间成为setup-hold时间(如图1所示)。在这个时间参数内，输入信号在时钟的上升沿是不允许发生变化的。如果输入信号在这段时间内发生了变化，输出结果将是不可知的，即亚稳态 (Metastability) 图1 一个信号在过渡到另一个时钟域时，如果仅仅用一个触发器将其锁存，那么采样的结果将可能是亚稳态。这也就是信号在跨时钟域时应该注意的问题。如图2所示。 信号dat经过一个锁存器的输出数据为a_dat。用时钟b_clk进行采样的时候，如果a_dat正好在b_clk的setup-hold时间内发生变化，此时b_ dat就既不是逻辑"1"，也不是逻辑"0"，而是处于中间状态。经过一段时间之后，有可能回升到高电平，也有可能降低到低电平。输出信号处于中间状态到恢复为逻辑"1"或逻辑"0"的这段时间，我们
单片机电子时钟设计(内含源程序和电路图仿真地址)
课程名称：单片机课程设计 设计题目：电子时钟设计 院系：电气工程系 专业：电子信息工程 年级：***** 姓名：* * * 指导教师：* * * 西南交通大学峨眉校区 2012年6月15日
课程设计任务书 专业电子信息工程姓名*** 学号******** 开题日期：2012 年3 月1 日完成日期：2012年6月15 日题目电子时钟设计 一、设计的目的 单片计算机即单片微型计算机。由RAM ,ROM,CPU构成，定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次课程设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。 二、设计的内容及要求 ●在数码管通过一个控制键转换来显示相应的时间和日期； ●能通过多个控制键用来实现时间和日期的调节； ●熟练运用应用keil软件实现单片机电子时钟系统的程序设计，用Proteus 的ISIS软件实现仿真。 三、指导教师评语 四、成绩 指导教师(签章) 年月日
摘要 单片计算机即单片微型计算机。由RAM ,ROM,CPU构成，定时，计数和多种接口于一体的微控制器。它体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产业和工业自动化上。而51系列单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。这次课程设计通过对它的学习，应用，从而达到学习、设计、开发软、硬的能力。 本设计主要设计了一个基于AT89C51单片机的电子时钟。在数码管通过一个控制键转换来显示相应的时间和日期。并通过多个控制键用来实现时间和日期的调节。应用keil软件实现单片机电子时钟系统的程序设计，用Proteus的ISIS软件实现仿真。该方法仿真效果真实、准确，节省了硬件资源。 关键字：单片机时钟键盘控制 （电路图仿真地址：https://www.360docs.net/doc/1115687140.html,/file/e70jgofp） 一、电子时钟 1.1电子时钟简介 1957年,Ventura发明了世界上第一个电子表，从而奠定了电子时钟的基础，电子时钟开始迅速发展起来。现代的电子时钟是基于单片机的一种计时工具，采用延时程序产生一定的时间中断，用于一秒的定义，通过计数方式进行满六十秒分钟进一，满六十分小时进一，满二十四小时小时清零。从而达到计时的功能，是人民日常生活补课缺少的工具。 1.2 电子时钟的基本特点 现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试，数字式电子钟用集成电路计时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间和日期，减小了误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能和年月日显示日期的功能，还可以进行校对，片选的灵活性好。