基于CPLD的驱动数码显示电路设计案例

显示原理：
    八段数码显示管如图1.1 所示，八段数码管每一段为一发光二极管，共有a～g 以及小数点dp 八个发光二极管。将八段数码管中的每个二极管的阴极并联在一起，组成公共阴极端。这样把共阴极管脚接地，此时哪个管脚输入高电平，对应发光二极管就被点亮。
 
图 1.1 八段数码显示管

CL5461AS 数码管管脚图如图1.2 所示，它将四个数码显示管的a～g 及小数点dp 管脚并联在一起，作为数码管数据输入端；分别引出各个数码管的阴极A1～A4。
 
图1.2 CL5461AS 数码管管脚图

只要在A1～A4 管脚上轮流加低电平其频率大于40Hz，可实现四个数码管同时被点亮的视觉效果。在点亮不同数码管的同时输入不同的数据，即可在数码管上同时显示四位不同的数字。例如：四个数码管要显示9876 数字。第一个数码管A1 加低电平，其余A2、A3、 A4高电平，同时数码管输入和9 对应的数据；然后第二个数码管A2 加低电平，其余A1、A3 、A4 高电平，同时数码管输入和8 对应的数据；然后第三个数码管A3 加低电平，其余A1、A2 、A4 高电平，同时数码管输入和7 对应的数据；然后第四个数码管A4 加低电平，其余A1、A2 、A3 高电平，同时数码管输入和6 对应的数据；周而复始重复上述过程，四个数码管就显示9876 数字。

驱动八位数码管显示电路框图
    用CPLD 设计一个驱动八位数码管显示电路。八位数码管管脚图如图1.2 所示。
    用两个CL5461AS 数码管接成一个八位数码管显示，将两个CL5461AS 数码管的a～g 及小数点dp 管脚并联在一起，两个CL5461AS 数码管的阴极A1～A4 定义为Vss0、Vss1、Vss2、Vss3、Vss4、Vss5、Vss6、Vss7。
    用CPLD 设计一个驱动八位数码管显示电路的框图如图1.4 所示。
 
图1.4 驱动八位数码管显示电路框图

    时钟脉冲计数器的输出同时作为 3 线—8 线译码器、八选一数据选择器地址码的输入。
    时钟脉冲计数器的输出经过3 线—8 线译码器译码其输出信号接到八位数码管的阴极Vss0、Vss1、Vss2、Vss3、Vss4、Vss5、Vss6、Vss7 端。要显示的数据信息Ａ～Ｈ中哪一个，通过八选一数据选择器的地址码来选择，选择出的数据信息经七段译码器译码接数码管的a～g 管脚。这样八个数码管就可以轮流显示八个数字，如果时钟脉冲频率合适，可实现八个数码管同时被点亮的视觉效果。

模块及模块功能：
1.3.1 时钟脉冲计数器模块
    时钟脉冲计数器模块CN8 如图1.5 所示。CN8 模块输入信号是时钟脉冲clk，其频率大于40Hz，每遇到一个时钟脉冲clk 上升沿，内部累加器便加一，再把累加器所得结果以2进制数的形式输出。要显示八位数字，所以用3 位2 进制数作为输出。输出信号为cout[0..2]。
 
图 1.5 时钟脉冲计数器模块CN8

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity cn8 is
port(clk:in std_logic;
cout:out std_logic_vector(2 downto 0));
end cn8;
architecture rtl of cn8 is
signal q: std_logic_vector(2 downto 0);
begin
process(clk)
begin
if (clk'event and clk='1' ) then
if (q=7) then
q<="000";
else
q<=q+1;
end if;
end if;
end process;
cout<=q;
end rtl;

1.3.2  3-8线译码器模块
    3-8 线译码器模块DECODER3_8 如图1.6 所示。DECODER3_8 模块的输入端是A[2..0]接收时钟脉冲计数器CN8 模块的输出信号，经过译码后输出信号Q[7..0]分别接八个数码管的阴极Vss7、Vss6、Vss5、Vss4、Vss3、Vss2、Vss1、Vss0，使对应的数码管的阴极为低电平，对应的数码管被点亮。要显示八位数字，需要八个输出端，所以做成3-8 线译码器。
 
图 1.6 3-8 线译码器模块DECODER3_8

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity decoder3_8 is
port(a:in std_logic_vector(2 downto 0);
q:out std_logic_vector(7 downto 0));
end decoder3_8;
architecture rtl of decoder3_8 is
begin
process(a)
begin
case a is
when "000"=>q<="11111110";
when "001"=>q<="11111101";
when "010"=>q<="11111011";
when "011"=>q<="11110111";
when "100"=>q<="11101111";

when "101"=>q<="11011111";
when "110"=>q<="10111111";
when others=>q<="01111111";
end case;
end process;
end rtl;

1.3.3 八选一数据选择模块
    八选一数据选择模块 SEL81 如图1.7 所示。SEL81 模块输入信号一个是数据选择器SEL81的地址码SEL[2..0]，另一部分是数据信息A[3..0] ～H[3..0]。地址码SEL[2..0]来自时钟脉冲计数器CN8，由地址码SEL[2..0]决定输出哪个输入数据。输出信号是Q[3..0]。
 
图 1.7 八选一数据选择模块SEL81

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity sel81 is
port(sel:in std_logic_vector(2 downto 0);
a,b,c,d,e,f,g,h:in std_logic_vector(3 downto 0);
q:out std_logic_vector(3 downto 0));
end sel81;
architecture rtl of sel81 is
begin
process(a,b,c,d,e,f,g,h,sel)
variable cout: std_logic_vector(3 downto 0);
begin
case (sel) is
when "000"=>cout:=a;
when "001"=>cout:=b;
when "010"=>cout:=c;
when "011"=>cout:=d;
when "100"=>cout:=e;
when "101"=>cout:=f;
when "110"=>cout:=g;
when others=>cout:=h;
end case;
q<=cout;
end process;
end rtl;

1.3.4 七段译码器模块
    七段译码器模块 DISP 如图1.8 所示。DISP 模块是七段译码器，将输入的4 位二进制数转换为数码显示管所对应的数字。例如输入为4 位二进制数0000 的时候，使数码显示管显示0，则要七段译码器输出为0111111，即g 段为0，g 段发光二极管不亮，其他发光二极管被点亮，显示效果为0。DISP 模块输入信号D[3..0]接到八选一数据选择模块的输出信号Q[3..0]；七段译码器输出信号Q[6..0]接数码管的a～g 管脚。
 
图 1.8 七段译码器模块DISP

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
entity disp is
port(d:in std_logic_vector(3 downto 0);
q:out std_logic_vector(6 downto 0));
end disp;
architecture rtl of disp is
begin
process(d)
begin
case d is
when"0000"=>q<="0111111";
when"0001"=>q<="0000110";
when"0010"=>q<="1011011";
when"0011"=>q<="1001111";
when"0100"=>q<="1100110";
when"0101"=>q<="1101101";
when"0110"=>q<="1111101";
when"0111"=>q<="0100111";
when"1000"=>q<="1111111";
when others=>q<="1101111";
end case;
end process;
end rtl;

1.3.5 驱动八位数码管显示的整体电路
    将各个模块连接起来构成整体电路图如图 1.9 所示，可以实现用CPLD 设计一个驱动八位数码管显示电路的功能。clk 是时钟脉冲输入信号，经过时钟脉冲计数器CN8 模块，将信号以3 位2 进制数的形式输出，输出信号是COUT[2..0]。时钟脉冲计数器CN8 的输出同时作为3 线—8 线译码器DECODER3_8 和八选一数据选择器SEL81 地址码SEL[2..0]的输入。时钟脉冲计数器CN8 的输出经过3 线—8 线译码器DECODER3_8 译码其输出信号Vss[7..0]接到八位数码管的阴极Vss7、Vss6、Vss5、Vss4、Vss3、Vss2、Vss1、Vss0 端，决定点亮哪位数码管。同时时钟脉冲计数器CN8 模块输出的信号也进入数据选择器SEL81 地址码SEL[2..0]的输入，进行输出数据的选择，其输出是Q[3..0]。八选一数据选择器SEL81 模块的输出是Q[3..0]再经过七段译码器DISP 模块，将其翻译成可以用数码显示管的数据。七段译码器DISP 模块的输出Q[6..0]分别经300 欧电阻接数码显示管的a～g 管脚。八选一数据选择器模块的输入端，可根据具体需要进行设计。
 
图 1.9 驱动八位数码管显示的整体电路