基于Multisim 的數(shù)字鐘的設計與仿真

楊東霞 姜云杰

1.曲靖師范學院20111411 班；2.曲靖師范學院

數(shù)字鐘由脈沖發(fā)生器、計數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和校準電路組成。本文分析了一個數(shù)字鐘設計的基本原理，該數(shù)字鐘具有正常計時、校時的功能，并給出了通過Multisim軟件仿真的過程及結(jié)果。實驗證明，通過Multisim 系統(tǒng)來對電路進行仿真及有快捷、方便、靈活、不受硬件限制等優(yōu)點，有著非常現(xiàn)實的意義。

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術實現(xiàn)計時的電子裝置，在日常生活使用極為廣泛。多功能的數(shù)字鐘具有計時、定時報警、按時打鈴、時間程序自動控制、定時廣播等功能。與傳統(tǒng)的機械鐘相比，它具有走時精準、顯示直觀、噪音低、自動調(diào)節(jié)等優(yōu)點。數(shù)字鐘的設計需用到模擬電子與數(shù)字電子技術，但主要部分是數(shù)字電路部分，且可使用集成芯版完成大部分設計。Multisim 作為一種高效的設計與仿真平臺，其強大的虛擬儀器庫和軟件仿真功能，為電路設計提供了先進的設計理念和方法，可彌補常規(guī)實驗室因硬件不足的缺點。

總體設計方案

數(shù)字鐘主要由以下幾部分組成：秒信號發(fā)生器、計數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路、校時電路，其原理如圖1 所示。

基本原理如下：由555 定時器構成晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的秒脈沖信號，作為計時的基準信號。計數(shù)器分三個：秒計數(shù)器、分計數(shù)器和時計數(shù)器，其中秒和分計數(shù)和器都是60 進制，時計數(shù)器為24 進制。秒計滿 60 后向分計數(shù)器進位，分計數(shù)器計滿 60 后向小時計數(shù)器進位，小時計數(shù)器按照“24 翻 1”的規(guī)律計數(shù)，到小時計數(shù)器也計滿后，系統(tǒng)自動復位重新開始計數(shù)。計數(shù)器的輸出經(jīng)七段BCD 譯碼器譯碼后送到數(shù)碼顯示器顯示。計時出現(xiàn)誤差時可以用校時電路進行校時。

設計原理

秒脈沖信號發(fā)生器

由555 定時器和外接元件R1、R2、C 構成多諧振蕩器，如圖2 所示。腳2 與腳6 直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2 向C 充電，以及C 通過R2 向放電端Dc 放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容C 在2/3Vcc 和1/3Vcc 之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對應的波形如圖3 所示。

圖1 數(shù)字鐘電路框圖

圖2 555 構成多諧振蕩器

圖3 多諧振蕩器的波形圖

輸出信號的時間參數(shù)是：T=tw1+tw2，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C 。其 中，tw1 為VC 由1/3Vcc 上升到2/3Vcc 所需的時間，tw2 為電容C 放電所需的間。555 電路要求R1 與R2 均應不小于1KΩ，但兩者之和應不大于3.3MΩ。

現(xiàn)在要用多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為1Hz 的脈沖信號，由上面的三個表達式可得T=0.7（R1+2R2）C.若選擇R1=108K R2=100K，C=10nF 可求得T 約為1mS，則輸出信號頻率約為1KHz。選擇此參數(shù)的多諧振蕩器可作為脈沖通過三個74LS90 進行十進制分頻即可得到秒脈沖。

計時電路

計時電路分為三個部分：秒計時、分計時和小時計時電路。其中秒和分計時電路的設計是一樣的，都是60 進制計數(shù)器，由一個十進制計數(shù)器和一個六進制計數(shù)器串聯(lián)而成的，在電路的設計中采用的是集成器件74LS161N的反饋置數(shù)法來實現(xiàn)十進制功能和六進制功能，根據(jù)74LS161 的結(jié)構把輸出端的0101（十進制為5）用一個與非門74LS00 引到Load 端便可置0，這樣就實現(xiàn)了六進制計數(shù)。同樣，在輸出端的1001（十進制為9）用一個與非門74LS00 引到Load 端便可置0，這樣就實現(xiàn)了十進制計數(shù)。在分和秒的進位時，用秒計數(shù)器的Load 端接分計數(shù)器的CLK 控制時鐘脈沖，脈沖在上升沿來時計數(shù)器開始計數(shù)，時計數(shù)器可由兩個十進制計數(shù)器串接并通過反饋接成24 制計數(shù)器。

圖4 校時校分電路

圖5 秒脈沖信號發(fā)生器仿真圖

圖6 電子數(shù)字鐘總仿真圖

譯碼顯示電路

譯碼電路的功能是將“秒”、“分”、“時”計數(shù)器中每個計數(shù)器的輸出狀態(tài)（8421 碼），翻譯成七段數(shù)碼管能顯示十進制數(shù)所要求的電信號，然后再經(jīng)數(shù)碼管把相應的數(shù)字顯示出來。

校時電路

當數(shù)字鐘走時出現(xiàn)誤差時，需要校正時間。校時控制電路實現(xiàn)對“秒”、“分”、“時”的校準。調(diào)時調(diào)分的原理是將“時”“分”計時電路原來所接的進位信號切換為單脈沖，各通過一個單刀雙擲開關實現(xiàn)信號切換。單脈沖由一個帶彈簧的開關模擬，把它接在與電源相連的線路中，當開關按下去時線路連通為高電平，彈起時線路斷開為低電平，開關一次按下和彈起就是一個下降沿脈沖，可以使計時器計數(shù)加1，這樣可以通過這個開關調(diào)時和調(diào)分。電路圖如4 所示。

數(shù)字鐘仿真與測試

秒脈沖發(fā)生器仿真結(jié)果

按2.1 節(jié)所討論的原理，設計的秒脈沖信號發(fā)生器的仿真電路如圖5 所示。

仿真分析應遵從一定的步驟和方法。仿真開始前可雙擊儀器圖標打開儀器面板。準備觀察被測試波形。按下程序窗口右上角的啟動／停止開關狀態(tài)為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動／停止升關狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動后，需要調(diào)整示波器的時基和通道控制，使波形顯示正常。

為了便于觀察特把頻率加大。通過實驗觀察，所設計的電路可以產(chǎn)生方波。

計時、校時電路仿真

按上述討論將各部份電路結(jié)合，形成數(shù)字鐘綜合電路，仿真電路圖如圖6 所示。點擊運行后，可以看到秒計數(shù)計到59 后可以向分計數(shù)器進位，電路運行正常。

校時的具體設計方法是：用一個單刀雙擲開關切換計數(shù)功能與校時功能，另一端接計數(shù)器的脈沖輸入端，開關置于函數(shù)發(fā)生器這一端便可以校時，置于計數(shù)器的進位端便是計時。不校正時間時開關都應打在與非門的那一端。通過仿真實驗得知，校時、計時功能正常進行。

電路功能與特性總結(jié)

本設計的數(shù)字鐘能經(jīng)振蕩分頻器、計數(shù)器、譯碼和顯示電路將時間“時”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，并且需要校正電路使其準確工作，控制較簡單。

因篇幅原因，本文略去了整點報時電路、清零電路的設計與討論，實際可加上這部分電路，可使數(shù)字鐘功能更強大。

調(diào)試時有的器件在理論上可行，但在實際運行中就可能一下無法看到效果，所以得更投一下器件，或重新接線以使電路正常運行。Multisim 軟件有時會出問題，在理論上可行的電路在調(diào)試中未必能顯示出來，這就需要耐心、仔細地分析和解決問題，不斷地嘗試才能得出正確的答案。