簡易數(shù)字電子時(shí)鐘的Multisim仿真設(shè)計(jì)

摘 要：鐘表的數(shù)字化給人們的生產(chǎn)與生活帶來了極大的方便，廣泛應(yīng)用于各類公共場(chǎng)所。文章設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字電子時(shí)鐘主要由數(shù)字集成芯片74LS160和邏輯門電路構(gòu)成，并用數(shù)碼管顯示。首先，在理論基礎(chǔ)上闡述數(shù)字電子技術(shù)中有關(guān)計(jì)數(shù)器的理論知識(shí)；其次，構(gòu)建簡易數(shù)字電子時(shí)鐘的總體設(shè)計(jì)方案；最后，采用Multisim10仿真軟件對(duì)各計(jì)數(shù)器電路和整體時(shí)鐘電路進(jìn)行仿真調(diào)試。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子時(shí)鐘；計(jì)數(shù)器；Multisim10

1 概述

數(shù)字電子時(shí)鐘是由數(shù)字電路構(gòu)成、有數(shù)字顯示特點(diǎn)的一種現(xiàn)代化的計(jì)時(shí)工具[1-3]，它顯示直觀、走時(shí)精準(zhǔn)，深受人們的喜歡，廣泛應(yīng)用于公交站、汽車站、圖書館、商店、大型廣場(chǎng)等公眾場(chǎng)合以及百姓家庭，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作和娛樂帶來了很大的便利[4-5]。

Multisim10是美國NI公司推出的用于電子電路仿真和設(shè)計(jì)的EDA工具軟件，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)高效的設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)[6-10]。其強(qiáng)大的虛擬儀器庫和仿真功能，為電路設(shè)計(jì)與分析創(chuàng)造了良好的環(huán)境，也提高了電路設(shè)計(jì)效率。

簡易數(shù)字電子時(shí)鐘的核心電路部分是計(jì)時(shí)和數(shù)字顯示兩個(gè)，本文應(yīng)用Multisim10仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)時(shí)鐘電路，能夠準(zhǔn)確而直觀地將時(shí)間的“時(shí)”“分”“秒”以數(shù)字方式顯示出來，并設(shè)計(jì)了時(shí)間校正電路使其準(zhǔn)確工作，該電路具有校時(shí)功能和整點(diǎn)自動(dòng)報(bào)時(shí)功能。盡管本文設(shè)計(jì)的數(shù)字時(shí)鐘與當(dāng)今社會(huì)正使用的數(shù)字時(shí)鐘差別較大，但研究其核心數(shù)字電路部分及擴(kuò)展其應(yīng)用，仍具有非常重要的指導(dǎo)意義[11]。

2 設(shè)計(jì)方案及電路框圖

數(shù)字時(shí)鐘是一個(gè)將時(shí)間的“時(shí)”、“分”、“秒”以數(shù)字的形式顯示于人的視覺器官的一種計(jì)時(shí)裝置，它的主要功能是計(jì)時(shí)和顯示，因此，簡易數(shù)字電子時(shí)鐘電路的主要電路設(shè)計(jì)包括標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)信號(hào)模塊、“時(shí)、分、秒”計(jì)數(shù)模塊、時(shí)間顯示模塊等電路的設(shè)計(jì)。其中，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)由555振蕩器經(jīng)分頻器得到，即1Hz的秒計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)；由于計(jì)時(shí)可能出現(xiàn)誤差，故在電路中增加時(shí)間校準(zhǔn)電路模塊。最后，在主電路正常運(yùn)行情況下，擴(kuò)展其整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能?？傮w電路框圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 各電路模塊的設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試

在Multisim10仿真平臺(tái)上搭建簡易數(shù)字電子時(shí)鐘的總設(shè)計(jì)仿真電路圖如圖2所示，其各電路模塊設(shè)計(jì)如下。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)

本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)由555振蕩器與RC組成的多諧振蕩電路產(chǎn)生，即1Hz的秒計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，作為總電路的計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖，也是擴(kuò)展電路所需要的工作信號(hào)。（見圖3）

該電路模塊設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：555多諧震蕩電路內(nèi)部的比較器靈敏度較高，并應(yīng)用差分電路形式，使其振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。缺點(diǎn)是：若要精確穩(wěn)定地輸出1Hz脈沖信號(hào)，對(duì)電容和電阻的數(shù)值精度要求很高。

3.2 計(jì)數(shù)顯示模塊

在時(shí)鐘的計(jì)數(shù)控制電路模塊中，有了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)“秒”計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)后，就可以按照“60秒為1分”、“60分為1時(shí)”、“24時(shí)為1天”的計(jì)數(shù)規(guī)則進(jìn)行計(jì)數(shù)電路模塊的設(shè)計(jì)。然后設(shè)計(jì)“時(shí)”、“分”、“秒”三個(gè)譯碼顯示電路，將“時(shí)”、“分”、“秒”的計(jì)數(shù)狀態(tài)在七段數(shù)碼管上顯示成直觀的數(shù)字符號(hào)。在本文設(shè)計(jì)中，采用十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器芯片74LS160N來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的十進(jìn)制功能和六進(jìn)制功能，其工作狀態(tài)表如表1所示，芯片引腳圖如圖4所示。

74LS160N的CLK是脈沖輸入端，RCO為進(jìn)位信號(hào)輸出端，ENP和ENT是計(jì)數(shù)的工作狀態(tài)端，CLR為清零端，LOAD為置數(shù)端，A～D是數(shù)據(jù)輸入端，QA～QD為輸出端。74LS160是一個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。

應(yīng)用芯片的異步清零功能，將芯片74LS160N的輸出端的0110（十進(jìn)制為6）用一個(gè)兩輸入的與非門74LS00引到CLR端即可置零，實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。

3.2.1 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示模塊

在計(jì)數(shù)顯示電路模塊中，分和秒的計(jì)數(shù)控制是一樣的，即六十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能，電路模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。設(shè)計(jì)中用兩片十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片74LS160N級(jí)聯(lián)，高位芯片進(jìn)行六進(jìn)制計(jì)數(shù)功能，低位芯片進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)范圍00-59的計(jì)數(shù)功能。設(shè)計(jì)時(shí)，將低位芯片的進(jìn)位輸出CO端接到高位芯片的時(shí)鐘脈沖信號(hào)輸入端CLK，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)在上升沿到來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到59時(shí)，再來一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，兩芯片都要清零，于是，應(yīng)用74LS160N的異步清零功能，當(dāng)高位芯片計(jì)數(shù)到6（即輸出狀態(tài)為0110）時(shí)，將輸出狀態(tài)通過一個(gè)兩輸入與非門引到兩芯片的異步清零端進(jìn)行復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。

3.2.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)顯示模塊

時(shí)計(jì)數(shù)顯示電路模塊也由兩片74LS160N芯片級(jí)聯(lián)產(chǎn)生，它的計(jì)數(shù)范圍是00-23，計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖信號(hào)來自分計(jì)數(shù)顯示電路的高位芯片的進(jìn)位輸出。該電路模塊的低位芯片計(jì)數(shù)為4（即輸出狀態(tài)為0100），高位芯片計(jì)數(shù)為2（即輸出狀態(tài)為0010）時(shí)，將輸出狀態(tài)通過一個(gè)兩輸入與非門引到兩芯片的異步清零端進(jìn)行復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)二十四制計(jì)數(shù)器功能，電路模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.3 校準(zhǔn)電路模塊

數(shù)字電子時(shí)鐘應(yīng)具有分校準(zhǔn)和時(shí)校準(zhǔn)功能，因此，應(yīng)截?cái)喾质缓蜁r(shí)十位的直接計(jì)數(shù)路徑，并增加秒脈沖計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)隨時(shí)切換電路。設(shè)計(jì)校時(shí)電路的關(guān)鍵，是通過開關(guān)按鍵，控制電路中“秒”到“分”、“分”到“時(shí)”的進(jìn)位輸入端的高低電平的變化，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)校準(zhǔn)“分”和“時(shí)”。下面以分校準(zhǔn)電路為例，如圖7所示。

3.4 整點(diǎn)報(bào)時(shí)模塊

電路設(shè)計(jì)在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始進(jìn)行整點(diǎn)報(bào)時(shí)，即當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，報(bào)時(shí)電路發(fā)出報(bào)時(shí)控制信號(hào)。當(dāng)時(shí)間在59分50秒到59分59秒期間時(shí)，分十位、分個(gè)位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計(jì)數(shù)器十位的Qc和QA、個(gè)位的QD和QA及秒計(jì)數(shù)器十位的Qc和QA相與，通過8輸入與非門74HC30芯片輸出，從而產(chǎn)生報(bào)時(shí)控制信號(hào)。整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能要求時(shí)，每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出鬧鈴聲。由原理可知當(dāng)分鐘計(jì)數(shù)到一個(gè)周期向前進(jìn)位時(shí)，蜂鳴器開始工作，電路模塊設(shè)計(jì)如圖8所示。

4 仿真結(jié)果及分析

將設(shè)計(jì)好的各電路模塊進(jìn)行組建，得到如圖2所示的數(shù)字電子時(shí)鐘仿真電路圖。按下仿真開始鍵，電路進(jìn)入時(shí)鐘計(jì)時(shí)狀態(tài)，通過“Pause Simulation”按鍵，得到以下仿真結(jié)果。（見圖9、圖10）

由以上仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的簡易數(shù)字電子時(shí)鐘能實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的正常功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文基于Multisim10仿真軟件，對(duì)簡易數(shù)字電子時(shí)鐘的各電路模塊單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)，較好地完成了電路功能的設(shè)計(jì)，并達(dá)到了基本設(shè)計(jì)要求。該電路設(shè)計(jì)是提升數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要方面，另外，即使在數(shù)字電路及其他更多的課程中涉及到的較為復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)中，文中較為清晰的設(shè)計(jì)構(gòu)架及思路也較強(qiáng)的參考借鑒價(jià)值。

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作者簡介：李玉姣（1986-），女，漢族，湖南邵陽人，碩士，助教，主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)及電子器件的應(yīng)用等研究方向。