基于Multisim14仿真設(shè)計的多功能數(shù)字電子鐘

金子涵 任致遠 史旭東 王勝鐸

摘 要：數(shù)字電子鐘是一種利用數(shù)字電子技術(shù)實現(xiàn)計時的鐘表。本文介紹了在Multisim 14仿真軟件上設(shè)計的滿足要求的可調(diào)鬧鐘功能數(shù)字鐘，對其設(shè)計原理、整體框圖和各單元電路做了詳細說明。利用Multisim軟件具有花費少、效率高、周期短，功能強等優(yōu)勢，可對數(shù)字電子鐘電路進行分層設(shè)計。將整機框圖拆分成多個單元電路，再將各單元電路連線成整機電路，結(jié)構(gòu)清晰，便于理解每個單元電路功能，使整機電路功能一目了然。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子鐘；Multisim 14；可調(diào)鬧鐘；反饋置數(shù)法；分層設(shè)計

0 引言

Multisim 14是美國NI公司研發(fā)的一款以Windows為操作平臺的EDA工具軟件[1]，可以對模擬、數(shù)字電路進行仿真與設(shè)計，具有豐富仿真分析能力，所以在電子技術(shù)領(lǐng)域以Multisim仿真軟件為平臺進行電路設(shè)計非常普遍。

數(shù)字電子鐘是一種以數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)計時的現(xiàn)代計數(shù)器，與傳統(tǒng)機械式時鐘相比，具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無機械裝置，使用壽命更長，因此得到了廣泛使用。從原理上講，數(shù)字電子鐘是一種典型數(shù)字電路，包括組合邏輯電路和時序電路[2]，所以，本文借助Multisim 14軟件仿真數(shù)字電路便捷高效的優(yōu)勢，進行模塊化電路設(shè)計，使得設(shè)計花費少、效率高、周期短。

1 設(shè)計任務(wù)

1.1 基本功能

1）應(yīng)用模擬振蕩電路實現(xiàn)正弦波時鐘信號發(fā)生，并作為數(shù)字鐘的時鐘信號。

2）實現(xiàn)數(shù)字時鐘計時功能，時間以24 min為1個周期。

3）用數(shù)碼管顯示分鐘、秒。

1.2 擴展功能

1）具有校時功能，可以對分鐘和秒單獨校時。

2）計時過程具有鬧鐘功能，到達指定時間（時間可選定）蜂鳴。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字電子鐘主要由6個單元電路構(gòu)成。分別為：石英晶體振蕩電路、分頻電路、計時電路、譯碼顯示電路、校時電路、鬧鐘電路。系統(tǒng)框圖如圖1。

系統(tǒng)工作原理：晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號，通過cd4060和74LS74構(gòu)成的分頻器電路分頻得到1 Hz秒脈沖，作為基準(zhǔn)脈沖信號，該信號經(jīng)過門電路與74HC161構(gòu)成的計數(shù)器電路產(chǎn)生8421BCD碼，再經(jīng)過譯碼器交由數(shù)碼管顯示。秒位累計達到60進位，分鐘滿24進位，以此循環(huán)。

如果數(shù)字電子鐘顯示的時間與標(biāo)準(zhǔn)時間不一致，可用校時電路進行校準(zhǔn)。自選時間的鬧鐘功能由撥碼開關(guān)和邏輯門構(gòu)成的拓展電路來實現(xiàn)。整機電路如圖2所示。

3 單元電路方案設(shè)計

3.1 石英晶體振蕩電路

石英晶體振蕩電路如圖3所示。通過石英晶體振蕩器輸出脈沖具有頻率精度高、受溫度影響小、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。選用體積小、抗沖擊性能好的音叉型石英諧振器，其諧振頻率為32.768 kHz，能產(chǎn)生穩(wěn)定的32.768 kHz的脈沖信號。

3.2 分頻電路

分頻電路如圖4所示。32.768 kHz的脈沖信號通過4060芯片進行11分頻，再接入2個D觸發(fā)器，構(gòu)成直接的4分頻電路，輸出1 Hz的秒脈沖作為秒計數(shù)器計時的基準(zhǔn)時鐘。

3.3 計數(shù)電路

數(shù)字電子鐘的秒位采用60進制，選用兩個74HC161計數(shù)器級聯(lián)并采用反饋置數(shù)法實現(xiàn)計數(shù)，電路如圖5所示。分頻器送出的秒脈沖經(jīng)計數(shù)器累計，當(dāng)計數(shù)值為59時，同步預(yù)置信號有效，下一時鐘同步預(yù)置零且向分鐘位送出進位脈沖信號，從而實現(xiàn)60進制。電子鐘的分鐘位是24進制，同樣選用兩個74HC161計數(shù)器級聯(lián)用反饋置數(shù)法計數(shù)，電路如圖6所示。秒位送出的進位脈沖信號累計達到“23”，秒數(shù)為“59”時，同步預(yù)置信號有效，并在下一時鐘同步預(yù)置零，并向更高位送出進位脈沖信號。

3.4 顯示譯碼電路

譯碼顯示電路分為譯碼驅(qū)動和數(shù)碼管顯示。譯碼驅(qū)動電路能將計數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為數(shù)碼管提供足夠的工作電流，保證其正常工作。實時顯示計數(shù)值的功能要求通過LED數(shù)碼管來實現(xiàn)。

3.5 校時電路

校準(zhǔn)電路如圖7所示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)時間不準(zhǔn)時，可手動選擇脈沖進行校時。選擇4分頻前的秒脈沖校時秒數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)分鐘的數(shù)值不準(zhǔn)。選擇1 Hz的進位脈沖，不必等秒計60次才進一次位。

3.6 鬧鐘電路

如圖8所示，數(shù)字電子鐘可以自選時間做為鬧鈴，顯示分鐘數(shù)碼管的各引腳通過撥碼開關(guān)連接5 V電源，將撥碼開關(guān)撥到選定的分鐘（即對應(yīng)的引腳為高電平），通過二輸入異或門將分鐘數(shù)碼管的高位和低位分別和撥碼開關(guān)的對應(yīng)引腳的電平進行異或運算，各個異或的輸出再接入或門，或門最后通過或非門連到鬧鐘。只有當(dāng)電子鐘計時到選定的分鐘時，數(shù)碼管的高電平與開關(guān)撥動情況對應(yīng)，異或門都傳遞出低電平，或門輸出低電平，再通過二輸入或非門，輸出高電平給蜂鳴器，蜂鳴器工作蜂鳴，持續(xù)1 min后停止。

4 整體電路調(diào)試

將上述各單元電路組合起來，可以得到數(shù)字電子鐘的整體電路。進行多功能數(shù)字電子鐘電路的仿真。由實驗結(jié)果觀察得到，顯示秒數(shù)的數(shù)碼管顯示從“00”到“59”計數(shù)，并在下一時鐘返回到“00”狀態(tài)，連續(xù)循環(huán)，構(gòu)成六十進制秒計數(shù)器。實驗可觀察得到，顯示分鐘的數(shù)碼管顯示從“00”到“23”計數(shù)，“23”狀態(tài)下一時鐘回到“00”狀態(tài)，不斷循環(huán)，構(gòu)成二十四進制分鐘計數(shù)器。將撥碼開關(guān)撥到選定的分鐘，當(dāng)時鐘計數(shù)到選定分鐘時，鬧鐘響起，下一分鐘自動關(guān)閉。仿真結(jié)果表明，電路實現(xiàn)了數(shù)字電子鐘的計時、校時、鬧鐘功能，完成設(shè)計任務(wù)。讀者朋友們也可以添加其他模塊來完善數(shù)字鐘的功能。

5 硬件調(diào)試

在本設(shè)計中，為了設(shè)計的順利進行，在焊接的時候，我們根據(jù)電路的工作原理進行分步調(diào)試，保證電路各項功能順利實現(xiàn)。電路調(diào)試總圖如圖9所示。

6 結(jié)束語

通過Multisim 14仿真軟件設(shè)計出各個單元模塊并搭建成一個多功能數(shù)字電子鐘電路，調(diào)試驗證了設(shè)計所要求完成的功能。設(shè)計復(fù)雜的電子電路時，可借助Multisim 14等仿真工具[4-5]，運用分層、分塊設(shè)計的思想，使得設(shè)計、仿真、測試更為便捷，具有更高的設(shè)計效率，進而提高團隊分工協(xié)作和解決實際問題的能力。

參考文獻：

[1] 陳建輝.Multisim軟件在《電工學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].信息與電腦（理論版），2018（9）：99-101.

[2] 李精華.任意進制計數(shù)器的仿真設(shè)計與制作[J].桂林師范高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2011（1）：149-151.

[3] 陳志貴，郭隱彪.Multisim在數(shù)字電子設(shè)計中的應(yīng)用技巧P126[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007（2）：148-149.

[4] 張繼，儲開斌，張小芳.基于 Multisim 的電子技術(shù)課程設(shè)計[J].實驗室科學(xué)，2018（1）：60-63.

[5] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].6版.北京：高等教育出版社，2016： 271-310.