簡易數(shù)字電子時鐘的Multisim仿真設(shè)計

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)用于各類公共場所。文章設(shè)計的簡易數(shù)字電子時鐘主要由數(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)計數(shù)器的理論知識；其次，構(gòu)建簡易數(shù)字電子時鐘的總體設(shè)計方案；最后，采用Multisim10仿真軟件對各計數(shù)器電路和整體時鐘電路進(jìn)行仿真調(diào)試。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子時鐘；計數(shù)器；Multisim10

1 概述

數(shù)字電子時鐘是由數(shù)字電路構(gòu)成、有數(shù)字顯示特點(diǎn)的一種現(xiàn)代化的計時工具[1-3]，它顯示直觀、走時精準(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、大型廣場等公眾場合以及百姓家庭，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)計的EDA工具軟件，可以實(shí)現(xiàn)計算機(jī)仿真設(shè)計與虛擬實(shí)驗(yàn)，是一個高效的設(shè)計仿真平臺[6-10]。其強(qiáng)大的虛擬儀器庫和仿真功能，為電路設(shè)計與分析創(chuàng)造了良好的環(huán)境，也提高了電路設(shè)計效率。

簡易數(shù)字電子時鐘的核心電路部分是計時和數(shù)字顯示兩個，本文應(yīng)用Multisim10仿真軟件設(shè)計了一個時鐘電路，能夠準(zhǔn)確而直觀地將時間的“時”“分”“秒”以數(shù)字方式顯示出來，并設(shè)計了時間校正電路使其準(zhǔn)確工作，該電路具有校時功能和整點(diǎn)自動報時功能。盡管本文設(shè)計的數(shù)字時鐘與當(dāng)今社會正使用的數(shù)字時鐘差別較大，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)計方案及電路框圖

數(shù)字時鐘是一個將時間的“時”、“分”、“秒”以數(shù)字的形式顯示于人的視覺器官的一種計時裝置，它的主要功能是計時和顯示，因此，簡易數(shù)字電子時鐘電路的主要電路設(shè)計包括標(biāo)準(zhǔn)脈沖計數(shù)信號模塊、“時、分、秒”計數(shù)模塊、時間顯示模塊等電路的設(shè)計。其中，標(biāo)準(zhǔn)時間計數(shù)脈沖信號由555振蕩器經(jīng)分頻器得到，即1Hz的秒計數(shù)脈沖信號；由于計時可能出現(xiàn)誤差，故在電路中增加時間校準(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)報時功能。總體電路框圖設(shè)計如圖1所示。

3 各電路模塊的設(shè)計及仿真調(diào)試

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

3.1 標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)脈沖信號

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

該電路模塊設(shè)計的優(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，對電容和電阻的數(shù)值精度要求很高。

3.2 計數(shù)顯示模塊

在時鐘的計數(shù)控制電路模塊中，有了時間標(biāo)準(zhǔn)“秒”計數(shù)脈沖信號后，就可以按照“60秒為1分”、“60分為1時”、“24時為1天”的計數(shù)規(guī)則進(jìn)行計數(shù)電路模塊的設(shè)計。然后設(shè)計“時”、“分”、“秒”三個譯碼顯示電路，將“時”、“分”、“秒”的計數(shù)狀態(tài)在七段數(shù)碼管上顯示成直觀的數(shù)字符號。在本文設(shè)計中，采用十進(jìn)制同步加法計數(shù)器芯片74LS160N來實(shí)現(xiàn)計數(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)位信號輸出端，ENP和ENT是計數(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是一個十進(jìn)制的計數(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)制計數(shù)功能。

3.2.1 六十進(jìn)制計數(shù)顯示模塊

在計數(shù)顯示電路模塊中，分和秒的計數(shù)控制是一樣的，即六十進(jìn)制計數(shù)功能，電路模塊設(shè)計如圖5所示。設(shè)計中用兩片十進(jìn)制計數(shù)芯片74LS160N級聯(lián)，高位芯片進(jìn)行六進(jìn)制計數(shù)功能，低位芯片進(jìn)行十進(jìn)制計數(shù)功能，從而實(shí)現(xiàn)計數(shù)范圍00-59的計數(shù)功能。設(shè)計時，將低位芯片的進(jìn)位輸出CO端接到高位芯片的時鐘脈沖信號輸入端CLK，計數(shù)脈沖信號在上升沿到來時計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)到59時，再來一個計數(shù)脈沖信號，兩芯片都要清零，于是，應(yīng)用74LS160N的異步清零功能，當(dāng)高位芯片計數(shù)到6（即輸出狀態(tài)為0110）時，將輸出狀態(tài)通過一個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)制計數(shù)功能。

3.2.2 二十四進(jìn)制計數(shù)顯示模塊

時計數(shù)顯示電路模塊也由兩片74LS160N芯片級聯(lián)產(chǎn)生，它的計數(shù)范圍是00-23，計數(shù)時鐘脈沖信號來自分計數(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數(shù)為4（即輸出狀態(tài)為0100），高位芯片計數(shù)為2（即輸出狀態(tài)為0010）時，將輸出狀態(tài)通過一個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)二十四制計數(shù)器功能，電路模塊設(shè)計如圖6所示。

3.3 校準(zhǔn)電路模塊

數(shù)字電子時鐘應(yīng)具有分校準(zhǔn)和時校準(zhǔn)功能，因此，應(yīng)截斷分十位和時十位的直接計數(shù)路徑，并增加秒脈沖計時信號與校正信號隨時切換電路。設(shè)計校時電路的關(guān)鍵，是通過開關(guān)按鍵，控制電路中“秒”到“分”、“分”到“時”的進(jìn)位輸入端的高低電平的變化，從而實(shí)現(xiàn)手動校準(zhǔn)“分”和“時”。下面以分校準(zhǔn)電路為例，如圖7所示。

3.4 整點(diǎn)報時模塊

電路設(shè)計在整點(diǎn)前10秒鐘內(nèi)開始進(jìn)行整點(diǎn)報時，即當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，報時電路發(fā)出報時控制信號。當(dāng)時間在59分50秒到59分59秒期間時，分十位、分個位和秒十位均保持不變，分別為5、9和5，因此可將分計數(shù)器十位的Qc和QA、個位的QD和QA及秒計數(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)生報時控制信號。整點(diǎn)報時的功能要求時，每當(dāng)數(shù)字鐘計時快到整點(diǎn)時發(fā)出鬧鈴聲。由原理可知當(dāng)分鐘計數(shù)到一個周期向前進(jìn)位時，蜂鳴器開始工作，電路模塊設(shè)計如圖8所示。

4 仿真結(jié)果及分析

將設(shè)計好的各電路模塊進(jìn)行組建，得到如圖2所示的數(shù)字電子時鐘仿真電路圖。按下仿真開始鍵，電路進(jìn)入時鐘計時狀態(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)計的簡易數(shù)字電子時鐘能實(shí)現(xiàn)時鐘的正常功能，達(dá)到設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文基于Multisim10仿真軟件，對簡易數(shù)字電子時鐘的各電路模塊單元進(jìn)行了設(shè)計，較好地完成了電路功能的設(shè)計，并達(dá)到了基本設(shè)計要求。該電路設(shè)計是提升數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際動手設(shè)計能力的一個重要方面，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)計中，文中較為清晰的設(shè)計構(gòu)架及思路也較強(qiáng)的參考借鑒價值。

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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。