基于Proteus仿真軟件的數字電子時鐘設計與實現

李菲 張曉榮

摘要：數字電子時鐘是一種常見的電子設備，在介紹數字電子時鐘基本工作原理和功能要求的基礎上，使用Proteus仿真軟件對數字電子時鐘電路進行設計。在設計過程中，通過選擇合適的中規模集成電路芯片、外圍元器件和連線方式，設計了一款計時電路，用于實現數字電子時鐘的時、分和秒的計數、顯示以及時、分電路的校時功能。通過仿真驗證，確保了數字電子時鐘設計的正確性和可靠性，同時加深了對數字電路理論知識的理解。

關鍵詞：數字電子時鐘；Proteus；計數器；反饋識別碼；校時

中圖分類號：TP331.2? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）34-0041-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

數字電子時鐘在現代社會中扮演著不可或缺的角色，廣泛應用于個人家庭、公共場所、工業生產等各種領域，便于人們更好地掌握時間、提高工作效率，為日常生活帶來便利和舒適。數字電子時鐘是一種以數字形式顯示時間的時鐘裝置，既可以通過數字顯示方式，以小時、分鐘和秒為單位，清晰直觀地展示當前的時間信息，又可以對時、分、秒進行校時，獲取準確的時間[1]。

數字電子時鐘一般由時鐘源、計數器、譯碼器、顯示器及校時等部分組成，其工作原理不僅涵蓋了數字電路的基本組成部分，還可以將零散的數字電路知識有機、系統地聯系起來，既有助于培養綜合分析和調試電路的能力，又可將理論知識運用到實踐中，提升電路設計和調試方面的技能 [2]。

1 Proteus仿真軟件介紹

Proteus仿真軟件是由英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，是一款常用的電子設計自動化（EDA） 軟件，它主要用于電路設計、仿真和PCB布局設計。Proteus提供了一個強大的圖形化界面，允許用戶設計和模擬各種電子電路，包括模擬電路、數字電路和混合信號電路，用戶可以添加和連接各種電子元件，并進行仿真分析以驗證電路的功能和性能。

Proteus軟件的用戶界面主要由標題欄、菜單欄、工具欄、預覽窗口、元件選擇按鈕、元件列表、模式工具欄、仿真調試按鈕、工作區等部分組成，如圖1所示。點擊元件選擇按鈕中的放置元件按鈕“P”，則會彈出元件選擇窗口，在左上角“Keywords”元件關鍵字處輸入需要的元件的英文名稱或英文關鍵字，如想要搜索電阻可輸入電阻的英文關鍵字“res”，界面的正中間則會出現元件搜索結果，選中需要的元件，右側上方則會出現該元件預覽圖，右側下方則會出現該元件封裝圖，點擊“確定”按鈕，則選中的元件將會出現在用戶界面的元件列表區。在進行原理圖繪制時，可將元件列表區中的元件選中并放置在原理圖用戶界面的工作區，進行相關屬性設置并完成相應的連線，便可進行仿真調試，觀察電路的運行狀態。基于Proteus仿真軟件的電路設計具有一定的實用價值和參考意義，可為電路的設計和開發提供有效的工具和指導。

2 數字電子時鐘的設計

2.1 數字電子時鐘結構框圖

數字電子時鐘能夠以小時、分鐘、秒為單位進行數字符號顯示，同時為了確保時間的準確性和一致性，具有“時”和“分”的校正功能[3]。數字電子時鐘電路設計框圖如圖3所示，計數器是數字電子時鐘的核心器件，時計數器是24進制，分計數器和秒計數器是60進制，而計數器的工作又離不開時鐘信號，晶振產生的脈沖信號經過分頻后，可得到1Hz的時鐘脈沖信號，送入秒計數器進行秒計數。在秒計數器完成一個計數循環時，秒計數器可向分計數器產生一個秒進位信號，使分計數器開始計數；在分計數器完成一個計數循環時，分計數器可向時計數器產生一個分進位信號，使時計數器開始計數。所有的計數結果可通過譯碼器驅動數碼管顯示出數字符號。當數字電子時鐘顯示異常時，可通過秒信號對分計數器和時計數器進行校正。故可通過數據選擇器選擇分計數器和時計數器的功能，若數據選擇器選中秒或分進位信號進行輸出，則數字電子時鐘正常走時；若數據選擇器選中秒信號進行輸出，則對數字電子時鐘的分計數電路或者時計數電路進行校準。

2.2 譯碼顯示電路的設計

譯碼顯示電路采用譯碼器來驅動數碼顯示管，將時、分、秒計數器的輸出狀態轉換為七段數碼管所需的電信號來顯示十進制的數字符號，一個譯碼器驅動一個數碼顯示管顯示一位數字符號。七段數碼顯示管由a、b、c、d、e、f、g七段發光二極管構成，有共陽極連接方式和共陰極連接方式。在本設計中，采用共陽極數碼顯示管，即七段發光二極管的陽極連接在一起，接高電平信號，若某一段發光二極管的陰極接低電平信號，則二極管導通，有電流流過，該段發光二極管被點亮，如圖4所示。

低電平輸出的譯碼器可以驅動共陽極數碼管，本設計選用74LS247譯碼器。74LS247是一款集成4線—7段譯碼器，其中A、B、C、D為譯碼地址輸入端，為BCD碼輸入；QA～QG為7段輸出，低電平有效，與共陽極數碼管相連；/BI為消隱輸入端、/RBO為脈沖消隱輸出端、/RBI為脈沖消隱輸入端、/LT為測試輸入端，均為低電平有效，在不使用時可接高電平信號。輸入端的BCD碼信號可通過74LS247譯碼器驅動共陽極數碼管顯示數字符號，譯碼顯示電路設計圖如圖5所示。

2.3 計數器的設計

計數器是數字系統中應用場合較多的時序邏輯電路，常用于對時鐘脈沖個數進行計數。隨著集成電路的發展，使用集成計數器芯片可構建任何進制的計數器，這可以通過兩種不同的方法實現，一種是反饋清零法，另一種是反饋置數法[4]。本設計采用反饋清零法，通過控制計數器的清零端口，在計數過程中截取某個特定的中間狀態，將計數器從該狀態返回到清零端口并重新進行計數，這樣就可以實現清零操作，并使計數器重新開始計數。

數字電子時鐘的計時電路由時計數電路、分計數電路、秒計數電路三部分組成，秒計數和分計數電路是60進制計數，時計數電路則是24進制計數。一般采用兩個十進制計數器級聯便可構成60進制或24進制計數器。采用不同型號的集成電路芯片，連線方式也不盡相同。本設計采用74LS90集成計數器芯片來實現時、分、秒的計數。

1） 74LS90芯片介紹

74LS90是一款二-五-十進制異步加法計數器，具有雙時鐘輸入，并具有清除和置數等功能。該芯片具有14個管腳，其中CKB、CKA端為脈沖輸入端；R0（1）、R0（2）為清零端口；R9（1）、R9（2）為置數端口；Q0、Q1、Q2、Q3為數據輸出端口，用以連接譯碼器74LS247的輸入端口；4號管腳和13號管腳懸空；5號管腳接電源VCC；10號管腳接地GND，如圖6所示。當時鐘脈沖信號從CKA端口輸入，Q0輸出為二進制計數；當時鐘脈沖信號從CKB端口輸入，Q3、Q2、Q1輸出為五進制計數；當時鐘脈沖信號從CKA端口輸入，且Q0與CKB相連，則輸出Q3、Q2、Q1、Q0為十進制計數。由于74LS90是一款異步計數器，采用反饋清零法進行級聯使用，若構成N進制計數器，則其有效循環狀態為0～N-1，產生清零信號的狀態，即反饋識別碼為N，當計數至N時，將N反饋至R0（1）、R0（2）清零端口，計數器將被復位，N狀態有一個極短暫的過程，一旦計數器復位，該狀態便消失了，計數器則從零再次開始計數。

2） 六十進制計數器的設計

數字電子時鐘的“分”和“秒”均采用的是60進制計數，可采用兩片74LS90級聯成60進制。首先需要將兩片74LS90連接成十進制計數，將Q0接至CKB端口，實現十進制輸出。U1為十位計數，U2為個位計數，當來一個時鐘脈沖信號，計數器加1，故U2芯片的14號引腳CKA接外部脈沖信號，U2芯片為十進制計數，當從0計數至9時，再來一個時鐘脈沖，需要向高位進1，故需要將U2的最高位輸出Q3連接至U1芯片的脈沖信號輸入端CKB。十位計數芯片U1需要實現六進制計數，故6個輸出有效狀態為0000～0101，當反饋識別碼為0110時，U1需被強制清零，即當Q2=1且Q1=1時，U1清零，可將Q2和Q1分別與U1清零端R0（1）、R0（2）相連，從而實現六進制計數，60進制計數器的設計原理圖如圖7所示。

3） 二十四進制計數器的設計

數字電子時鐘的“時”采用的是24進制計數，故也需要兩片74LS90芯片級聯來實現，24進制計數器的設計原理圖如圖8所示。首先需要將兩片74LS90連接成十進制計數，將Q0接至CKB端口，實現十進制輸出。U1為高位，U2為低位，低位U2的最高位輸出Q3連接至U1的脈沖輸入端口CKA；當反饋識別碼為“0010 0100”時，即U1計數至“0010”且U2計數至“0100”時，計數器將被清零，故可將芯片U1的Q1和芯片U2的Q2分別與U1、U2清零端R0（1）、R0（2）相連，當計數至“0010 0100”時，瞬間將計數器清零，計數器則從零開始再次進行計數。

2.4 校時電路的設計

當數字電子時鐘剛開啟使用或者出現時間誤差時，需要對數字電子時鐘進行校準。時間校準包括對小時和分鐘進行校準，同時也可以對秒進行校準。若對秒電路進行校準，則校準的脈沖頻率必須大于秒電路的脈沖頻率，秒電路正常走時的脈沖頻率為1Hz，則校準頻率必須大于1Hz，校準脈沖頻率較快，故一般情況下不對秒電路進行校準[5]。

分計數器的時鐘信號是秒計數器的進位信號，即60秒進位一次；時計數器的時鐘信號是分計數器的進位信號，即60分鐘進位一次，若想對分計數器和時計數器進行校時，需要改變兩個計時電路的時鐘信號，讓它們的計數頻率變得很快，在這里可以選用秒脈沖信號作為時鐘信號，來一次秒脈沖信號，分計數器或時計數器加1，直至跳變到標準時間，然后再切換到原來的脈沖信號進行正常計時。需要在秒信號和進位信號之間進行選擇，故可采用數據選擇器來實現。本設計采用集成電路芯片74LS153，74LS153為雙4選1數據選擇器，其作用相當于兩個單刀四擲開關，其中X0～X3為數據輸入端，/E為選通輸入端，B、A為地址輸入端，兩路數據選擇器共用地址輸入端。當/E為低電平信號時，數據選擇器正常工作，Y輸出被選數據；當/E為高電平信號時，數據選擇器無法工作。

校時電路的設計原理圖如圖9所示，第1路數據選擇器用來校驗分計數器，第2路數據選擇器用來校驗時計數器。當地址輸入端B、A為“11”時，1X3和2X3有效，1路輸出1Y=1X3，輸出秒向分的進位信號，2路輸出2Y=2X3，輸出分向時的進位信號，計數器正常走時。當地址輸入端B、A為“10”時，1X2和2X2有效，1路輸出1Y=1X2，輸出秒脈沖信號，2路輸出2Y=2X2，輸出分向時的進位信號，時計數器正常走時，分計數器實現校驗功能。當地址輸入端B、A為“01”時，1X1和2X1有效，1路輸出1Y=1X1，輸出秒向分的進位信號，2路輸出2Y=2X1，輸出秒脈沖信號，分計數器正常走時，時計數器實現校驗功能。

3 基于Proteus軟件的數字電子時鐘設計

基于數字電子時鐘的設計原理，在Proteus軟件中進行原理圖的搭建并進行仿真，仿真電路如圖10所示。芯片U11和U12兩片74LS90計數器連接成24進制計數，從而與兩片74LS247譯碼器相連，驅動兩個共陽極數碼管顯示小時計時；芯片U9、U10兩片74LS90計數器連接成60進制計數，從而與兩片74LS247譯碼器相連，驅動兩個共陽極數碼管顯示分鐘計時；芯片U7、U8兩片74LS90計數器連接成60進制計數，從而與兩片74LS247譯碼器相連，驅動兩個共陽極數碼管顯示秒計時，秒電路的時鐘脈沖信號為外部輸入的標準1Hz脈沖信號。U13為雙路四選一數據選擇器74LS153，參考圖9所示的接法分別與時、分、秒計數電路進行相連。

機械開關SW1和SW2將產生電平信號從而控制數據選擇器的地址輸入端，但機械開關通常都會存在一個抖動問題，即機械開關的一次閉合有可能產生兩個及以上的有效脈沖信號，這將不利于時間的校正。故為了消除機械開關的抖動問題，選用一顆74LS175集成D觸發器芯片U14，將機械開關的輸出經過D觸發器連接至數據選擇器的地址輸入端，從而確保數據選擇器U13的地址輸入端S1和S2有且僅有一個有效脈沖信號，從而對數字電子時鐘進行準確的校時。

4 結論

數字電子時鐘是一種計時裝置，具有時、分、秒計時功能和顯示時間功能。本文在Proteus仿真軟件中，利用中小規模集成電路74LS247譯碼器、74LS90計數器、74LS153數據選擇器、74LS175 D觸發器等芯片以及外圍電路設計了一款數字電子時鐘，可以實現正常走時以及時間校準功能，具有更高的準確性和直觀性。同時通過Proteus軟件仿真電路，可以更加直觀、深刻地理解組合邏輯電路和時序邏輯電路在實際應用中的工作原理，有助于理解數字電子時候的設計原理和運行過程，并對電路的功能和準確性進行測試和驗證。

參考文獻：

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[3] 李玉姣.簡易數字電子時鐘的Multisim仿真設計[J].科技創新與應用，2017（18）：42-44.

[4] 許春香，田偉華.數字電子技術[M].西安：西北工業大學出版社，2017.

[5] 張宇，陳靜，龍波，等.一種數字時鐘的校準方法及驗證裝置[J].計量學報，2020，41（12）：1544-1551.

【通聯編輯：梁書】