基于Multisim的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)(定稿)

1、 基于multisim的數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)趙娟 （安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院 安徽 安慶 246011）指導(dǎo)老師：朱德權(quán) 摘要：本文首先使用multisim10.0創(chuàng)建了數(shù)字時(shí)鐘的總電路圖，然后用該軟件中的仿真功能進(jìn)行仿真。數(shù)字時(shí)鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的一種裝置。設(shè)計(jì)中考慮到一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘需要振蕩器，計(jì)數(shù)器，譯碼器和顯示器，精確時(shí)間到“時(shí)”“分”“秒”，并具有通過(guò)數(shù)字顯示的功能。數(shù)字時(shí)鐘應(yīng)用廣泛，具有走時(shí)精確，方便簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際生活著有著非?，F(xiàn)實(shí)且重要的意義。在本文中，multisim10.0的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘，由數(shù)字集成電路，數(shù)碼顯示管組成。 關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘，振蕩器，計(jì)數(shù)

2、器譯碼，顯示，仿真 1 引言 時(shí)間對(duì)于人們來(lái)說(shuō)總是那么的寶貴，工作的忙碌性和繁雜性容易使人們忘記當(dāng)前的時(shí)間。于是，20世紀(jì)末，,電子技術(shù)有了飛快地發(fā)展，不僅在通信技術(shù)上用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，數(shù)字時(shí)鐘相比模擬鐘能給人一種一目了然的感覺(jué)，它不僅可以同時(shí)顯示時(shí)、分和秒。數(shù)字時(shí)鐘具有走時(shí)精確，方便簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于multisim軟件進(jìn)行數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)和仿真。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的方便，而且與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)、無(wú)需人的經(jīng)常調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)涉及到模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)，其中絕大部分是數(shù)字部分

3、、邏輯門電路、數(shù)字邏輯表達(dá)式、計(jì)算真值表與邏輯函數(shù)間的關(guān)系、編碼器、譯碼器顯示等基本原理?，F(xiàn)在主要用各種芯片實(shí)現(xiàn)其功能，更加方便和準(zhǔn)確。multisim10.0作為一種高效的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。其強(qiáng)大的虛擬儀器庫(kù)和軟件仿真功能，為電路設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法。2 設(shè)計(jì)思路 1).由秒時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、計(jì)時(shí)電路構(gòu)成電路。2).秒時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器可由555定時(shí)器構(gòu)成。3).計(jì)時(shí)電路中采用兩個(gè)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器分別完成秒計(jì)時(shí)和分計(jì)時(shí)；24進(jìn)制計(jì)數(shù)器完成時(shí)計(jì)時(shí)；采用譯碼器將計(jì)數(shù)器的輸出譯碼后送七段數(shù)碼管顯示。3 主要內(nèi)容熟悉multisim10.0仿真軟件的應(yīng)用；設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字時(shí)鐘，能獨(dú)立完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；

4、用multisim10.0仿真實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘的功能。4 數(shù)字時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘電路主要由時(shí)、分、秒三部分組成，秒時(shí)鐘電路主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管組成，秒計(jì)數(shù)周期60s。同樣分時(shí)鐘電路由計(jì)數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管組成，計(jì)數(shù)周期為60min，與秒時(shí)鐘電路不同的是脈沖信號(hào)由秒時(shí)鐘電路提供。時(shí)時(shí)鐘電路采用同樣的設(shè)計(jì)，計(jì)數(shù)周期為24h。4.1 數(shù)字時(shí)鐘秒脈沖信號(hào)的設(shè)計(jì) 振蕩器可由晶振組成，也可以由555與rc組成的多諧振蕩器組合而成。由555定時(shí)器得到1hz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)和提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)。由555定時(shí)器構(gòu)成的1hz秒時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，下面的電路圖產(chǎn)生1

5、hz的脈沖信號(hào)作為總電路的初輸入時(shí)鐘脈沖。由555定時(shí)器得到1hz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)和提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)。 圖1 秒時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器利用555多諧振蕩器，優(yōu)點(diǎn)：555內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。缺點(diǎn)：要精確輸出1hz脈沖，對(duì)電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，所以輸出脈沖既不夠準(zhǔn)確也不夠穩(wěn)定.4.2 器件74ls160分析在數(shù)字鐘的控制電路中，分和秒的控制都是一樣的，都是由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成的，在電路的設(shè)計(jì)中采用的是統(tǒng)一的器件74ls160d的反饋置數(shù)法來(lái)實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制功能和六進(jìn)制功能，根據(jù)7

6、4ls160d的結(jié)構(gòu)把輸出端的0110（十進(jìn)制為6）用一個(gè)與非門74ls00引到clr端便可置0，這樣就實(shí)現(xiàn)了六進(jìn)制計(jì)數(shù)。由兩片十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74ls160級(jí)聯(lián)產(chǎn)生，采用的是異步清零法。 表1 74ls160真值表 clr load enp ent clka b c dqa qb qc qd 0xxxxx x x x0 0 0 010xxx x x xa b c d1111x x x x 計(jì)數(shù)圖2 74ls160n同樣，在輸出端的1001（十進(jìn)制為9）用一個(gè)與非門74ls00引到load端便可置0，這樣就實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制計(jì)數(shù)。在分和秒的進(jìn)位時(shí)，用秒計(jì)數(shù)器的load端接分計(jì)數(shù)器的clk控制時(shí)鐘

7、脈沖，脈沖在上升沿時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。時(shí)計(jì)數(shù)器可由兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器串接并通過(guò)反饋接成二十四制計(jì)數(shù)器。由計(jì)數(shù)器得到的4位二進(jìn)制碼的必須通過(guò)譯碼后轉(zhuǎn)為人們習(xí)慣的數(shù)字顯示。如12：54：30的二進(jìn)制碼為00010010：01010100：00110000。秒信號(hào)經(jīng)秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器之后，分別得到“秒”個(gè)位、十位、“分”個(gè)位、十位以及“時(shí)”個(gè)位、十位的計(jì)時(shí)輸出信號(hào)，然后送至顯示電路，以便實(shí)現(xiàn)用數(shù)字顯示時(shí)、分、秒的要求?！懊搿焙汀胺帧庇?jì)數(shù)器應(yīng)為六十進(jìn)制，而“時(shí)”計(jì)數(shù)器應(yīng)為二十四進(jìn)制。采用10進(jìn)制計(jì)數(shù)器74ls160來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。4.3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)4.3.1六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)于74l

8、s160計(jì)數(shù)，如圖所示，分、秒計(jì)數(shù)電路由以下電路組成。兩片74ls160，再加上一片74ls13,從而構(gòu)成60進(jìn)制計(jì)數(shù)。如圖所示當(dāng)十位u4計(jì)數(shù)為2，個(gè)位u5計(jì)數(shù)為5時(shí)電路如下： 圖3 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器4.3.2 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)計(jì)時(shí)電路與分、秒計(jì)時(shí)電路相比，首先就是觸發(fā)信號(hào)來(lái)源于分計(jì)時(shí)電路的進(jìn)位，其計(jì)時(shí)范圍為0-23。故在前面的基礎(chǔ)上只需修改計(jì)時(shí)范圍即可。如圖所示，時(shí)計(jì)數(shù)電路由u4和u5倆部分組成。當(dāng)時(shí)個(gè)位u5計(jì)數(shù)為8，時(shí)十位u4計(jì)數(shù)為0時(shí)電路如下圖所示：圖4 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器4.4 計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)4.4.1秒計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)秒計(jì)時(shí)電路計(jì)數(shù)周期為60s，觸發(fā)信號(hào)由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器提供，當(dāng)計(jì)數(shù)值為5

9、9時(shí)，下一次觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，向前進(jìn)位并對(duì)計(jì)數(shù)值清零同時(shí)開始進(jìn)入下一個(gè)計(jì)數(shù)周期。秒計(jì)時(shí)電路如下圖：圖5 秒計(jì)時(shí)電路分計(jì)時(shí)電路與秒計(jì)時(shí)電路大致相同。4.4.2時(shí)計(jì)時(shí)電路的設(shè)計(jì)在數(shù)字電子時(shí)鐘中，時(shí)計(jì)時(shí)電路計(jì)數(shù)周期為24h，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)1，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到23時(shí)，下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)輸入時(shí)，計(jì)數(shù)器清零同時(shí)開始進(jìn)入下一個(gè)計(jì)數(shù)周期。時(shí)計(jì)時(shí)電路的電路設(shè)計(jì)原理圖如下 圖6 時(shí)計(jì)時(shí)電路4.5數(shù)字時(shí)鐘電路總設(shè)計(jì)數(shù)字時(shí)鐘系統(tǒng)組成利用上面的六十進(jìn)制和二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器子電路構(gòu)成的數(shù)字鐘系統(tǒng)如圖所示 圖7 數(shù)字電路系統(tǒng)以上電路可完成計(jì)時(shí)周期為24h，可以準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，具有“時(shí)”（00-23）“分”（00-59）“秒”（

10、00-59）數(shù)字顯示。4.6 電路誤差分析由于555振蕩器的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化的影響，而且要精確輸出1hz脈沖，對(duì)電容和電阻的數(shù)值精度要求很高，輸出脈沖既不夠準(zhǔn)確也不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致后續(xù)整體電路都產(chǎn)生了誤差，使得計(jì)時(shí)時(shí)間不夠精準(zhǔn)。所以調(diào)試時(shí)有的器件在理論上可行，但在實(shí)際運(yùn)行中無(wú)法看到與理論完全相符合的結(jié)果，所以需要調(diào)整很多器件的參數(shù)，有時(shí)無(wú)法找出錯(cuò)誤便更換器件重新接線以使電路正常運(yùn)行。multisim10.0軟件有時(shí)會(huì)出問(wèn)題，在理論上可行的電路在調(diào)試中未必能精確顯示，這就需要耐心、仔細(xì)地分析和解決問(wèn)題，不斷地嘗試才能得出。在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電路通過(guò)模擬仿真分析，不符合設(shè)計(jì)要求，可通過(guò)逐漸改

11、變?cè)骷?shù)，或更改元器件型號(hào)，使設(shè)計(jì)符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對(duì)更改的電路立即進(jìn)行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。在此次仿真中就是經(jīng)過(guò)各器件參數(shù)的調(diào)試以及電路圖的略微改進(jìn)，使得顯示結(jié)果才慢慢偏向于真實(shí)精確的數(shù)值。5 仿真調(diào)試基于multisim10的數(shù)字電子鐘的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基本的時(shí)鐘計(jì)時(shí)，然后將時(shí)，分，秒的各個(gè)部分連接在一起的整機(jī)連調(diào)的電路圖在multisim10.0平臺(tái)上進(jìn)行仿真。 multisim10.0是一個(gè)電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件，其元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。有超強(qiáng)板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包

12、含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。multisim10.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析的基本步驟為:設(shè)計(jì)創(chuàng)建仿真電路、原理圖電路圖、選項(xiàng)的設(shè)置、使用仿真儀器、設(shè)定仿真分析方法，啟動(dòng)multisim10.0仿真。仿真分析開始前可雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板。準(zhǔn)備觀察被測(cè)試波形。按下程序窗口右上角的啟動(dòng)停止開關(guān)狀態(tài)為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動(dòng)停止升關(guān)狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動(dòng)后，需要調(diào)整示波器的時(shí)基和通道控制，使波形顯示正常。6 結(jié)論由555定時(shí)器、秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器、顯示數(shù)碼管設(shè)計(jì)了數(shù)字時(shí)鐘電路，經(jīng)過(guò)仿真得出較理想的結(jié)果，說(shuō)明電路圖及思路是正

13、確的，可以實(shí)現(xiàn)所要求的基本功能：計(jì)時(shí)、顯示精確到秒、時(shí)、分。振蕩器的仿真可以直接運(yùn)行，然后用示波器觀察現(xiàn)象便可。調(diào)試時(shí)有的器件在理論上可行，但在實(shí)際運(yùn)行中就無(wú)法看到理想的效果。如果以上設(shè)計(jì)的電路通過(guò)模擬仿真分析，不符合設(shè)計(jì)要求，可通過(guò)逐漸改變?cè)骷?shù)，或更改元器件型號(hào)，使設(shè)計(jì)符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對(duì)更改的電路立即進(jìn)行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。這就需要耐心、仔細(xì)地分析和解決問(wèn)題，不斷地嘗試才能得出 參考文獻(xiàn)1multisim的用戶手冊(cè).2梁宗善，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)m，華中科技大學(xué)出版社，2009.03.3余孟嘗，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(簡(jiǎn)明教程)m，高等教育出版社，20

14、06.01.4劉舜奎等主編,電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程m，廈門大學(xué)出版社，2008.01.5毛哲等主編，電路計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)仿真與測(cè)試m，華中科技大學(xué)出版社，2003.04.6van aalkenburg,m.e.network analysis prentce-hall,inc,1974.7閻石,數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)m，高等教育出版社，2008.05.8黃繼昌,數(shù)字集成電路應(yīng)用300例m，人民郵電出版社，2004.05.9彭介華等主編,電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)m，高等教育出版社，2002.03.10羅映祥，multisim電路仿真軟件在差分電路分析中的應(yīng)用j.電腦知識(shí)與技術(shù)，2008（01）,161-167.11甘

15、慶玉，multisim10.0在電子秒表實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的仿真應(yīng)用j.廣西輕工業(yè)，2009（8），98-107.design of digital clock based on multisimzhaojuan(school of physics and electrical engineering of anqing normal college, anqing 246011) abstract: this paper use the total multisim10.0 created digital clock circuit diagram, and then use the simulat

16、ion function of the software simulation. digital clock is a kind of when using a digital circuit technology clock, minutes and seconds of a device. considering in the design of a digital clock need oscillator, counter, decoder and display, the precise time to when points seconds, and has the function of through the digital display. widely used digital clock, walking with accurate, convenient and sim