基于Multisim的數(shù)字時鐘設(shè)計(定稿)

1、 基于multisim的數(shù)字時鐘設(shè)計趙娟 （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)字時鐘的總電路圖，然后用該軟件中的仿真功能進行仿真。數(shù)字時鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的一種裝置。設(shè)計中考慮到一個數(shù)字時鐘需要振蕩器，計數(shù)器，譯碼器和顯示器，精確時間到“時”“分”“秒”，并具有通過數(shù)字顯示的功能。數(shù)字時鐘應(yīng)用廣泛，具有走時精確，方便簡單等優(yōu)點。在實際生活著有著非常現(xiàn)實且重要的意義。在本文中，multisim10.0的基礎(chǔ)上設(shè)計的數(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，計數(shù)

2、器譯碼，顯示，仿真 1 引言 時間對于人們來說總是那么的寶貴，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)字信號替代模擬信號，數(shù)字時鐘相比模擬鐘能給人一種一目了然的感覺，它不僅可以同時顯示時、分和秒。數(shù)字時鐘具有走時精確，方便簡單等優(yōu)點。對于multisim軟件進行數(shù)字時鐘的設(shè)計和仿真。數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的裝置，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且與傳統(tǒng)的機械鐘相比，它具有走時準(zhǔn)確、顯示直觀、無機械傳動、無需人的經(jīng)常調(diào)整等優(yōu)點。數(shù)字鐘的設(shè)計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)計與仿真平臺。其強大的虛擬儀器庫和軟件仿真功能，為電路設(shè)計提供了先進的設(shè)計理念和方法。2 設(shè)計思路 1).由秒時鐘信號發(fā)生器、計時電路構(gòu)成電路。2).秒時鐘信號發(fā)生器可由555定時器構(gòu)成。3).計時電路中采用兩個60進制計數(shù)器分別完成秒計時和分計時；24進制計數(shù)器完成時計時；采用譯碼器將計數(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)計一個數(shù)字時鐘，能獨立完成整個系統(tǒng)的設(shè)計；

4、用multisim10.0仿真實現(xiàn)數(shù)字時鐘的功能。4 數(shù)字時鐘模塊設(shè)計數(shù)字時鐘電路主要由時、分、秒三部分組成，秒時鐘電路主要由秒脈沖信號發(fā)生器、計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管組成，秒計數(shù)周期60s。同樣分時鐘電路由計數(shù)器、譯碼器、數(shù)碼管組成，計數(shù)周期為60min，與秒時鐘電路不同的是脈沖信號由秒時鐘電路提供。時時鐘電路采用同樣的設(shè)計，計數(shù)周期為24h。4.1 數(shù)字時鐘秒脈沖信號的設(shè)計 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定時器得到1hz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號和提供功能擴展電路所需要的信號。由555定時器構(gòu)成的1hz秒時鐘信號發(fā)生器，下面的電路圖產(chǎn)生1

5、hz的脈沖信號作為總電路的初輸入時鐘脈沖。由555定時器得到1hz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號和提供功能擴展電路所需要的信號。 圖1 秒時鐘信號發(fā)生器利用555多諧振蕩器，優(yōu)點：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：要精確輸出1hz脈沖，對電容和電阻的數(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，都是由一個十進制計數(shù)器和一個六進制計數(shù)器串聯(lián)而成的，在電路的設(shè)計中采用的是統(tǒng)一的器件74ls160d的反饋置數(shù)法來實現(xiàn)十進制功能和六進制功能，根據(jù)7

6、4ls160d的結(jié)構(gòu)把輸出端的0110（十進制為6）用一個與非門74ls00引到clr端便可置0，這樣就實現(xiàn)了六進制計數(shù)。由兩片十進制同步加法計數(shù)器74ls160級聯(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 計數(shù)圖2 74ls160n同樣，在輸出端的1001（十進制為9）用一個與非門74ls00引到load端便可置0，這樣就實現(xiàn)了十進制計數(shù)。在分和秒的進位時，用秒計數(shù)器的load端接分計數(shù)器的clk控制時鐘

7、脈沖，脈沖在上升沿時計數(shù)器開始計數(shù)。時計數(shù)器可由兩個十進制計數(shù)器串接并通過反饋接成二十四制計數(shù)器。由計數(shù)器得到的4位二進制碼的必須通過譯碼后轉(zhuǎn)為人們習(xí)慣的數(shù)字顯示。如12：54：30的二進制碼為00010010：01010100：00110000。秒信號經(jīng)秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器之后，分別得到“秒”個位、十位、“分”個位、十位以及“時”個位、十位的計時輸出信號，然后送至顯示電路，以便實現(xiàn)用數(shù)字顯示時、分、秒的要求。“秒”和“分”計數(shù)器應(yīng)為六十進制，而“時”計數(shù)器應(yīng)為二十四進制。采用10進制計數(shù)器74ls160來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。4.3 計數(shù)器設(shè)計4.3.1六十進制計數(shù)器對于74l

8、s160計數(shù)，如圖所示，分、秒計數(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進制計數(shù)。如圖所示當(dāng)十位u4計數(shù)為2，個位u5計數(shù)為5時電路如下： 圖3 六十進制計數(shù)器4.3.2 二十四進制計數(shù)器時計時電路與分、秒計時電路相比，首先就是觸發(fā)信號來源于分計時電路的進位，其計時范圍為0-23。故在前面的基礎(chǔ)上只需修改計時范圍即可。如圖所示，時計數(shù)電路由u4和u5倆部分組成。當(dāng)時個位u5計數(shù)為8，時十位u4計數(shù)為0時電路如下圖所示：圖4 二十四進制計數(shù)器4.4 計時電路設(shè)計4.4.1秒計時電路的設(shè)計秒計時電路計數(shù)周期為60s，觸發(fā)信號由秒脈沖信號發(fā)生器提供，當(dāng)計數(shù)值為5

9、9時，下一次觸發(fā)信號輸入時，向前進位并對計數(shù)值清零同時開始進入下一個計數(shù)周期。秒計時電路如下圖：圖5 秒計時電路分計時電路與秒計時電路大致相同。4.4.2時計時電路的設(shè)計在數(shù)字電子時鐘中，時計時電路計數(shù)周期為24h，當(dāng)觸發(fā)信號輸入時，計數(shù)器計數(shù)1，當(dāng)計數(shù)值達(dá)到23時，下一個觸發(fā)信號輸入時，計數(shù)器清零同時開始進入下一個計數(shù)周期。時計時電路的電路設(shè)計原理圖如下 圖6 時計時電路4.5數(shù)字時鐘電路總設(shè)計數(shù)字時鐘系統(tǒng)組成利用上面的六十進制和二十四進制計數(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)以上電路可完成計時周期為24h，可以準(zhǔn)確計時，具有“時”（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，使得計時時間不夠精準(zhǔn)。所以調(diào)試時有的器件在理論上可行，但在實際運行中無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)，有時無法找出錯誤便更換器件重新接線以使電路正常運行。multisim10.0軟件有時會出問題，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)地分析和解決問題，不斷地嘗試才能得出。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)電路通過模擬仿真分析，不符合設(shè)計要求，可通過逐漸改

11、變元器件參數(shù)，或更改元器件型號，使設(shè)計符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對更改的電路立即進行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計要求。在此次仿真中就是經(jīng)過各器件參數(shù)的調(diào)試以及電路圖的略微改進，使得顯示結(jié)果才慢慢偏向于真實精確的數(shù)值。5 仿真調(diào)試基于multisim10的數(shù)字電子鐘的設(shè)計實現(xiàn)了基本的時鐘計時，然后將時，分，秒的各個部分連接在一起的整機連調(diào)的電路圖在multisim10.0平臺上進行仿真。 multisim10.0是一個電路原理設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件，其元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時也可以新建或擴充已有的元器件庫。有超強板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包

12、含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。multisim10.0軟件進行設(shè)計仿真分析的基本步驟為:設(shè)計創(chuàng)建仿真電路、原理圖電路圖、選項的設(shè)置、使用仿真儀器、設(shè)定仿真分析方法，啟動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)備觀察被測試波形。按下程序窗口右上角的啟動停止開關(guān)狀態(tài)為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動停止升關(guān)狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動后，需要調(diào)整示波器的時基和通道控制，使波形顯示正常。6 結(jié)論由555定時器、秒計數(shù)器、分計數(shù)器、時計數(shù)器、顯示數(shù)碼管設(shè)計了數(shù)字時鐘電路，經(jīng)過仿真得出較理想的結(jié)果，說明電路圖及思路是正

13、確的，可以實現(xiàn)所要求的基本功能：計時、顯示精確到秒、時、分。振蕩器的仿真可以直接運行，然后用示波器觀察現(xiàn)象便可。調(diào)試時有的器件在理論上可行，但在實際運行中就無法看到理想的效果。如果以上設(shè)計的電路通過模擬仿真分析，不符合設(shè)計要求，可通過逐漸改變元器件參數(shù)，或更改元器件型號，使設(shè)計符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對更改的電路立即進行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計要求。這就需要耐心、仔細(xì)地分析和解決問題，不斷地嘗試才能得出 參考文獻1multisim的用戶手冊.2梁宗善，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計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)(簡明教程)m，高等教育出版社，20

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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