基于Multisim的数字钟实验电路的设计与仿真 电子技术, 模拟电子, 定时器, 分频器, 振荡器

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在电子技术实验教学中，构建学生的电路设计理念，提高学生的电路设计能力，是教学的根本目的和核心内容。数字钟电路的设计和仿真，涉及模拟电子技术、数字电子技术等多方面知识，能够体现实验者的理论功底和设计水平，是电子设计和仿真教学的典型案例。文中采用了555 定时器电路、计数电路、译码电路、显示电路和时钟校正电路，来实现该电路。

1 系统设计方案


数字钟由振荡器、分频器、计时电路、译码显示电路等组成[1-3]。振荡器是数字钟的核心，提供一定频率的方波信号；分频器的作用是进行频率变换，产生频率为1 Hz 的秒信号，作为是整个系统的时基信号； 计时电路是将时基信号进行计数；译码显示电路的作用是显示时、分、秒时间；校正电路用来对时、分进行校对调整。其总体结构图，如图1 所示。


2 子系统的实现


2.1 振荡器


本系统的振荡器采用由555 定时器与RC 组成的多谐振荡器来实现， 如图2 所示即为产生1 kHz 时钟信号的电路图。此多谐振荡器虽然产生的脉冲误差较大，但设计方案快捷、易于实现、受电源电压和温度变化的影响很小[4]。


2.2 分频器


由于振荡器产生的频率高， 要得到标准的秒信号，就需要对所得到的信号进行分频。在此电路中，分频器的功能主要有两个：1） 产生标准脉冲信号；2） 提供电路工作需要的信号，比如扩展电路需要的信号。通常实现分频器的电路是计数器电路，选择74LS160 十进制计数器来完成上述功能[5]。如图3 所示，555 定时器产生1 kHz 的信号，经过3 次1/10 分频后得到1 Hz 的脉冲信号， 为秒个位提供标准秒脉冲信号。


2.3 时间计数器


计数器是一种计算输入脉冲的时序逻辑网络，被计数的输入信号就是时序网络的时钟脉冲，它不仅可以计数而且还可以用来完成其它特定的逻辑功能，如测量、定时控制、数字运算等等。         
本部分的设计仍采用74LS160 作为时间计数器来实现时间计数单元的计数功能。时间计数器由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器、时个位和时十位计数器构成。数字钟的计数电路的设计可以用反馈清零法，当计数器正常计数时反馈门不起作用，只有当进位脉冲到来时，反馈信号将计数电路清零，实现相应模的循环计数。

2.3.1 分（秒）计数器


分（秒）计数器均为60 进制计数，如图4 所示。它们的个位用十进制计数器74LS160 构成，无需进制转换，信号输入端CLK 与1 Hz 秒信号相连，进位输出作为十位的计数输入信号。十位采用反馈清零法将十进制计数器74LS160 变成六进制计数器，因为清零端为低电平有效、所以将QB、QC与非后连接到清零端， 即计数器的输出状态为“0110”时QB、QC 输出高电平与非后为低电平实现有效清零并对下一级进位。两级电路组成一位60 进制计数器，其计数规律为00→01→…→58→59→00。当秒计数满60 后向分个位提供一个进位信号，同理当分计数满60 后向时个位提供一个进位信号。


2.3.2 时计数器


时计数器为24 进制计数， 其计数规律是00→01→…→23→00，即当数字运行到23 时59 分59 秒时，在下一个秒脉冲的作用下，数字钟显示00 时00 分00 秒。计数器的计数状态转换表如表1 所示。


                由表可知，计数器的状态要发生两次跳跃：一是计数到9，即个位计数器的状态为1001 后，在下一计数脉冲的作用下向十位计数器进位；二是计数到23 后，在下一个计数脉冲的作用下，整个计数器归零。


                用两片74LS160 可实现24 进制计数器的设计， 如图5所示。把时个位的QC 与时十位的QB 与非后送入到时个位和时十位的计数清零端，当时十位计数器的状态为“0010”时个位计数器的状态“0100”时，时个位的QC 与时十位的QB输出高电平，它们与非后为低电平分别对时个位和十位进行清零。


2.4 校时电路


校时是数字钟应具备的基本功能，当数字钟接通电源或者计时出现错误时都需要对时间进行校正。一般数字钟都具有时、分、秒等校正功能。为使电路简单，这里只进行分和时的校正。校正电路的要求在校正时位时不影响分和秒的正常计数，在校正分位时不影响秒和时的正常计数。校正电路的方式有快校正和慢校正两种。由于快校正电路复杂，成本高，而慢校正更经济一些，所以设计采用慢校正对时钟进行校正，如图6 所示。慢校正是用手动产生单脉冲做校正脉冲。电路由74LS08 及电阻、电容、开关等组成，其中J 为校分开关，H 为校时开关。



2.5 显示部分


显示部分采用74LS48 来进行译码，用于驱动LED-7 段共阴极数码管。由74LS48 和LED-7 段共阴极数码管组成数码显示电路，如图7 所示。


                        译码驱动电路是将“ 秒”、“ 分”、“ 时” 计数器输出的8421BCD 码进行编译，转换为数码管需要的逻辑状态，驱动LED-7 段数码管显示，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。若将秒、分、时计数器的每位输出分别与相应七段译码器的输出端连接，在脉冲的作用下，便可进行不同的数字显示。由于使用的译码器74LS48 输出端高电平有效，所以选择共阴极的数码管来与之搭配。

3 数字钟电路仿真


在电子设计中，EDA 设计和仿真是一个重要的设计环节。在众多的EDA 设计和仿真中，Multisim10 以其强大的仿真设计应用功能， 在电子电路的仿真和设计中得到了广泛应用[6]。


在完成总体电路设计的基础上，用ultisim10 电子电路仿真软件完成电路的仿真设计。首先对电路的各功能模块进行仿真设计，并对其实现的功能进行调试与仿真，所有的子系统都能够正常运行时，把所有功能模块整合在一起，进行仿真和调试，最终完成整体电路的仿真设计。

值得注意的是，在数字钟电路设计过程中，一定要注意检测触发器电路时钟的触发模式，确定是上升沿触发还是下降沿触发，避免在设计过程中出现计数故障；在振荡器设计的过程中，为使振荡器产生精确、稳定的频率，要选择精度较高的电阻器和电容器。

4 结束语



文中设计和仿真的数字钟电路虽然只是基于实验目的，但是如果需要走时精准的数字钟完全可以通过改进时基信号来得到。具体方法为：用晶体振荡器（CrystalOscillators）产生更加准确的时基信号，其它分频电路、计时电路、译码显示电路等只要保持不变，即可实现。