周靜紅 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院

基于Proteus的數(shù)字鐘電路的設(shè)計與仿真

周靜紅 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院

數(shù)字鐘作為生活中一種常見的計時工具，備受人們的歡迎，它通常使用在手機(jī)、鬧鐘、馬表等各個與計時相關(guān)的應(yīng)用中。本文介紹了數(shù)字鐘電路的主要工作原理、系統(tǒng)組成、單元電路的設(shè)計以及仿真技術(shù)的使用。通過Proteus仿真技術(shù)以及部分芯片的使用，直觀展現(xiàn)了數(shù)字鐘電路的整點報時功能、校時校分功能，不僅功能比較完整，而且經(jīng)濟(jì)實惠。

Proteus；數(shù)字鐘；計數(shù)器；設(shè)計；仿真

引言

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實現(xiàn)時、分、秒計時的鐘。與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，具有更長的使用壽命，已得到廣泛的使用。本文所設(shè)計的數(shù)字鐘電路，在考慮經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，要求具有如下功能： (1)具有時、分、秒計時及顯示功能；(2)計時范圍從00時00分00秒到23時59分59秒；(3)具有手動校時、手動校分功能；(4)具有整點報時功能；（5）具有鬧鐘功能。

1.電路總體框架設(shè)計

本文設(shè)計的數(shù)字鐘電路，首先是通過振蕩器產(chǎn)生1KHZ的脈沖信號，然后再通過分頻器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的1S信號，其次再通過秒計數(shù)器電路進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計到60的時候分計數(shù)器會自動進(jìn)1，同理，分計數(shù)器計到60 的時候時計時器會自動進(jìn)1，時計數(shù)器計數(shù)的規(guī)律是每24次翻0，最終通過譯碼器顯示實際值。如計時計分出現(xiàn)問題，可通過校時校分電路進(jìn)行調(diào)整，具體電路如圖1所示。

圖1 電路總體框架

2.單元電路設(shè)計

2.1 振蕩器的設(shè)計。由于本文設(shè)計的數(shù)字鐘是用于仿真測試的，對計時精度要求不是太高，同時考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，為了使輸出能產(chǎn)生1KHZ的頻率，采用了555定時器與電阻R以及電容C構(gòu)成的振蕩器。通過改變可調(diào)電阻的阻值，使得輸出頻率有不同的變化。根據(jù)電容充放電的原理，由電阻R和C確定時間常數(shù)的值，最終計算出振蕩器的頻率。

2.2 分頻器的設(shè)計。要想產(chǎn)生1S的標(biāo)準(zhǔn)信號，即輸出頻率為1HZ，對于74LS90芯片來說，由于其內(nèi)部的十進(jìn)制功能，通過Q3端的輸出使得每片輸出為10分頻，我們可以通過使用3片74LS90級聯(lián)的方式實現(xiàn)1S的標(biāo)準(zhǔn)信號。把第一片的Q3輸出接到第二片的輸入端，以此類推，依照每片芯片的輸出頻率都是前一片輸出頻率的1/10的規(guī)律，最終促使最后一片的輸出頻率1HZ。

2.3 時、分、秒計數(shù)器的設(shè)計。為了區(qū)別白天和夜晚，我們一般都采用二十四小時計數(shù)法。74LS90芯片是一片二-五-十進(jìn)制計數(shù)器，在本文中我們主要使用了74LS90的十進(jìn)制功能。對于秒計數(shù)器和分計數(shù)器，我們通常計數(shù)的范圍為00-59，即為“60進(jìn)制計數(shù)器”；對于時計數(shù)器，我們通常計數(shù)的范圍為00-23，即為“24進(jìn)制計數(shù)器”。

2.4 譯碼顯示電路的設(shè)計。為了直觀地顯示數(shù)字鐘時鐘電路、分鐘電路、秒鐘電路的讀數(shù)，本文采用了CD4511譯碼驅(qū)動器和共陰極數(shù)碼管。通過74LS90的四個輸出連接到CD4511的四個輸入，在測試時要注意幾個使能控制端的連接，具體連接可參考每個芯片的真值表。

2.5 校時、校分電路的設(shè)計。在生活中，數(shù)字鐘因為電量不足或其他原因，難免會影響時針和分針的準(zhǔn)確性，因此校時電路和校分電路的存在非常有必要。為了方便客戶的不同需求，這兩個電路既可以同時校正，也可以分開校正。當(dāng)時鐘電路和分鐘電路離實際時間相差甚遠(yuǎn)時，可以采用“快校時”，即同時校時校分；當(dāng)時鐘電路和分鐘電路離實際時間相差不多時，可以采用“慢校時”，即通過校分來調(diào)整時鐘電路和分鐘電路的顯示值。

2.6 鬧時電路的設(shè)計。每個數(shù)字鐘都具有鬧時功能，本文也不例外。按照8421的編碼規(guī)律區(qū)分白天和夜晚的時間，需要幾點鬧時，就把時和分的編碼計算好，通過74LS20、74LS03、74LS00等與非門電路去驅(qū)動音響電路。音響電路的工作時間為1分鐘，本文列舉了7時59分的鬧時信號。

2.7 整點報時電路的設(shè)計。為了在數(shù)字鐘整點到來之前能讓人們提前知曉，本文設(shè)置了59分51秒、53秒、55秒、57秒為低音，最后的59秒為高音，這樣可以清晰地讓人們感受到整點的到來，時間持續(xù)長達(dá)1秒，以每隔一秒的間斷聲響做出提醒，通過4低音1高音結(jié)束整點報時。

圖2 數(shù)字鐘仿真電路

3.電路仿真

結(jié)合各個單元電路的設(shè)計，首先用Proteus仿真測試二十四進(jìn)制計數(shù)器和六十進(jìn)制計數(shù)器正確的基礎(chǔ)上，完成秒信號的送入；其次用Proteus測試校時校分電路的合理性，為了防止發(fā)生錯誤，及時糾正，在本文中我們設(shè)置了校時校分電路，這兩個電路在校對的時候可以同時進(jìn)行，也可以先校分再校時，主要測試在校分校到59的時候，時鐘電路能否進(jìn)位；第三用proteus測試是否具備鬧時功能和整點報時功能；如以上幾個條件都滿足，我們將進(jìn)行各個電路的組合，具體仿真結(jié)果如圖2所示。

4.結(jié)束語

本文主要介紹了數(shù)字鐘電路的組成以及各個單元電路的設(shè)計，通過各個單元電路的仿真測試，在仿真正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行了各個單元電路的整合，功能合理，經(jīng)濟(jì)實惠。

[1]劉敏.數(shù)字鐘的制作[J].科技資訊.2013(29)

[2]孫立香.一種具有整點報時帶鬧鐘時間可調(diào)的數(shù)字鐘[J].電子制作.2013(18)

[3]徐作華.基本數(shù)字鐘電路的設(shè)計、制作與檢測[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用.2013(04)

[4]石悅.多功能數(shù)字鐘設(shè)計[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè).2012(01)

[5]黃峰鶴.數(shù)字鐘的設(shè)計與制作[J].信息技術(shù).2012(05)

[6]紀(jì)欣然. 基于FPGA的多功能數(shù)字鐘設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2012，（06）.

[7]曹嘯敏.數(shù)字鐘電路的設(shè)計[J].信息技術(shù).2012(10)

[8]肖看.電子設(shè)計工程師認(rèn)證實操實訓(xùn)基礎(chǔ)系列講座(8)第四講，簡易數(shù)字鐘設(shè)計(上)[J].電子世界. 2010(10)

周靜紅（1981-），女（漢族），江蘇太倉人 ，講師，主要從事電氣自動化控制研究。