陳新

渤海大學(xué)工學(xué)院

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基于Multisim數(shù)字鐘設(shè)計(jì)與仿真分析

陳新

渤海大學(xué)工學(xué)院

在電子技術(shù)領(lǐng)域用Multisim作為仿真軟件是極其普遍的，Multisim仿真軟件中自動(dòng)化設(shè)計(jì)具有很大的優(yōu)勢。本文主要分析了基于Multisim數(shù)字鐘的仿真實(shí)現(xiàn)，數(shù)字鐘的組成部件主要包括計(jì)數(shù)器、校時(shí)器、分頻器、振蕩器和譯碼器等。論文中還介紹了一些部件的運(yùn)行原理以及基于Multisim模式的軟件仿真實(shí)現(xiàn)過程。通過仿真的結(jié)果可以表明運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行仿真具有很好的便捷性、靈活性，對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際應(yīng)用也有著重要意義。

Multisim 數(shù)字鐘 仿真

1　引言

隨著電子技術(shù)不斷發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)室中通過仿真軟件的應(yīng)用可以虛擬出一個(gè)電子平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)有著先進(jìn)的測試儀器，功能種類豐富的元件器件。這個(gè)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)擺脫了實(shí)驗(yàn)室的一些限制因素并克服了由于在實(shí)驗(yàn)過程中可能引起的儀器損壞而帶來的影響。在電子線路的設(shè)計(jì)過程中采用計(jì)算機(jī)的虛擬技術(shù)這個(gè)與傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)在對(duì)比效率方面大大地得到了提高。

Multisim是一種EDA軟件，它是由美國國家儀器公司進(jìn)行研發(fā)的。Multisim的操作平臺(tái)是基于Windows運(yùn)行，其仿真范圍涉及到單片機(jī)、模擬電路以及數(shù)字電路等。采用Multisim進(jìn)行電路仿真具有效率高、低成本的優(yōu)點(diǎn)，而且在實(shí)際的應(yīng)用方面也具有比較大的輔助價(jià)值。

隨著電子數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，Multisim在電路中的應(yīng)用越來越廣泛，是教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要輔助工具。分頻操作是通過振蕩器信號(hào)實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過振蕩器震蕩后生成秒信號(hào)，計(jì)秒和計(jì)分采用的是60進(jìn)制，變化區(qū)間從00到59，而計(jì)時(shí)采用的是24/12進(jìn)制。在設(shè)計(jì)電路的過程中，一般將電路分為好幾個(gè)單獨(dú)的電路實(shí)現(xiàn)，然后再把這些元件進(jìn)行組合，最后再測試。但實(shí)際上顯示的結(jié)果可能跟教程上的不太一樣。比如通過晶震進(jìn)行頻率的輸出結(jié)果和通過示波器頻率的測試結(jié)果是有誤差的，而且分頻器秒信號(hào)的結(jié)果輸出與真正的結(jié)果在時(shí)間上存在很大出入，時(shí)間警報(bào)的高音和低音也不是很突出。

2　數(shù)字鐘的組成部件及原理

數(shù)字鐘主要包括譯碼器、顯示電路和計(jì)數(shù)器電路等，它是數(shù)字電路的一個(gè)典型代表，能將電路進(jìn)行仿真以使人們更加深入了解數(shù)字鐘的原理。根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，數(shù)字鐘能顯示出時(shí)鐘、分鐘、秒鐘，計(jì)時(shí)的結(jié)果是通過6位數(shù)碼管進(jìn)行顯示的。數(shù)字鐘的器件選擇是實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常應(yīng)用到的元器件，比如計(jì)數(shù)器選擇的是CD4518計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)而成的。

2.1時(shí)鐘發(fā)生電路

時(shí)鐘發(fā)生電路中可以選擇的電路一般是555的定時(shí)器或者石英晶體形成的振蕩器，本論文中選擇的是石英晶體的振蕩電路，由石英晶體振蕩器形成的時(shí)鐘頻率很精確，所以數(shù)字電路中常把它作為時(shí)鐘的信號(hào)。

2.2分頻器

本論文中的分頻器選擇的是10分頻電路，另外還用到了1/1000分頻，這個(gè)分頻是由3個(gè)74LS90進(jìn)行串聯(lián)形成。10頻電路中包括三個(gè)計(jì)數(shù)器，這些計(jì)數(shù)器都是10進(jìn)制，當(dāng)電路中的UI計(jì)數(shù)是10的時(shí)候，QD就會(huì)輸出脈沖信號(hào)，結(jié)果顯示輸出的頻率與輸入的頻率出入很大，將近達(dá)到了10倍，然后連接中U2端，QD輸出的脈沖信號(hào)就降低了10倍，隨后連接著U3也降低了10倍。所以經(jīng)過分析后就可以得出最后輸出的頻率是1/1000分頻。

2.3振蕩器

數(shù)字鐘的振蕩器常見的選擇有555振蕩器和頻率為32.768kHz的晶體振蕩器，通常下選擇用晶體振蕩器的比較多。晶體振蕩器的組成主要包括了可調(diào)的電容以及反相器。晶體振蕩器的輸出頻率一般是在32.768kHz左右，頻率上一旦出現(xiàn)了變化，可以通過振蕩器中的可調(diào)電容進(jìn)行調(diào)整。然而這個(gè)實(shí)現(xiàn)過程是比較麻煩的，實(shí)現(xiàn)時(shí)需要添加一個(gè)5v的電源，只有這個(gè)電源添加了才會(huì)振蕩。相比晶體振蕩器，555振蕩器震蕩的頻率在穩(wěn)定性方面比較差，而且均勻性也比較差，當(dāng)達(dá)到一定的時(shí)間后才會(huì)好轉(zhuǎn)。

2.4計(jì)數(shù)器

數(shù)字鐘計(jì)數(shù)器的組成部件主要包括時(shí)計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、秒計(jì)數(shù)器，這些計(jì)數(shù)器之間彼此串聯(lián)起來。其中秒計(jì)數(shù)器跟十進(jìn)制計(jì)數(shù)器串聯(lián)起來，而分計(jì)數(shù)器是與六進(jìn)制串聯(lián)起來的，最終組成了2個(gè)六十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。秒脈沖通過6級(jí)的計(jì)數(shù)器，可以依次獲得時(shí)、分、秒的十位和個(gè)位。

2.5 譯碼器

譯碼器在數(shù)字邏輯電路中所占的角色地位很重，主要實(shí)現(xiàn)的功能是將一個(gè)二進(jìn)制的代碼對(duì)應(yīng)翻譯成具有一定含義的信號(hào)。譯碼器組成包括顯示譯碼器和數(shù)碼譯碼器。但是除了翻譯的功能之外譯碼器的功能還包括了三態(tài)選通和鎖存。數(shù)碼的譯碼器的種類有4線-16線的譯碼器，BCD-鎖存的譯碼器以及3線-8線的譯碼器等。本論文數(shù)字鐘的時(shí)顯中用到的器件包括了顯示器、譯碼器以及24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。分計(jì)數(shù)器和秒計(jì)數(shù)器中用到的器件包括了顯示器，譯碼器以及60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

2.6報(bào)時(shí)電路

報(bào)時(shí)電路的報(bào)時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)在59分里的53、55、57秒報(bào)低音，59秒處是報(bào)高音。由于53、55、57和59秒的地方輸出信號(hào)都是高電平的，通過與門輸出，設(shè)計(jì)中53秒和55秒作為U3A與門輸出端，報(bào)時(shí)的對(duì)象是57秒信號(hào)。

3　仿真與測試

數(shù)字鐘仿真的步驟是先把需要進(jìn)行仿真的電路啟動(dòng)，然后就可以看到數(shù)字鐘秒位已經(jīng)計(jì)時(shí)開始了，當(dāng)秒時(shí)為60時(shí)，就會(huì)重新回到0，接著秒時(shí)間就會(huì)向分位進(jìn)位，X2的時(shí)鐘輸入的IO1腳連接著函數(shù)發(fā)生器的輸入端，進(jìn)而可以判斷秒時(shí)間向分時(shí)間進(jìn)位成功與否。再次重新啟動(dòng)仿真，就會(huì)發(fā)現(xiàn)與秒時(shí)間類似，當(dāng)分時(shí)間超過了60后就會(huì)向時(shí)位進(jìn)位。

3.1校時(shí)校分電路仿真原理

把進(jìn)位的信號(hào)換成單脈沖，切換時(shí)用的是單刀雙擲的開關(guān)進(jìn)行控制的。單脈沖的模擬是帶彈簧的開關(guān)，當(dāng)按下彈簧開關(guān)的時(shí)候電路中的電平就變成了高電平，開關(guān)釋放時(shí)電平就變成了低電平，彈簧開關(guān)按下和彈起的過程實(shí)際上是下降沿脈沖，調(diào)時(shí)調(diào)分的控制是通過計(jì)時(shí)器加1來實(shí)現(xiàn)的。校時(shí)校分的仿真電路圖如圖1-1所示。1Hz，從上面的幾個(gè)條件約束中可以得出T=0.7（R1+2R2）C，當(dāng)R1設(shè)置成108K，而R2設(shè)置為100K，C設(shè)置成10nF的時(shí)候，通過公式最后求得T約等于1mS，那么輸出的信號(hào)頻率大概就是1KHz。秒脈沖信號(hào)仿真圖如圖1-2所示。

仿真的過程要按照具體的步驟進(jìn)行，在進(jìn)行仿真之前可以通過雙擊儀器的圖標(biāo)而打開儀器面板。按下軟件界面的啟動(dòng)按鈕，被測試的波形就可以進(jìn)行仿真了，如果再次按下停止按鈕，仿真操作將會(huì)停止。在電路啟動(dòng)之后，為了讓波形的顯示正?？梢詫?duì)示波器和通道進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖1-2　秒脈沖信號(hào)仿真圖

圖1-1　校時(shí)校分電路

3.2秒脈沖仿真

多諧振蕩器的組成是由555定時(shí)器以及外接的元件R1、R2組成。電路設(shè)計(jì)中不存在穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫時(shí)的穩(wěn)態(tài)，而且電路中C的充電是通過R1和R2實(shí)現(xiàn)的，所以觸發(fā)的信號(hào)不用進(jìn)行外接。Dc的放電是通過R2進(jìn)行的，電路中的輸出信號(hào)關(guān)于時(shí)間的參數(shù)設(shè)置為T=tw1+tw2，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C。公式中的tw1表示的是VC從1/3變成2/3的過程中花費(fèi)的時(shí)間，tw2指的是電容C在放電的過程中花費(fèi)的時(shí)間。555電路中規(guī)定了R1不小于1ΚΩ而且R2也不能小于1ΚΩ，同時(shí)R1+R2的值不能超過3.3MΩ。很多多諧振蕩器中產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率是

4　結(jié)語

本論文是基于Multisim的仿真技術(shù)，雖然在設(shè)計(jì)電路的過程中使用仿真技術(shù)會(huì)使得設(shè)計(jì)過程更加便捷，但是不管如何仿真軟件提供的是一個(gè)虛擬平臺(tái)，跟實(shí)際中產(chǎn)生的結(jié)果還是有出入的，所以只有深入學(xué)習(xí)Multisim，了解Multisim，才能夠更好地掌握其應(yīng)用，數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)通過計(jì)數(shù)器、振蕩器、譯碼器和顯示電路成功地顯示了時(shí)分秒，而且校正電路的引入使得設(shè)計(jì)過程中的控制更加方便。考慮到篇幅因素，本論文中就幾個(gè)數(shù)字鐘的組成部件進(jìn)行分析。在仿真的過程中Multisim軟件有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些意料之外的故障，調(diào)試中可能有的結(jié)果無法顯示，這種情況下就需要充分耐心去尋找解決方法。電子電路的設(shè)計(jì)引入Multisim仿真軟件，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)電路的仿真，電路的測試有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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