張立鑫 張磊 李俊 金怡芳

摘? ?要：數(shù)字鐘是一種利用數(shù)字電子技術(shù)來進(jìn)行計(jì)數(shù)的電子電路，由振蕩電路、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼顯示管、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、鬧鐘電路等幾部分構(gòu)成。本文主要介紹一種多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真，通過分析其工作原理以及構(gòu)成方法，建立基于Multisim 12的數(shù)字鐘計(jì)數(shù)顯示仿真模型。

關(guān)鍵詞：數(shù)字鐘? 12/24進(jìn)制轉(zhuǎn)化? 可調(diào)鬧鐘

Multisim 12是由美國NI公司所研發(fā)的一款以Windows為操作平臺的EDA工具軟件，可以對模擬、數(shù)字電路的進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，并提供了超過兩萬個元件的元器件庫和滿足各種需求的分析方法，具有十分豐富且功能強(qiáng)大的仿真分析能力。

數(shù)字鐘是一種以數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的電子裝置。與機(jī)械式時(shí)鐘相比，數(shù)字鐘具有更高的精確性和直觀性，在日常生活中得到了較為廣泛的使用。作為一種典型的數(shù)字電路，數(shù)字鐘一般是由振蕩器、分頻器、計(jì)數(shù)器、顯示器等幾部分組成。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)方法眾多，本文則通過Multisim 12仿真軟件的方式設(shè)計(jì)電路，使得電子電路的設(shè)計(jì)更加的便捷、高效，不受硬件限制。

1? 電路工作原理

本文所設(shè)計(jì)數(shù)字鐘的基礎(chǔ)功能是時(shí)、分、秒的計(jì)數(shù)與顯示，為了貼近生活，秒與分位為60進(jìn)制，小時(shí)位則設(shè)計(jì)了可以調(diào)整的“12翻1”和“23翻0”兩種模式。其基本原理是以多諧振蕩器產(chǎn)生1kHz的脈沖信號，并通過分頻電路來生成1Hz的秒脈沖信號。脈沖信號輸入到計(jì)數(shù)器中進(jìn)行計(jì)數(shù)，并通過輸出四位二進(jìn)制數(shù)至譯碼器中，再由譯碼器所輸出的七位信號傳輸至數(shù)碼管中進(jìn)行時(shí)、分、秒顯示。

在基礎(chǔ)功能之外，本設(shè)計(jì)還增添了校時(shí)功能、整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能、鬧鐘功能三項(xiàng)拓展功能。其中，校時(shí)電路是通過手動觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生脈沖信號直接觸發(fā)小時(shí)位或分鐘位的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而調(diào)整小時(shí)位或分鐘位所顯示的時(shí)間。整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路是從每個小時(shí)的59min50s開始，指示燈交替閃爍直至整點(diǎn)時(shí)熄滅。鬧鐘功能是則當(dāng)設(shè)定時(shí)間與數(shù)字鐘時(shí)間一致時(shí)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)聲。設(shè)計(jì)電路的原理框圖如圖1所示。

2? 電路設(shè)計(jì)與仿真

該數(shù)字鐘的由振蕩電路、計(jì)數(shù)器、數(shù)碼顯示管、校時(shí)電路、整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路、鬧鐘電路等幾部分構(gòu)成，所建立的數(shù)字鐘計(jì)時(shí)顯示仿真模型的總體電路圖。

2.1 振蕩電路

振蕩電路是由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路，VCC接+5V直流電壓，OUT輸出頻率為1kHz的矩形波。根據(jù)公式

計(jì)算可得λ的數(shù)值，進(jìn)一步通過仿真微調(diào)可以使多諧振蕩器輸出頻率為1kHz的矩形波。

2.2 分頻電路

分頻電路采用74LS90芯片，將輸出端QA與時(shí)鐘端INB相連，R01與R91相連，構(gòu)成異步十進(jìn)制增計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)十分頻的功能。為了得到1Hz的秒脈沖，需要將3塊74LS90芯片進(jìn)行級聯(lián)的并行進(jìn)位的連接方式，低位片的輸出端QD與高位片的時(shí)鐘端INA相連，通過3次十分頻處理可以將振蕩電路輸出的1kHz分頻得到1Hz的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖。

2.3 計(jì)數(shù)電路

本文采取了兩塊74LS160芯片進(jìn)行級聯(lián)來產(chǎn)生具有60進(jìn)制和12/24進(jìn)制邏輯功能的計(jì)數(shù)器。其中秒個位計(jì)數(shù)單元為10進(jìn)制，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換;秒十位計(jì)數(shù)單元為6進(jìn)制，需要進(jìn)行進(jìn)制轉(zhuǎn)換，當(dāng)秒十位計(jì)到5且秒個位計(jì)到9時(shí)，秒十位的置數(shù)端有效，且為同步置數(shù)，在下一個時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，秒十位被置0，從而實(shí)現(xiàn)6進(jìn)制。最后，將秒十位和秒個位的計(jì)數(shù)器級聯(lián)，可得到產(chǎn)生60進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器。由于分鐘計(jì)數(shù)器與秒計(jì)數(shù)器在邏輯設(shè)計(jì)基本一致，便不再贅述。

時(shí)計(jì)數(shù)器為12/24可切換進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以其十位和個位均需要進(jìn)制轉(zhuǎn)換，其中開關(guān)S1便是進(jìn)制轉(zhuǎn)化的開關(guān)。當(dāng)開關(guān)S1閉合時(shí)，且當(dāng)計(jì)數(shù)值為12時(shí)觸發(fā)同步置數(shù)，在下一個時(shí)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)將計(jì)數(shù)置為1，實(shí)現(xiàn)“12翻1”的12進(jìn)制計(jì)數(shù);當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí)，且當(dāng)計(jì)數(shù)值為23時(shí)觸發(fā)同步置數(shù)，在下一個時(shí)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí)將計(jì)數(shù)置為0，實(shí)現(xiàn)“23翻0”的24進(jìn)制計(jì)數(shù)。12/24進(jìn)制轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

2.4 校時(shí)電路

當(dāng)數(shù)字鐘需要校正時(shí)間時(shí)，按下開關(guān)使“時(shí)”或“分”計(jì)數(shù)器的個位計(jì)數(shù)器的兩個計(jì)數(shù)控制端ENT、ENP都處于高電平，即計(jì)數(shù)器一直處于計(jì)時(shí)模式。此時(shí)由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路為“時(shí)”或“分”計(jì)數(shù)器的個位計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘脈沖信號，當(dāng)觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路輸出由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過極短的延時(shí)時(shí)間后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)，此時(shí)所產(chǎn)生下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而改變數(shù)字鐘的小時(shí)位或分鐘位的時(shí)間。

2.5 譯碼和顯示電路

本文中采用74LS48來進(jìn)行譯碼，將秒、時(shí)、分計(jì)數(shù)器的輸出端分別接74LS48譯碼器的輸入端連接，74LS48的輸出端通過上拉電阻分別于相應(yīng)的7段譯碼器的輸入端連接，在脈沖的作用下，便可進(jìn)行不同的數(shù)字顯示。將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的8421碼進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管所需要的邏輯狀態(tài)，驅(qū)動LED-14段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。

2.6 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路

整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能為每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快到整點(diǎn)時(shí)，報(bào)時(shí)電路的LED燈開始閃爍，直至到每小時(shí)的59min59s。其中，由于74LS160為10進(jìn)制芯片，可以用QD、QC、QB、QA的4位2進(jìn)制數(shù)來表示秒計(jì)數(shù)器的個位（即0000-1001），Y為邏輯輸出的結(jié)果，1表示燈亮，0表示燈滅，通過燈的亮滅來產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。若在50、52、54、56、59s時(shí)點(diǎn)亮LED燈，則可得到邏輯函數(shù)表達(dá)式為

2.7 可調(diào)鬧鐘電路

本文使用4片74LS160連接構(gòu)成設(shè)置鬧鐘時(shí)間的模塊，具體工作原理與計(jì)時(shí)電路里的分鐘與小時(shí)部分、分鐘部分一致。在該電路中，將鬧鐘電路中每個74LS160的輸出與計(jì)時(shí)電路中相對應(yīng)的74LS160芯片的4個輸出（QA、QB、QC、QD）進(jìn)行同或邏輯運(yùn)算，再將各個同或運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行與運(yùn)算，得到的最終結(jié)果取決于兩個電路的時(shí)間，只有當(dāng)鬧鐘時(shí)間與計(jì)時(shí)時(shí)間一樣（小時(shí)和分鐘部分）時(shí)，最終結(jié)果為1，當(dāng)兩時(shí)間不一致時(shí)得到的結(jié)果為0。當(dāng)判斷電路結(jié)果為0時(shí)，蜂鳴器不響;當(dāng)判斷電路結(jié)果為1，蜂鳴器開始響，直到1min后，鬧鐘時(shí)間與計(jì)時(shí)時(shí)間不一致時(shí)，停止工作。

2.8 時(shí)間顯示切換電路

本文采用6片74LS399的4位二選一數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成時(shí)間顯示切換電路，其輸入分別為時(shí)鐘計(jì)數(shù)電路的輸出和鬧鐘設(shè)置電路的輸出。當(dāng)位選為低電平時(shí)，其輸出為鬧鐘設(shè)置電路的輸出，此時(shí)譯碼顯示電路顯示的為鬧鐘設(shè)置時(shí)間;當(dāng)位選為高電平時(shí)，其輸出為時(shí)鐘計(jì)數(shù)電路的輸出，此時(shí)譯碼顯示電路的時(shí)間為時(shí)鐘計(jì)數(shù)時(shí)間。

3? 結(jié)語

本文通過對多功能數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真，可以看出Multisim 12等電路仿真軟件的仿真功能的強(qiáng)大。不同于以往傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)方法，Multisim 12的使用使得電子電路的設(shè)計(jì)上具有了更高的設(shè)計(jì)效率。在具有基礎(chǔ)的電路仿真功能基礎(chǔ)上，集成了PCB版圖，原理圖繪制等功能，令電路的設(shè)計(jì)、仿真、測試與改良等更加地便捷、高效，在一定程度上提高了實(shí)際問題的解決能力。

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