金子涵 任致遠(yuǎn) 史旭東 王勝鐸

摘 要：數(shù)字電子鐘是一種利用數(shù)字電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的鐘表。本文介紹了在Multisim 14仿真軟件上設(shè)計(jì)的滿足要求的可調(diào)鬧鐘功能數(shù)字鐘，對(duì)其設(shè)計(jì)原理、整體框圖和各單元電路做了詳細(xì)說(shuō)明。利用Multisim軟件具有花費(fèi)少、效率高、周期短，功能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，可對(duì)數(shù)字電子鐘電路進(jìn)行分層設(shè)計(jì)。將整機(jī)框圖拆分成多個(gè)單元電路，再將各單元電路連線成整機(jī)電路，結(jié)構(gòu)清晰，便于理解每個(gè)單元電路功能，使整機(jī)電路功能一目了然。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子鐘；Multisim 14；可調(diào)鬧鐘；反饋置數(shù)法；分層設(shè)計(jì)

0 引言

Multisim 14是美國(guó)NI公司研發(fā)的一款以Windows為操作平臺(tái)的EDA工具軟件[1]，可以對(duì)模擬、數(shù)字電路進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)，具有豐富仿真分析能力，所以在電子技術(shù)領(lǐng)域以Multisim仿真軟件為平臺(tái)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)非常普遍。

數(shù)字電子鐘是一種以數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的現(xiàn)代計(jì)數(shù)器，與傳統(tǒng)機(jī)械式時(shí)鐘相比，具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，且無(wú)機(jī)械裝置，使用壽命更長(zhǎng)，因此得到了廣泛使用。從原理上講，數(shù)字電子鐘是一種典型數(shù)字電路，包括組合邏輯電路和時(shí)序電路[2]，所以，本文借助Multisim 14軟件仿真數(shù)字電路便捷高效的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行模塊化電路設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)花費(fèi)少、效率高、周期短。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

1.1 基本功能

1）應(yīng)用模擬振蕩電路實(shí)現(xiàn)正弦波時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生，并作為數(shù)字鐘的時(shí)鐘信號(hào)。

2）實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘計(jì)時(shí)功能，時(shí)間以24 min為1個(gè)周期。

3）用數(shù)碼管顯示分鐘、秒。

1.2 擴(kuò)展功能

1）具有校時(shí)功能，可以對(duì)分鐘和秒單獨(dú)校時(shí)。

2）計(jì)時(shí)過(guò)程具有鬧鐘功能，到達(dá)指定時(shí)間（時(shí)間可選定）蜂鳴。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字電子鐘主要由6個(gè)單元電路構(gòu)成。分別為：石英晶體振蕩電路、分頻電路、計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路、校時(shí)電路、鬧鐘電路。系統(tǒng)框圖如圖1。

系統(tǒng)工作原理：晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，通過(guò)cd4060和74LS74構(gòu)成的分頻器電路分頻得到1 Hz秒脈沖，作為基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)門電路與74HC161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路產(chǎn)生8421BCD碼，再經(jīng)過(guò)譯碼器交由數(shù)碼管顯示。秒位累計(jì)達(dá)到60進(jìn)位，分鐘滿24進(jìn)位，以此循環(huán)。

如果數(shù)字電子鐘顯示的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不一致，可用校時(shí)電路進(jìn)行校準(zhǔn)。自選時(shí)間的鬧鐘功能由撥碼開(kāi)關(guān)和邏輯門構(gòu)成的拓展電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。整機(jī)電路如圖2所示。

3 單元電路方案設(shè)計(jì)

3.1 石英晶體振蕩電路

石英晶體振蕩電路如圖3所示。通過(guò)石英晶體振蕩器輸出脈沖具有頻率精度高、受溫度影響小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。選用體積小、抗沖擊性能好的音叉型石英諧振器，其諧振頻率為32.768 kHz，能產(chǎn)生穩(wěn)定的32.768 kHz的脈沖信號(hào)。

3.2 分頻電路

分頻電路如圖4所示。32.768 kHz的脈沖信號(hào)通過(guò)4060芯片進(jìn)行11分頻，再接入2個(gè)D觸發(fā)器，構(gòu)成直接的4分頻電路，輸出1 Hz的秒脈沖作為秒計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)時(shí)鐘。

3.3 計(jì)數(shù)電路

數(shù)字電子鐘的秒位采用60進(jìn)制，選用兩個(gè)74HC161計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)并采用反饋置數(shù)法實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，電路如圖5所示。分頻器送出的秒脈沖經(jīng)計(jì)數(shù)器累計(jì)，當(dāng)計(jì)數(shù)值為59時(shí)，同步預(yù)置信號(hào)有效，下一時(shí)鐘同步預(yù)置零且向分鐘位送出進(jìn)位脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制。電子鐘的分鐘位是24進(jìn)制，同樣選用兩個(gè)74HC161計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)用反饋置數(shù)法計(jì)數(shù)，電路如圖6所示。秒位送出的進(jìn)位脈沖信號(hào)累計(jì)達(dá)到“23”，秒數(shù)為“59”時(shí)，同步預(yù)置信號(hào)有效，并在下一時(shí)鐘同步預(yù)置零，并向更高位送出進(jìn)位脈沖信號(hào)。

3.4 顯示譯碼電路

譯碼顯示電路分為譯碼驅(qū)動(dòng)和數(shù)碼管顯示。譯碼驅(qū)動(dòng)電路能將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為數(shù)碼管提供足夠的工作電流，保證其正常工作。實(shí)時(shí)顯示計(jì)數(shù)值的功能要求通過(guò)LED數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.5 校時(shí)電路

校準(zhǔn)電路如圖7所示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)時(shí)間不準(zhǔn)時(shí)，可手動(dòng)選擇脈沖進(jìn)行校時(shí)。選擇4分頻前的秒脈沖校時(shí)秒數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)分鐘的數(shù)值不準(zhǔn)。選擇1 Hz的進(jìn)位脈沖，不必等秒計(jì)60次才進(jìn)一次位。

3.6 鬧鐘電路

如圖8所示，數(shù)字電子鐘可以自選時(shí)間做為鬧鈴，顯示分鐘數(shù)碼管的各引腳通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)連接5 V電源，將撥碼開(kāi)關(guān)撥到選定的分鐘（即對(duì)應(yīng)的引腳為高電平），通過(guò)二輸入異或門將分鐘數(shù)碼管的高位和低位分別和撥碼開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)引腳的電平進(jìn)行異或運(yùn)算，各個(gè)異或的輸出再接入或門，或門最后通過(guò)或非門連到鬧鐘。只有當(dāng)電子鐘計(jì)時(shí)到選定的分鐘時(shí)，數(shù)碼管的高電平與開(kāi)關(guān)撥動(dòng)情況對(duì)應(yīng)，異或門都傳遞出低電平，或門輸出低電平，再通過(guò)二輸入或非門，輸出高電平給蜂鳴器，蜂鳴器工作蜂鳴，持續(xù)1 min后停止。

4 整體電路調(diào)試

將上述各單元電路組合起來(lái)，可以得到數(shù)字電子鐘的整體電路。進(jìn)行多功能數(shù)字電子鐘電路的仿真。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察得到，顯示秒數(shù)的數(shù)碼管顯示從“00”到“59”計(jì)數(shù)，并在下一時(shí)鐘返回到“00”狀態(tài)，連續(xù)循環(huán)，構(gòu)成六十進(jìn)制秒計(jì)數(shù)器。實(shí)驗(yàn)可觀察得到，顯示分鐘的數(shù)碼管顯示從“00”到“23”計(jì)數(shù)，“23”狀態(tài)下一時(shí)鐘回到“00”狀態(tài)，不斷循環(huán)，構(gòu)成二十四進(jìn)制分鐘計(jì)數(shù)器。將撥碼開(kāi)關(guān)撥到選定的分鐘，當(dāng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)到選定分鐘時(shí)，鬧鐘響起，下一分鐘自動(dòng)關(guān)閉。仿真結(jié)果表明，電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電子鐘的計(jì)時(shí)、校時(shí)、鬧鐘功能，完成設(shè)計(jì)任務(wù)。讀者朋友們也可以添加其他模塊來(lái)完善數(shù)字鐘的功能。

5 硬件調(diào)試

在本設(shè)計(jì)中，為了設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，在焊接的時(shí)候，我們根據(jù)電路的工作原理進(jìn)行分步調(diào)試，保證電路各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)。電路調(diào)試總圖如圖9所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Multisim 14仿真軟件設(shè)計(jì)出各個(gè)單元模塊并搭建成一個(gè)多功能數(shù)字電子鐘電路，調(diào)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)所要求完成的功能。設(shè)計(jì)復(fù)雜的電子電路時(shí)，可借助Multisim 14等仿真工具[4-5]，運(yùn)用分層、分塊設(shè)計(jì)的思想，使得設(shè)計(jì)、仿真、測(cè)試更為便捷，具有更高的設(shè)計(jì)效率，進(jìn)而提高團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

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