基于Multisim的數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)與仿真

在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建學(xué)生的電路設(shè)計(jì)理念，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，是教學(xué)的根本目的和核心內(nèi)容。數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)和仿真，涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等多方面知識(shí)，能夠體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的理論功底和設(shè)計(jì)水平，是電子設(shè)計(jì)和仿真教學(xué)的典型案例。文中采用了555 定時(shí)器電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和時(shí)鐘校正電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)該電路。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　數(shù)字鐘由振蕩器、分頻器、計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路等組成[1-3].振蕩器是數(shù)字鐘的核心，提供一定頻率的方波信號(hào)；分頻器的作用是進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生頻率為1 Hz 的秒信號(hào)，作為是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)； 計(jì)時(shí)電路是將時(shí)基信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；譯碼顯示電路的作用是顯示時(shí)、分、秒時(shí)間；校正電路用來(lái)對(duì)時(shí)、分進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

　　2 子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 振蕩器

　　本系統(tǒng)的振蕩器采用由555 定時(shí)器與RC 組成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 如圖2 所示即為產(chǎn)生1 kHz 時(shí)鐘信號(hào)的電路圖。此多諧振蕩器雖然產(chǎn)生的脈沖誤差較大，但設(shè)計(jì)方案快捷、易于實(shí)現(xiàn)、受電源電壓和溫度變化的影響很小[4].

　　2.2 分頻器

　　由于振蕩器產(chǎn)生的頻率高， 要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)，就需要對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個(gè)：1） 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)；2） 提供電路工作需要的信號(hào)，比如擴(kuò)展電路需要的信號(hào)。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，選擇74LS160 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)完成上述功能[5].如圖3 所示，555 定時(shí)器產(chǎn)生1 kHz 的信號(hào)，經(jīng)過(guò)3 次1/10 分頻后得到1 Hz 的脈沖信號(hào)， 為秒個(gè)位提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。

　　2.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器

　　計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來(lái)完成其它特定的邏輯功能，如測(cè)量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。

　　本部分的設(shè)計(jì)仍采用74LS160 作為時(shí)間計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。時(shí)間計(jì)數(shù)器由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器構(gòu)成。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法，當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時(shí)反饋門不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來(lái)時(shí)，反饋信號(hào)將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計(jì)數(shù)。

　　2.3.1 分（秒）計(jì)數(shù)器

　　分（秒）計(jì)數(shù)器均為60 進(jìn)制計(jì)數(shù)，如圖4 所示。它們的個(gè)位用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160 構(gòu)成，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，信號(hào)輸入端CLK 與1 Hz 秒信號(hào)相連，進(jìn)位輸出作為十位的計(jì)數(shù)輸入信號(hào)。十位采用反饋清零法將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160 變成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)榍辶愣藶榈碗娖接行А⑺詫B、QC與非后連接到清零端， 即計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為“0110”時(shí)QB、QC 輸出高電平與非后為低電平實(shí)現(xiàn)有效清零并對(duì)下一級(jí)進(jìn)位。兩級(jí)電路組成一位60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00→01→…→58→59→00.當(dāng)秒計(jì)數(shù)滿60 后向分個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，同理當(dāng)分計(jì)數(shù)滿60 后向時(shí)個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。