基于Multisim10電子數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真

1、電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題： 電子數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真 專業(yè)班級(jí)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 電子數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)者 指導(dǎo)教師 摘要 數(shù)字鐘能經(jīng)振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼和顯示電路準(zhǔn)確地將時(shí)間“時(shí)”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，并且需要校正電路使其準(zhǔn)確工作，還可以有定時(shí)和報(bào)時(shí)功能。研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。本文在Multisim基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘，是由數(shù)字集成電路構(gòu)成、用數(shù)碼管顯示。關(guān)鍵詞 數(shù)字鐘 振蕩器 計(jì)數(shù)器 譯碼顯示 仿真引言 數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表

2、原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播。而且與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)、無需人的經(jīng)常調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)涉及到模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)，其中絕大部分是數(shù)字部分、邏輯門電路、數(shù)字邏輯表達(dá)式、計(jì)算真值表與邏輯函數(shù)間的關(guān)系、編碼器、譯碼器顯示等基本原理?，F(xiàn)在主要用各種芯片實(shí)現(xiàn)其功能，更加方便和準(zhǔn)確。Multisim 8作為一種高效的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。其強(qiáng)大的虛擬儀器庫(kù)和軟件仿真功能，為電路設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法。1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)+5V穩(wěn)壓電源；1.2用LED管顯示時(shí)、分、秒；1.3具有校時(shí)功能；1.4具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功

3、能；1.5具有鬧鐘功能；1.6應(yīng)用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行關(guān)鍵元器件參數(shù)的選擇、主要功能特性的仿真與電路特性分析。2 方案設(shè)計(jì)與論證該設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成:震蕩器、秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器、BCD-七段顯示譯碼/驅(qū)動(dòng)器、LED七段顯示數(shù)碼管、時(shí)間校準(zhǔn)電路3。數(shù)字鐘數(shù)字顯示部分，采用譯碼與二極管串聯(lián)電路，將譯碼器、七段數(shù)碼管連接起來，組成十進(jìn)制數(shù)碼顯示電路，即時(shí)鐘顯示。要完成顯示需要6個(gè)數(shù)碼管，八段的數(shù)碼管需要譯碼器械才能顯示，然后要實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)需要60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在在仿真軟件中發(fā)生信號(hào)可以用函數(shù)發(fā)生器仿真，頻率可以隨意調(diào)整。60進(jìn)制可能由10進(jìn)制和6進(jìn)

4、制的計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成，頻率振蕩器可以由晶體振蕩器分頻來提供，也可以由555定時(shí)來產(chǎn)生脈沖并分頻為1Hz。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分。擴(kuò)展電路必須在主題電路正常運(yùn)行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展。主體思路如圖1所示： 時(shí)十位時(shí)個(gè)位分十位分個(gè)位秒十位秒個(gè)位24進(jìn)制時(shí)計(jì)數(shù)60進(jìn)制分計(jì)時(shí)60進(jìn)制秒計(jì)時(shí)校時(shí)電路振蕩器整點(diǎn)報(bào)時(shí)鬧時(shí)拓展時(shí)鐘顯示電路圖1 電子數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖3 原理圖的設(shè)計(jì)3.1 總原理圖圖2 電子數(shù)字鐘總原理圖3.2 工作原理3.2.1直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是由整流、濾波和穩(wěn)壓三部分組成，橋式整流電路加上電容濾波后，使輸出

5、的波形更平滑，穩(wěn)壓部分，一般有四個(gè)環(huán)節(jié)：調(diào)整環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓、比較放大器和取樣電路。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載變動(dòng)引起輸出電壓Uo變化時(shí)，取樣電路將輸出電壓Uo的一部分饋送給比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差電壓經(jīng)放大后去控制調(diào)整管的基極電流，自動(dòng)地改變調(diào)整管的集一射極間電壓，補(bǔ)償U(kuò)o的變化，從而維持輸出電壓不變。7圖3 直流穩(wěn)壓電源關(guān)鍵點(diǎn)電壓測(cè)量仿真圖4 整流濾波后電壓的波形和穩(wěn)壓輸出電壓的波形仿真圖5 整流濾波后電壓的波形和穩(wěn)壓輸出電壓的波形3.2.2 1Hz標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器振蕩器可由晶振組成，也可以由555與RC組成的多諧振蕩器。由555定時(shí)器得到1Hz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)和提供

6、功能擴(kuò)展電路所需要的信號(hào)。3.2.3計(jì)數(shù)設(shè)計(jì) 在數(shù)字鐘的控制電路中，分和秒的控制都是一樣的，都是由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成的，在電路的設(shè)計(jì)中我采用的是統(tǒng)一的器件74LS161N的反饋置數(shù)法來實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制功能和六進(jìn)制功能，根據(jù)74LS161的結(jié)構(gòu)把輸出端的0101（十進(jìn)制為5）用一個(gè)與非門74LS00引到Load端便可置0，這樣就實(shí)現(xiàn)了六進(jìn)制計(jì)數(shù)。同樣，在輸出端的1001（十進(jìn)制為9）用一個(gè)與非門74LS00引到Load端便可置0，這樣就實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制計(jì)數(shù)。在分和秒的進(jìn)位時(shí)，用秒計(jì)數(shù)器的Load端接分計(jì)數(shù)器的CLK控制時(shí)鐘脈沖，脈沖在上升沿來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。時(shí)計(jì)數(shù)器可由兩個(gè)十進(jìn)制

7、計(jì)數(shù)器串接并通過反饋接成二十四制計(jì)數(shù)器。3.2.4 譯碼顯示電路設(shè)計(jì) 譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(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)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極 LED （數(shù)碼管）顯示器的 BCD 碼七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。由計(jì)數(shù)器得到的4位二進(jìn)制碼的必須通過譯碼后轉(zhuǎn)為人們習(xí)慣的數(shù)字顯示。如12：54：30的二進(jìn)制碼為00010010：01010100：00110000。譯碼之后再驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒。LED七段顯示數(shù)碼管顯示時(shí)

8、、分、秒。523.2.5 校時(shí)電路時(shí)鐘出現(xiàn)誤差時(shí)，需校準(zhǔn)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。對(duì)校時(shí)電路的要求是，在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校時(shí)方式有快校時(shí)和慢校時(shí)兩種，快校時(shí)是，通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對(duì)1Hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。慢校時(shí)是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖下圖所示為校時(shí)電路和校分電路。其中S1是校分用的控制開關(guān)，S2為校時(shí)用的控制開關(guān)，它們的控制功能下表所示。校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當(dāng)S1或S2分別為0時(shí)可進(jìn)行快校時(shí)。如果校時(shí)脈沖由單脈沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行慢校時(shí)。2Multisim仿真

9、軟件校時(shí)的具體設(shè)計(jì)方法是：用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)切換計(jì)數(shù)功能與校時(shí)功能，另一端接計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，開關(guān)置于函數(shù)發(fā)生器這一端便可以校時(shí)，置于計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端便是計(jì)時(shí)。不校正時(shí)間時(shí)開關(guān)都應(yīng)打在與非門的那一端。圖6 開關(guān)接校時(shí)電路時(shí)圖7 開關(guān)接計(jì)數(shù)電路時(shí)3.2.6鬧時(shí)電路在指定的時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)”；或?qū)δ逞b置的電源進(jìn)行接通或斷開“控制”。不管時(shí)鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號(hào)的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。例如：要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號(hào)，持續(xù)時(shí)間為1分鐘。7分59分對(duì)應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（Q3Q2Q1Q0）HI=0111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（Q3Q2Q1Q

10、0）M2=0101, 分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（Q3Q2Q1Q0）M1=1001。若將上述計(jì)數(shù)器輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，持續(xù)1分鐘后（8點(diǎn)）停響。所以鬧時(shí)控制信號(hào)z的表達(dá)式為Z=(Q2Q1Q0)HI*(Q2Q0)M2*(Q3Q0)M1*M,其中M為上午的信號(hào)輸出，要求M=1。用與非門實(shí)現(xiàn)可將Z進(jìn)行變換，即Z=其邏輯電路如圖，74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集成電路開路（OC門）的2輸入四與非門，因OC門的輸出端可以進(jìn)行“線與”，使用時(shí)在它們的輸出端與電源+5V端之間應(yīng)接一電阻RL=3.3。由圖可知在上午7點(diǎn)59分時(shí)，音響電路

11、的晶體管導(dǎo)通，則揚(yáng)聲器發(fā)出1KHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整，晶體管因輸入端為0而截止，電路停鬧。2圖8 鬧時(shí)電路及仿真3.2.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能要求時(shí)，每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響。圖9 整點(diǎn)報(bào)時(shí)蜂鳴器仿真圖圖 10 非整點(diǎn)報(bào)時(shí)蜂鳴器仿真圖4仿真調(diào)試Multisim8是一個(gè)電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件，其元器件庫(kù)提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫(kù)。有超強(qiáng)板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。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，具有豐富的仿真分析能力。Multisim8軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析的基本步驟為:設(shè)計(jì)創(chuàng)建仿真電路、原

12、理圖電路圖、選項(xiàng)的設(shè)置、使用仿真儀器、設(shè)定仿真分析方法，啟動(dòng)Multisim8仿真。仿真分析開始前可雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板。準(zhǔn)備觀察被測(cè)試波形。按下程序窗口右上角的啟動(dòng)停止開關(guān)狀態(tài)為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動(dòng)停止升關(guān)狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動(dòng)后，需要調(diào)整示波器的時(shí)基和通道控制，使波形顯示正常。在Multisim軟件中，根據(jù)數(shù)字鐘的總電路圖，設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的頻率為1Hz，把A開關(guān)和B開關(guān)都接到與非門的那端，再運(yùn)行就可以讓數(shù)字鐘自行計(jì)數(shù)了。如果運(yùn)行的太慢可以適當(dāng)調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的頻率。如果把A開關(guān)接到函數(shù)發(fā)生器上，就是對(duì)小時(shí)進(jìn)行校正，如果把B開關(guān)接到函數(shù)發(fā)生器上那就是對(duì)分進(jìn)行校正。小

13、時(shí)的計(jì)數(shù)是從01到12，不是從00到11，但在校正小時(shí)位時(shí)初始狀態(tài)仍為00。振蕩器的仿真可以直接運(yùn)行，然后用示波器觀察現(xiàn)象便可。直流穩(wěn)壓電源的仿真中可以看到用萬用表測(cè)量出關(guān)鍵點(diǎn)的電壓5.123V。用示波器A通道和B通道分別顯示整流濾波后電壓UI的波形和穩(wěn)壓輸出電壓UO的波形，從示波器顯示窗口可以看出：上面一條鋸齒波曲線為UI波形，下面一條線為UO波形。如果以上設(shè)計(jì)的電路通過模擬仿真分析，不符合設(shè)計(jì)要求，可通過逐漸改變?cè)骷?shù)，或更改元器件型號(hào)，使設(shè)計(jì)符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對(duì)更改的電路立即進(jìn)行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。5電路功能與特性總結(jié)：本設(shè)計(jì)的電子數(shù)字鐘能經(jīng)振蕩

14、分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼和顯示電路將時(shí)間“時(shí)”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，并且需要校正電路使其準(zhǔn)確工作，還有定時(shí)和報(bào)時(shí)功能?？刂戚^簡(jiǎn)單，沒有遙控、防電臺(tái)報(bào)時(shí)等復(fù)雜電路。調(diào)試時(shí)有的器件在理論上可行，但在實(shí)際運(yùn)行中就無法看到效果，所以得換不少器件，有時(shí)無法找出錯(cuò)誤便更換器件重新接線以使電路正常運(yùn)行。Multisim軟件有時(shí)會(huì)出問題，在理論上可行的電路在調(diào)試中未必能顯示出來，這就需要耐心、仔細(xì)地分析和解決問題，不斷地嘗試才能得出正確的答案。6 參考文獻(xiàn)1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分)M.第四版.北京:高等教育出版,1999.249-2592 謝自美.電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測(cè)試.第三版M武昌俞家山

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16、Designers Supervising teacher Abstract digital clock ,oscillator, counter, decoding and display circuit accurately time “when” “the minute” “the second” with the digital way demonstrated that and needs the compensating circuit to cause its accurate work, but may also have fixed time and reports time the function. The research digital clock and expands its application, has the