基于Multisim10电子数字钟的设计与仿真

1、电子技术综合设计报告设计课题：电子数字钟的设计与仿真专业班级：电子信息工程学生姓名：指导教师：设计时间：电子数字钟的设计与仿真设计者指导教师摘要数字钟能经振荡器、计数器、译码和显示电路准确地将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，并且需要校正电路使其准确工作，还可以有定时和报时功能。研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。本文在Multisim基础上设计的数字钟，是由数字集成电路构成、用数码管显示。关键词数字钟振荡器计数器译码显示仿真引言数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警

2、、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播。而且与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动、无需人的经常调整等优点。数字钟的设计涉及到模拟电子与数字电子技术，其中绝大部分是数字部分、逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、编码器、译码器显示等基本原理。现在主要用各种芯片实现其功能，更加方便和准确。Multisim8作为一种高效的设计与仿真平台。其强大的虚拟仪器库和软件仿真功能，为电路设计提供了先进的设计理念和方法。设计任务与要求1.1设计+5V稳压电源；1.2用LED管显示时、分、秒；1.3具有校时功能；1.4具有整点报时功能；1.5具有闹钟功能；1.6应用Mu

3、ltisim仿真软件对电路进行关键元器件参数的选择、主要功能特性的仿真与电路特性分析。方案设计与论证该设计主要由以下几部分组成:震荡器、秒计数器、分计数器、时计数器、BCD-七段显示译码/驱动器、LED七段显示数码管、时间校准电路数字钟数字显示部分，采用译码与二极管串联电路，将译码器、七段数码管连接起来，组成十进制数码显示电路，即时钟显示。要完成显示需要6个数码管，八段的数码管需要译码器械才能显示，然后要实现时、分、秒的计时需要60进制计数器和24进制计数器，在在仿真软件中发生信号可以用函数发生器仿真，频率可以随意调整。60进制可能由10进制和6进制的计数器串联而成，频率振荡器可以由晶体振荡器

4、分频来提供，也可以由555定时来产生脉冲并分频为1Hz。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。扩展电路必须在主题电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。主体思路如图1所示：图1电子数字钟系统组成框图原理图的设计3.1总原理图94R36R3243R3910105%!100!5%5%V|DDSV11217113100!5%DABCDEFGDYYYYYYYDABCDEFGDYYYYYYYABCDEFGIJU27U24U284511BP_5VR4750!5%1375%1381uF4R150!5%R25%00!45I1BP74LS001074LS04N55U167

5、4LS161N54VCCVCC5VVCCVCC123VCCU43RSTOUTr7139C3DISTHRTRICONGND100nL8C1h(VDD3.2工作原理j_咄U22B6R27R2：歹1005%10000卜100|502875787974LS08DCK127U20IFlU580U21CDR25R18100!5%6264100!5%DABCDEFGDYYYYYYYVOD4511BP5VU34AU13ADABCDEFGDYYYYYYYL4374LS08DU15A491525V74LS04D14074LS00NU145V5174LS161NLM555CMVDD5VVDDVCCCCU1RSTOU

6、TDISTHRTRICONND100nFXLM555CM77374LS0074LS08D-I56574874LS161N74LS0CU6VQC5V74LS04DR4910M5%1415V74LS04DR45101M!J1-5%13ffKey=Spa4610M!5%D44A_Key=AIrR50U10M!5%VDD5VU198400U92R1R14崭iiii11DABCDEFGDYYYYYYYIDABCDEFGDYYYYYYY3円LAbCDeFg4574LVCCU84511BP_5VU3vd4511BP_sS161N74LS0晋阿=2:二Ml11i_i.：2；2：m.01LZHR3220Vf3)

7、Hr?1BIB42QI-:ittiF：J.ll11旗湮:G2此：；卡乃血皿二恤F：.WWWC10C7KtjjL上A觊2.图3直流稳压电源关键点电压测量仿真T1&4：.7uFZ.2iiE3k：、220Vr厂筑H?汽Tfi0WFJIL-JL4:ZZi.ZiiFJ31T%詡丄EG；J214-H.血C31H:R1：二I:：魏比R3单帆:LYo：:hJt-rn-1-讹；些KSLc?1：liFnC71TZiDff.7ijFL1：liF：U2LM33ZH图4整流滤波后电压的波形和稳压输出电压的波形仿真图5整流滤波后电压的波形和稳压输出电压的波形3.2.21Hz标准脉冲发生器振荡器可由晶振组成，也可以由555

8、与RC组成的多谐振荡器。由555定时器得到1Hz的脉冲，功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。3.2.3计数设计在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74LS161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0,这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0,这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的Load

9、端接分计数器的CLK控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。译码显示电路设计译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码一七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示。如12：54：30的二进制码为00010010：01010100：00110000

10、。译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。LED七段显示数码管显示时、分、秒。52校时电路时钟出现误差时，需校准。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有快校时和慢校时两种，快校时是，通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。其中S是校分用的控制开关，S为校时用的控制开关，它们的控制功能下表所示。2校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S或S分别为0时可进行快校时。如12果校时脉冲由单脉

11、冲产生器提供，则可以进行慢校时。Multisim仿真软件校时的具体设计方法是：用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时。不校正时间时开关都应打在与非门的那一端。x111111VDDu口ITMLBOONhumK141N-!4L!B_LHUS411BPJVU3BAV74LSO4DU116F44貂；lVDDT5VJDDm|uipi半Ib頼74L80BDEAtaCQIrWOOLEli11ia11BPJ4LSSBCMLEDDNF4LS矽Multimeter-X.U4AcnHLsonNU41AE图6开关接校时电路时

12、中IIlliI；3菲浮鹉*4511BF_U33A74LHOEDAtai：DIPI1-1U32Ag爭器貯詐uaus-11EF_6nJaJl亡ElPGi.-k.U19AHLSOBDU-IOA74LBOONU1274L31B1MiT4LBODNLr4LsnIii想-iMit-16VJ11QMTTwjiHIB04DU9BAF4OQN192U4dA=XLlu!lVDDgXMH1-I-U41AE9F4OBH74OGN矽Multimeter-X.-I!F4LDO4-nynJ?4LB1H1N1a*U3EApEii图7开关接计数电路时3.2.6闹时电路在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”或对某装置的电源

13、进行接通或断开“控制”不管时闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。例如：要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。7分59分对应数字钟的时个位计数器的状态为（QQQQ）=0111，分十位计数器的状态为TOC o 1-5 h z3210HI（QQQQ）=0101,分个位计数器的状态为（QQQQ）=1001。若将上述计数器210M23210M1输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（8点）停响。所以闹时控制信号z的表达式为Z=(QQQ)*(QQ)*(QQ)*M，其中M为上午的信号输出，要求M=

14、1。10HI20M230M1用与非门实现可将z进行变换，即Z=(QQQ)M(QQ)(QQ)210HI20M230M1其逻辑电路如图，74LS20为4输入二与非门，74LS03为集成电路开路(OC门)的2输入四与非门，因OC门的输出端可以进行“线与”使用时在它们的输出端与电源+5V端之间应接一电阻R3.3Q。由图可知在上午7点59分时，音响电路的晶体管导通，贝U扬声器发出1KHz的声音。持续1分钟到8点整，晶体管因输入端为0而截止，电路停闹。图8闹时电路及仿真3.2.7整点报时整点报时的功能要求时，每当数字钟计时快到整点时发出声响。U27BUZZERiqo；+_q9jucncraox1!3aU2

15、3451嫁Multimeter-X.图9整点报时蜂鸣器仿真图U15A74LSiJUf-14t|2DOH=刊uja紳站匸泮U2fi4-511BP_5VU3711912rlrlQV一i葯1u.-u.-D1D弊員亡74LS05D伊MultimeterX.ovhiiiiU21JIL=：D&D八/1122-1*-=F膀ULIasr16Ilr?=-a邛*带泮111TiiIU19妬!怕图10非整点报时蜂鸣器仿真图4仿真调试Multisim8是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。有超强板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包

16、含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim8软件进行设计仿真分析的基本步骤为:设计创建仿真电路、原理图电路图、选项的设置、使用仿真仪器、设定仿真分析方法，启动Multisim8仿真。仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动/停止开关状态为1,仿真分析开始。若再次按下，启动/停止升关状态为0,仿真分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。在Multisim软件中，根据数字钟的总电路图，设置函数发生器的频率为1Hz，把A开关和B开关都接到与非门的那端，再运行就可以让数字钟自行

17、计数了。如果运行的太慢可以适当调节函数发生器的频率。如果把A开关接到函数发生器上，就是对小时进行校正，如果把B开关接到函数发生器上那就是对分进行校正。小时的计数是从01到12,不是从00到11,但在校正小时位时初始状态仍为00。振荡器的仿真可以直接运行，然后用示波器观察现象便可。直流稳压电源的仿真中可以看到用万用表测量出关键点的电压5.123V。用示波器A通道和B通道分别显示整流滤波后电压UI的波形和稳压输出电压UO的波形，从示波器显示窗口可以看出：上面一条锯齿波曲线为UI波形，下面一条线为UO波形。如果以上设计的电路通过模拟仿真分析，不符合设计要求，可通过逐渐改变元器件参数，或更改元器件型号

18、，使设计符合要求，最终确定出元器件参数。并可对更改的电路立即进行仿真分析，观察虚拟结果是否满足设计要求。5电路功能与特性总结：本设计的电子数字钟能经振荡分频器、计数器、译码和显示电路将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，并且需要校正电路使其准确工作，还有定时和报时功能。控制较简单，没有遥控、防电台报时等复杂电路。调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。Multisim软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要耐心、仔细地分析和解决问题，不断地尝试才能得出正确的答案。6参考文献1康华光.电子技术基础（数字部分）M第四版北京:高等教育出版,1999.249-2592谢自美电子线路设计实验测试第三版M武昌俞家山：华中科技大学出版社，2006.235-2383臧春华.电子线路设计与应用M北京.高等教育出版社,2004.175-1784梁德厚.数字电子技术及应用M北京.机械工业出版社,2005.178-1825郭锁利基于Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用M北京人民邮电出版社,2008.235-2476陈大钦.电子技术基础实验.第二版.M.北京.高等教育出版社,2000.288-2907康华光.电子技