多功能电子钟

摘要近年来随着数字技术的迅速发展，各种中、大规模集成电路在数字系统、控制系统、信号处理等方面都得到了广泛的应用。这就迫切要求理工科大学生熟悉和掌握常用中、大规模集成电路功能及其在实际中的应用方法。数字电子钟是一种计时装置，在定时控制、自动报时及时间程序控制等方面都得到了广泛的应用。本文从24小时制多功能电子时钟的功能分析出发，设计了时钟信号发生器、时、分、秒计数器、校时选择器和整点报时器等电路，实现了时间显示、时间调整和整点报时功能，并用multisim软件实现了仿真。关键词EDA电子时钟自顶向下法Multisim仿真AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,allsortsofmedium,largescaleintegratedcircuitindigitalsystem,controlsystem,signalprocessing,etchavebeenwidelyused.Thisisurgentrequirementofengineeringstudentfamiliarandmastercommon,largescaleintegratedcircuitfunctionanditsapplicationinpracticemethod.Digitalelectricclockisatimingdevice,inthetimingcontrol,automatictimeandtimeprogramcontrolhavebeenwidelyused.Thispapermadefrom24hourclockfunctionanalysismulti-functionelectronics,basedontheclocksignalgenerator,hour,minutesandsecondscounters,resetselectorandthehourtimercircuits,etc,hasthetimedisplay,timetoadjustandintegralpointtoannounce,andrealizedmultisimsimulation.KeywordsEDAElectronicclockTop-DownmethodMultisimsimulation一、概述（一）研究背景及意义[1]1•电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）概述电子设计自动化（EDA）是以计算机为工作平台、以硬件描述语言（VHDL）为设计语言、以可编程器件（CPLD/FPGA）为实验载体、以ASIC/SOC芯片为目标器件、进行必要的元件建模和系统仿真的电子产品自动化设计过程。EDA技术可以将电子产品设计从软件编译、逻辑化简、逻辑综合、仿真优化、布局布线、逻辑适配、逻辑影射、编程下载、生成目标系统的全过程在计算机及其开发平台上自动处理完成，将传统的“电路设计——硬件搭试——调试焊接”模式变为“功能设计——软件模拟——编程下载”方式，设计人员只需一台微机和相应的开发工具即可研制出各种功能的电路。EDA技术是现代电子信息工程领域的一门重要的技术，是电子设计技术和电子制造技术的核心，EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子信息行业的发展。数字时钟的特点及意义数字时钟是用数字集成电路构成的、用数码显示的一种现代计时器，与传统机械表相比，它具有走时准确、使用寿命长、显示直观、无机械传动装置等特点，而且相比于传统机械表有着更为强大的功能。诸如定时自动报警、整点自动报时、时间程序自动控制、定时广播、定时开关路灯或电器、动力设备等，因而电子时钟广泛应用于以普通家庭、公共场所、工厂、研究设施为主的几乎任何场合。在控制系统中，数字时钟也常用来做定时控制的时钟源。因此，研究多功能电子时钟具有非常现实的意义。（二）主要内容和研究工作数字时钟的设计要求（1） 显示功能：具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示。时钟显示为二十四小时制。（2） 校时功能：当刚接通电源或数字时钟走时有偏差时，应能手动校时。（3） 整点报时功能：当数字时钟计时为整点时，应能进行整点报时。本文使用美国国家仪器公司NI（nationalinstrument）公司的EDA工具multisim10进行24小时制数字电子时钟的设计与仿真。采用自顶向下的设计方法，使用分层电路设计，从系统设计入手，现在顶层进行功能划分、行为描述和结构设计，然后在底层进行方案设计与验证以及子电路的电路连接设计。二、基础知识（一）电子系统设计的一般方法[2]自底向上法（Bottom-Up）自底向上法是根据想要实现的系统的功能要求，首先从现有的可用原件中选出合适的元件，设计成各个部件。当一个部件不能直接实现系统的某一个功能时，再用由多个部件组成的子系统去实现此功能。重复以上的过程最终就能得到可以实现系统要求的全部功能的系统。这个方法的优点是可以直接使用经过验证的成熟的部件与子系统，不仅可以提高可靠性，还可以减少重复设计造成的重复劳动，从而提高设计效率。缺点是设计过程中设计人员的思想被可用元件所限制，所以不容易实现系统化的、可靠性高的、清晰易懂的、维护性好的设计。所以一般应用于小规模电子系统设计、组装与测试。自顶向下法（Top-Down）自顶向下法首先从系统设计级开始，系统级的设计任务是：根据原始的设计指标或用户的需求，将系统的功能全面、准确地描述出来，即将系统的输入/输出（I/O）关系全面。准确地描述出来，然后进行子系统级设计。具体地讲，就是根据系统级设计所描述的功能，将系统划分和定义为一个个适当的能够实现某一功能的相对独立的子系统。每个子系统的功能（即输入/输出关系）必须全面、准确的描述出来，子系统之间的联系也必须全面、准确的描述出来。例如，移动电话应有收信和发信功能，就必须分别安装一个接收机子系统和一个发射机子系统，还必须安排一个微处理机作为内务管理和用户操作界面管理子系统，此外，天线和电源等子系统也必不可少。子系统的划分、定义和互联完成后从下级部件向上级去进行设计，即设计或选用一些部件去组成可实现既定功能的子系统。部件级的设计完成后再去进行元件级的设计，选用适当的元件去实现该部件的功能自顶向下法是一种概念驱动的设计方法。该方法要求在整个设计过程中尽量运用概念（即抽象）去描述和分析设计对象，而不要过早的考虑实现该设计的具体电路、元器件和工艺，以便抓住主要矛盾，避开具体细节，这样才能控制住设计的复杂性。整个设计在概念上的演化从顶层到底层应当由概括到展开，由粗略到精细。只有当整个设计在概念上得到了验证与优化，才能考虑“采用什么电路、元器件和工艺去实现该设计”这类具体问题。此外，设计人员在运用该方法时还必须遵循下列原则：（1）正确性和完备性原则；（2）模块化和结构化原则；（3）问题不下放原则；（4）高层主导原则；（5）直观性和清晰性原则。以自顶向下法为主导并结合使用自底向上法（TD&BUCombined）在近代的电子信息系统设计中，为实现设计可重复使用及对系统进行模块化测试，通常采用以自顶向下法为主导并结合使用自底向上法。这种方法既能保证实现系统化的、清晰易懂的、可靠性高的、可维护性好的设计，又能减少设计的重复劳动，提高设计效率。这对于以IP核为基础的VLSI片上系统的设计特别重要，因而得到普遍采用。进行一项大型的、复杂的系统设计，实际上是一个自顶向下的过程，是一个上下多次反复进行修改的过程。由于现代电子系统所采用的技术越来越先进，功能越来越强，结构越来越复杂，用传统的手工设计方法是无法设计的，也不能满足越来越短的研制周期的要求，只有采用先进的EDA工具才能完成设计任务。设计者必须具备坚实的电路与系统的理论知识，对模拟、数字、微处理器和DSP的工程设计均要熟悉，还要熟悉使用EDA工具设计电子信息系统的流程。另外，EDA工具必须配有丰富的库（元器件图形符号库、元器件模型库、工艺参数库、标准单元库、可重用的电路模块库、IP库等），这样才有好的设计功能、高效率及具体工艺实现的可能性（由设计文档变成产品）。（二）Multisim简介[3]Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包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。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。三、24小时多功能电子钟的功能分析和顶层结构分析首先数字时钟计时需要频率为“1秒”的时钟信号，这就需要脉冲产生电路和分频电路制作一个时钟信号发生器。电子钟的时钟为24进制，分钟和秒钟都是60进制的因此需要一个24进制和两个60进制的计数器。同时应有时间显示电路，分别显示当前的“时”“分”“秒”。另外，手动校时的功能实现需要一个校时选择电路来进行“时”与“分”校正之间的切换，还要校时电路和校分电路对“时”与“分”计数器状态进行改变。最后，报时功能通过识别“分”计数器的“整点”状态产生报时信号，接入报时电路从而实现该功能。综上考虑，可以采用图3.1所示的电路原理结构图进行数字时钟的顶层结构设计。图3.1由振荡器与分频器构成的秒发生器产生秒信号进入秒计数器，秒计数器对秒

信号进行计数，同时将计数器的当前状态输出给秒显示器，并在计数到达60时产生一个进位信号输出给分计数器，分计数器用相同原理计数、显示，并在计数到达60时产生进位信号，同时输出给报时电路和时计数器，时钟计数并且系统报时。校时选择电路在三个状态间切换：“时”校正、“分”校正、以及取消校正。前两个状态时可以分别激活校时电路或校分电路从而实现时钟和分钟的校正，后一个状态取消校时，数字钟继续走时。这样，数字钟的所有功能就都实现了。四、模块的设计与功能调试（一）时钟信号发生子电路[4]一般有两种电路能够产生时钟信号。一种为石英晶体振荡器，其特点是震荡频率准确、电路结构简单、频率易调整。另一种为555定时器与RC电路构成的多谐振荡器，此处我采用的是后者。多谐振荡器也称矩形波发生器，是一种自激振荡器。它没有稳态而有两个暂稳态，工作时电路状态自动在两个暂稳态之间转换，由此而产生作为时钟信号的矩形波脉冲。图4.1即为555定时器与RC电路构成的多谐振荡器。£TF 4555£TF 4555623L 5图4.1图4.2为图4.2为555定时器的内部结构以及引脚图。图4.2将555定时器按照图4.1所示连接，如图4.3所示图4.3电路接通电源的瞬间，由于电容上的初始电压为零，Vc=Ov,经反向输出后555定时器状态为1,输出Vo为高电平。电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I。当充到输入电压v=V时，输出跳变为低电平，电容C又通过电阻R2c T+开始放电。当放电至v=v时，输出电位又跳变成高电平，电容C重新开始充电。如c此周而复始，电路便不停地震荡。电路开始产生周期性的输出脉冲。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态I的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1~O.7(R1+R2)C；暂稳态II的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2~0.7R2C。因此，振荡周期T=T1+T2=O.7(R1+2R2)C,振荡频率f=l/T。正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比D，由上述条件可得D=(R1+R2)/(R1+2R2),若使R2»R1，则D~l/2,即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波(方波)。Vc和Vo的电压波形如图4.4所示。

根据以上原理，我在Multisim10中连接了如图4.5所示电路，图中左上部分即为555定时器构成的多谐振荡器。图4.5连接后进行仿真，通过频率计测得振荡器输出方波周期为1ms，如图4.6所示。■.001msec缓喪信号压缩比缓喪信号压缩比图4.6既然已经得到了Ims的信号，进行千分频后即可得到IS方波。如图4.5的右下部分所示，我使用了二、五、十进制加法计数器74LS90做为10进制计数器将3个74LS90串联后就达到了千分频的目的。进行10分频和100进行10分频和100分频后的波形分别如图4.7和图4.8所示图4.7图4.8最后，通过CLOCK_SIG端口将秒信号输出。二）时、分、秒钟计数子电路计数电路主体部分我使用了可预置的10进制同步计数器74LS160。图4.9如图4.9,我使用了两个10进制计数器74LS160串联，低位的进位信号连接到高位的时钟信号，而当高位的片子状态为“0101”时，即计数到“5”时，通过与非门74LS00将给置位端LOAD低电平信号使片子处于置位状态，当低位信号再次到来即秒钟处于“59”时，下一个低位溢出信号将使高位置位，置位的4个端口都接地即“0000”，此时相当于同步清零。由于是同步清零，所以实际上不会有计数到“60”的状态出现。另外，我将Qc位接出作为分钟计数器的时钟信号，当高位由“5”变为“0”时，Qc位由高电平变为低电平，产生一个向分计数器的进位。由于分计数器与秒计数器同理，所以类似地，我设计了分计数器电路。如图4.10所示。丿十 鸣 —-T； 丿十 鸣 —-T； ItOtH:CLK□—匚LK■-S轉时1 亡jQ（houi）］阳屈玄＞3・3#1可置讣订辰|旺）H?■｛匚LUaX—FDH^L厂订图4.10图4.10而小时计数器与前两个计数器差别不大，只是低位与高位分别处于“0100”和“0010”状态即小时计数器处于“24”状态时将清零。另外也不用连接向更高位的输出端口了。电路设计图如图4.11所示。图4.11（三）校时选择子电路校时选择电路需要在三个状态之间切换，即：“校时”、“校分”和取消校时。我使用了三——八译码器741S138,用输入的BCD码控制三个状态间的转换，而

用于控制的BCD码依然由十进制计数器741S160提供，将741S160的低三位与

741S138的输入相连就能实现了。另外741S160的LOAD连接到了QB位即第二

位，这样当状态由“0011”再计数变成“0100”时将使片子置为“0000”这样十

进制计数器计数到4时将被置位。从而实现三个状态间的依次转换。第一个状态将HOUR进制计数器计数到4时将被置位。从而实现三个状态间的依次转换。第一个状态将HOUR端口置高位，第二个状态将MIN端口置高位，第三个状态接空接。计数器的时钟输入接SET端口。如图4.12所示。图4.12（四）整点报时子电路整点报时电路采用了两个本章第一节采用的555定时器构成的多谐振荡器，构成报时器的主体部分。将两个多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到蜂鸣器上。这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡,扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止震荡,此时扬声器无音频输出。因此从扬声器中听到间歇式的“滴...滴”声响。另外，我使用了一个运算放大器作为开关，当SIG_IN端口有信号输入时，基极才会有电压，此时电源才与多谐振荡器连接否则将是断开的。电路如图4.13所示图4.13五）总线连接与总体仿真设计完各个子电路后就要将他们连接起来，首先将“时”“分”“秒”计数模

块分别与LED显示连接，将时钟脉冲连接到秒计数器的时钟信号输入。报时模块的输入连接到分计数器的进位输出。调时选择模块用到了三个按钮，J1按钮提供选择信号，按下一次将有一个脉冲输入子电路，选择模块从当前状态进入下一个状态。调时选择模块的MIN输出通过按钮J3,并且和秒计数器的进位信号进行“或”运算后接到分计数器的时钟信号上。这样，来自MIN和秒进位的任意一个脉冲都将使分计数器计数。同理,HOUR和分进位接到了小时计数器的时钟输入。为了方便，我将调时的按钮J2和J3都设为了空格键SPACE，这样就不用分设两个键来分别调节小时和分钟示数了。总电路连接由图4.14所示。SVJ1toc口I.= zaAbn,-njsil'iiiLMD_lirM_OLUE4TLDCK雪加SVJ1toc口I.= zaAbn,-njsil'iiiLMD_lirM_OLUE4TLDCK雪加召JEAhflltf_rLKVS7ACE.MK彗匸匚II.C-_.raoriaciw■BEHCTO-HEH图4.14完成后进行仿真，电路成功地实现了所有的功能。仿真开始后秒钟开始计数，并且可以正常进位。按下按钮A可以选择调时、分或不调。处于调时或调分状态时每次按下空格键，被选中的计数器数字加一。整点时报时器发出“滴”、“滴”声。五、总结与展望该论文运用Multisim软件，设计了具有调时功能和自动报时功能的24小时制电子时钟并进行了仿真验证。使我熟悉了multisim在复杂电子电路分析中的应用，掌握了24小时制多功能电子钟电路的分析方法，巩固了已学的模电数电知识，了解了更多中小规模集成电路的使用方法。由于本科所学知识有限，仍然存在许多未解决的问题。首先整点报时电路部分没能实现按点报数，不能从报时声中知道当前时间。而且报时电路没有开关，触发报时后无法自动停止。在总电路的连接中，考虑到信号线较多、总体电路连线复杂且不美观，我采用了总线连接方式，使信号线连接简洁、美观，电路可读性强。虽然本论文设计的电子钟已经包含的时钟的基本功能，但是仍然有许多很有价值的功能可以实现。例如定时闹钟功能，日历功能等。附录

本文所用元器件74ls160引脚图74ls160功能表输入输1!CF石LDS,氐DCBAQ°a6Qa洁零X0XXX.X天XX(JUU■00送徹L0XXdChaJChRu-lira1111XXXX二赴制计数XL1V]XXX帛棵持X1110X\%741s90引脚图星|罔1■勿：I 总|ICP|N<!Qatj：.OMJQfaflc7dl，St)O単Rap）呷⑵匹旳匚旳1｝列I町T~=1__；〕丨引~5|~石tT-74LS90的功能表入输,'i；功?Sn置9LI 44Qb-Q.-QtOsl<1D,R.3ML「EgCP.3110呂XX0 0y-0&0x1]X利1 <J Cl 1肯9-11口，输J\\—.ill制订ffc1I兀辿•制