基于Multisim的數(shù)字鐘實驗電路的設(shè)計與仿真

在電子技術(shù)實驗教學中，構(gòu)建學生的電路設(shè)計理念，提高學生的電路設(shè)計能力，是教學的根本目的和核心內(nèi)容。數(shù)字鐘電路的設(shè)計和仿真，涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等多方面知識，能夠體現(xiàn)實驗者的理論功底和設(shè)計水平，是電子設(shè)計和仿真教學的典型案例。文中采用了555 定時器電路、計數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和時鐘校正電路，來實現(xiàn)該電路。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計方案

　　數(shù)字鐘由振蕩器、分頻器、計時電路、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；分頻器的作用是進行頻率變換，產(chǎn)生頻率為1 Hz 的秒信號，作為是整個系統(tǒng)的時基信號； 計時電路是將時基信號進行計數(shù)；譯碼顯示電路的作用是顯示時、分、秒時間；校正電路用來對時、分進行校對調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

　　2 子系統(tǒng)的實現(xiàn)

　　2.1 振蕩器

　　本系統(tǒng)的振蕩器采用由555 定時器與RC 組成的多諧振蕩器來實現(xiàn)， 如圖2 所示即為產(chǎn)生1 kHz 時鐘信號的電路圖。此多諧振蕩器雖然產(chǎn)生的脈沖誤差較大，但設(shè)計方案快捷、易于實現(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， 要得到標準的秒信號，就需要對所得到的信號進行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：1） 產(chǎn)生標準脈沖信號；2） 提供電路工作需要的信號，比如擴展電路需要的信號。通常實現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，選擇74LS160 十進制計數(shù)器來完成上述功能[5].如圖3 所示，555 定時器產(chǎn)生1 kHz 的信號，經(jīng)過3 次1/10 分頻后得到1 Hz 的脈沖信號， 為秒個位提供標準秒脈沖信號。

　　2.3 時間計數(shù)器

　　計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡(luò)的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其它特定的邏輯功能，如測量、定時控制、數(shù)字運算等等。

　　本部分的設(shè)計仍采用74LS160 作為時間計數(shù)器來實現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。時間計數(shù)器由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器、時個位和時十位計數(shù)器構(gòu)成。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用反饋清零法，當計數(shù)器正常計數(shù)時反饋門不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計數(shù)。

　　2.3.1 分（秒）計數(shù)器

　　分（秒）計數(shù)器均為60 進制計數(shù)，如圖4 所示。它們的個位用十進制計數(shù)器74LS160 構(gòu)成，無需進制轉(zhuǎn)換，信號輸入端CLK 與1 Hz 秒信號相連，進位輸出作為十位的計數(shù)輸入信號。十位采用反饋清零法將十進制計數(shù)器74LS160 變成六進制計數(shù)器，因為清零端為低電平有效、所以將QB、QC與非后連接到清零端， 即計數(shù)器的輸出狀態(tài)為“0110”時QB、QC 輸出高電平與非后為低電平實現(xiàn)有效清零并對下一級進位。兩級電路組成一位60 進制計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00→01→…→58→59→00.當秒計數(shù)滿60 后向分個位提供一個進位信號，同理當分計數(shù)滿60 后向時個位提供一個進位信號。