應用Multism實現數字時鐘電路的設計

江都職教集團電子信息工程系 陳 琴

在職業學校應用電子等相關專業的課程體系中，數字電路對于學生專業能力的形成具有極為重要的作用。數字電路主要討論了時序邏輯電路、組合邏輯電路的設計與分析方案。其中組合邏輯電路主要側重研究電路的輸入與輸出的邏輯關系，其電路的設計與分析較為簡單；時序邏輯電路由于同時考慮到系統的初始狀態以及輸入狀態，因此設計難度較大。為了能夠使得在教學過程中，學生能夠對于時序邏輯電路具有較好的掌握，可以應用時鐘電路的設計作為一個教學項目，并使用Multism仿真軟件，加強學生的直觀理解，并有效提升數字電路的教學效果。

1.Multism簡介

Multism是美國NI公司開發的全功能電子設計平臺，又被稱為虛擬實驗室。軟件為電子工程師以及所有的電子愛好者提供了完整的電子設計工作平臺（EWB）。軟件具有豐富的電子元器件庫，包含常見的基本元件以及集成芯片，同時軟件具備多種常見的分析測試儀器，主要包含萬用表、示波器、邏輯分析儀、字信號發生器、信號源等。目前軟件具備了直流分析、交流特性分析、邏輯狀態分析、傅立葉分析、噪聲分析等多種分析方案，能夠為電路性能分析提供重要的參考。由于其功能強大，能夠直觀反映所設計電路的工作效果，因此在數字電路的教學過程中采用軟件仿真的方案可以有效加強學生對電路的認識，提升教學效果。

2.時鐘電路的設計與仿真

時鐘電路設計中涉及到秒脈沖電路的設計、秒計時電路、分鐘電路以及小時電路的設計。綜合應用了555時基電路、計數器電路以及電路級聯等方面的知識。對于學生的時序邏輯電路的設計與分析能力是一個比較綜合的鍛煉。

圖1 由555定時器構成的時鐘信號以及波形

2.1 基于555時基電路的秒脈沖發生電路的設計

時鐘電路計時主要是應用了74LS162計數器芯片的級聯實現，計數器芯片需要標準的秒脈沖電路作為工作的CP脈沖實現精準的計時。產生秒脈沖的實現方案較多，可以采用振蕩電路、555時基電路、晶振等多種方案實現。在本例中主要側重對于數字電路知識的掌握，因此采用了555時基電路構建秒脈沖發生器。555時基電路的電路原理圖以及工作波形如圖1所示。

2.2 秒計時電路、分鐘電路以及小時電路的設計

應用兩片同步十進制計數器74LS162級聯，并改變進制可以實現60進制的秒計時電路以及分鐘計時電路，小時電路則使用二十四進制的方式。電路采用同步時序進行控制。秒、分鐘計時電路的電路原理圖如圖2所示，小時電路的電路原理圖如圖3所示。

在時鐘電路的分鐘以及秒計時電路中，采用了60進制的方案，以秒計時電路為例，當計數值達到60的時候，與非門電路輸出低電平控制計數器芯片的清零端，計數器清零，重新開始計數，同時秒計時電路還必須給分鐘計時電路提供一個脈沖，使得分鐘計時加一。分鐘電路的工作原理與秒基本相同，在計時滿60分鐘的時候需要自身清零，同時向小時電路提供一個高電平脈沖。小時計時電路采用二十四進制，因此計數電路清零方式也與秒、分鐘電路不同。整體電路采用了同步的時序，電路工作性能較為穩定。

2.3 各模塊電路之間的連接

圖2 分秒計時電路

圖3 小時計時電路

要能夠完成整體時鐘電路的仿真分析，需要將各個單元電路進行級聯。在模擬電子產品的設計過程中單元電路級聯的時候要充分考慮到阻抗特性以及耦合方式對于電路整體工作性能的影響。在數字電子產品的設計過程中，一般單元電路工作正常的前提下，只要單元電路之間連接正確都可以正常工作。各個模塊之間的連接方式如圖4所示。

3.數字時鐘電路的功能拓展以及改進方案

本時鐘電路采用了數字時序邏輯電路的方案進行了設計，能夠完成對于時、分、秒的計時。但是同時也存在較多可以進一步優化的方案。主要包含以下幾個方面，首現是功能的進一步拓展，可以在加上星期以及天數的計數模塊，實現萬年歷的功能，添加溫度、濕度等傳感器實現溫度、時間等共同顯示，需要的時候還可以添加鬧鐘模塊等；其次電路的性能也可以進一步優化，比如可以采用頻率準確度更高的晶振電路提供秒脈沖信號，提升計時的精確度，可以使用DS1302計時芯片簡化電路的結構等。在實際的教學過程中可以為學生提供一定的思路，指導學生在掌握本種設計方案的基礎上，進行研究性學習，提升學習的積極性以及學習的實際效果。

圖4 數字時鐘電路整體設計圖

4.結論

時鐘電路是一個復雜度較小，但是較為綜合的時序邏輯電路。在目前職業學校進行專業課程教學過程中，普遍存在著學生對于理論知識學習的興趣不高，學習效果較差的現象。作為應用電子技術等相關專業的專業基礎課程，數字電路在教學的過程中就要能夠吸收教學改革的先進理念，應用現代化的教學手段，為學生的專業課程學習提供直觀的教學方式。應用Multism軟件進行時鐘電路的設計，能夠直觀體現電路工作的性能，有效提升學生學習的積極性與主動性，改善課程的教學效果。

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