基于Proteus的數字鐘電路的設計與仿真

周靜紅 蘇州健雄職業技術學院 電氣工程學院

基于Proteus的數字鐘電路的設計與仿真

周靜紅 蘇州健雄職業技術學院 電氣工程學院

數字鐘作為生活中一種常見的計時工具，備受人們的歡迎，它通常使用在手機、鬧鐘、馬表等各個與計時相關的應用中。本文介紹了數字鐘電路的主要工作原理、系統組成、單元電路的設計以及仿真技術的使用。通過Proteus仿真技術以及部分芯片的使用，直觀展現了數字鐘電路的整點報時功能、校時校分功能，不僅功能比較完整，而且經濟實惠。

Proteus；數字鐘；計數器；設計；仿真

引言

數字鐘是一種用數字電路技術實現時、分、秒計時的鐘。與機械鐘相比具有更高的準確性和直觀性，具有更長的使用壽命，已得到廣泛的使用。本文所設計的數字鐘電路，在考慮經濟成本的基礎上，要求具有如下功能： (1)具有時、分、秒計時及顯示功能；(2)計時范圍從00時00分00秒到23時59分59秒；(3)具有手動校時、手動校分功能；(4)具有整點報時功能；（5）具有鬧鐘功能。

1.電路總體框架設計

本文設計的數字鐘電路，首先是通過振蕩器產生1KHZ的脈沖信號，然后再通過分頻器產生標準的1S信號，其次再通過秒計數器電路進行計數，當計到60的時候分計數器會自動進1，同理，分計數器計到60 的時候時計時器會自動進1，時計數器計數的規律是每24次翻0，最終通過譯碼器顯示實際值。如計時計分出現問題，可通過校時校分電路進行調整，具體電路如圖1所示。

圖1 電路總體框架

2.單元電路設計

2.1 振蕩器的設計。由于本文設計的數字鐘是用于仿真測試的，對計時精度要求不是太高，同時考慮經濟成本的情況下，為了使輸出能產生1KHZ的頻率，采用了555定時器與電阻R以及電容C構成的振蕩器。通過改變可調電阻的阻值，使得輸出頻率有不同的變化。根據電容充放電的原理，由電阻R和C確定時間常數的值，最終計算出振蕩器的頻率。

2.2 分頻器的設計。要想產生1S的標準信號，即輸出頻率為1HZ，對于74LS90芯片來說，由于其內部的十進制功能，通過Q3端的輸出使得每片輸出為10分頻，我們可以通過使用3片74LS90級聯的方式實現1S的標準信號。把第一片的Q3輸出接到第二片的輸入端，以此類推，依照每片芯片的輸出頻率都是前一片輸出頻率的1/10的規律，最終促使最后一片的輸出頻率1HZ。

2.3 時、分、秒計數器的設計。為了區別白天和夜晚，我們一般都采用二十四小時計數法。74LS90芯片是一片二-五-十進制計數器，在本文中我們主要使用了74LS90的十進制功能。對于秒計數器和分計數器，我們通常計數的范圍為00-59，即為“60進制計數器”；對于時計數器，我們通常計數的范圍為00-23，即為“24進制計數器”。

2.4 譯碼顯示電路的設計。為了直觀地顯示數字鐘時鐘電路、分鐘電路、秒鐘電路的讀數，本文采用了CD4511譯碼驅動器和共陰極數碼管。通過74LS90的四個輸出連接到CD4511的四個輸入，在測試時要注意幾個使能控制端的連接，具體連接可參考每個芯片的真值表。

2.5 校時、校分電路的設計。在生活中，數字鐘因為電量不足或其他原因，難免會影響時針和分針的準確性，因此校時電路和校分電路的存在非常有必要。為了方便客戶的不同需求，這兩個電路既可以同時校正，也可以分開校正。當時鐘電路和分鐘電路離實際時間相差甚遠時，可以采用“快校時”，即同時校時校分；當時鐘電路和分鐘電路離實際時間相差不多時，可以采用“慢校時”，即通過校分來調整時鐘電路和分鐘電路的顯示值。

2.6 鬧時電路的設計。每個數字鐘都具有鬧時功能，本文也不例外。按照8421的編碼規律區分白天和夜晚的時間，需要幾點鬧時，就把時和分的編碼計算好，通過74LS20、74LS03、74LS00等與非門電路去驅動音響電路。音響電路的工作時間為1分鐘，本文列舉了7時59分的鬧時信號。

2.7 整點報時電路的設計。為了在數字鐘整點到來之前能讓人們提前知曉，本文設置了59分51秒、53秒、55秒、57秒為低音，最后的59秒為高音，這樣可以清晰地讓人們感受到整點的到來，時間持續長達1秒，以每隔一秒的間斷聲響做出提醒，通過4低音1高音結束整點報時。

圖2 數字鐘仿真電路

3.電路仿真

結合各個單元電路的設計，首先用Proteus仿真測試二十四進制計數器和六十進制計數器正確的基礎上，完成秒信號的送入；其次用Proteus測試校時校分電路的合理性，為了防止發生錯誤，及時糾正，在本文中我們設置了校時校分電路，這兩個電路在校對的時候可以同時進行，也可以先校分再校時，主要測試在校分校到59的時候，時鐘電路能否進位；第三用proteus測試是否具備鬧時功能和整點報時功能；如以上幾個條件都滿足，我們將進行各個電路的組合，具體仿真結果如圖2所示。

4.結束語

本文主要介紹了數字鐘電路的組成以及各個單元電路的設計，通過各個單元電路的仿真測試，在仿真正確的基礎上進行了各個單元電路的整合，功能合理，經濟實惠。

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周靜紅（1981-），女（漢族），江蘇太倉人 ，講師，主要從事電氣自動化控制研究。