基于Multisim數字鐘設計與仿真分析

陳新

渤海大學工學院

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基于Multisim數字鐘設計與仿真分析

陳新

渤海大學工學院

在電子技術領域用Multisim作為仿真軟件是極其普遍的，Multisim仿真軟件中自動化設計具有很大的優勢。本文主要分析了基于Multisim數字鐘的仿真實現，數字鐘的組成部件主要包括計數器、校時器、分頻器、振蕩器和譯碼器等。論文中還介紹了一些部件的運行原理以及基于Multisim模式的軟件仿真實現過程。通過仿真的結果可以表明運用Multisim軟件進行仿真具有很好的便捷性、靈活性，對于現實中的實際應用也有著重要意義。

Multisim 數字鐘 仿真

1　引言

隨著電子技術不斷發展，在實驗室中通過仿真軟件的應用可以虛擬出一個電子平臺，這個平臺有著先進的測試儀器，功能種類豐富的元件器件。這個平臺的實現擺脫了實驗室的一些限制因素并克服了由于在實驗過程中可能引起的儀器損壞而帶來的影響。在電子線路的設計過程中采用計算機的虛擬技術這個與傳統意義上的設計在對比效率方面大大地得到了提高。

Multisim是一種EDA軟件，它是由美國國家儀器公司進行研發的。Multisim的操作平臺是基于Windows運行，其仿真范圍涉及到單片機、模擬電路以及數字電路等。采用Multisim進行電路仿真具有效率高、低成本的優點，而且在實際的應用方面也具有比較大的輔助價值。

隨著電子數字技術的不斷發展，Multisim在電路中的應用越來越廣泛，是教學實驗中的重要輔助工具。分頻操作是通過振蕩器信號實現的，經過振蕩器震蕩后生成秒信號，計秒和計分采用的是60進制，變化區間從00到59，而計時采用的是24/12進制。在設計電路的過程中，一般將電路分為好幾個單獨的電路實現，然后再把這些元件進行組合，最后再測試。但實際上顯示的結果可能跟教程上的不太一樣。比如通過晶震進行頻率的輸出結果和通過示波器頻率的測試結果是有誤差的，而且分頻器秒信號的結果輸出與真正的結果在時間上存在很大出入，時間警報的高音和低音也不是很突出。

2　數字鐘的組成部件及原理

數字鐘主要包括譯碼器、顯示電路和計數器電路等，它是數字電路的一個典型代表，能將電路進行仿真以使人們更加深入了解數字鐘的原理。根據設計的需求，數字鐘能顯示出時鐘、分鐘、秒鐘，計時的結果是通過6位數碼管進行顯示的。數字鐘的器件選擇是實驗室中經常應用到的元器件，比如計數器選擇的是CD4518計數器級聯而成的。

2.1時鐘發生電路

時鐘發生電路中可以選擇的電路一般是555的定時器或者石英晶體形成的振蕩器，本論文中選擇的是石英晶體的振蕩電路，由石英晶體振蕩器形成的時鐘頻率很精確，所以數字電路中常把它作為時鐘的信號。

2.2分頻器

本論文中的分頻器選擇的是10分頻電路，另外還用到了1/1000分頻，這個分頻是由3個74LS90進行串聯形成。10頻電路中包括三個計數器，這些計數器都是10進制，當電路中的UI計數是10的時候，QD就會輸出脈沖信號，結果顯示輸出的頻率與輸入的頻率出入很大，將近達到了10倍，然后連接中U2端，QD輸出的脈沖信號就降低了10倍，隨后連接著U3也降低了10倍。所以經過分析后就可以得出最后輸出的頻率是1/1000分頻。

2.3振蕩器

數字鐘的振蕩器常見的選擇有555振蕩器和頻率為32.768kHz的晶體振蕩器，通常下選擇用晶體振蕩器的比較多。晶體振蕩器的組成主要包括了可調的電容以及反相器。晶體振蕩器的輸出頻率一般是在32.768kHz左右，頻率上一旦出現了變化，可以通過振蕩器中的可調電容進行調整。然而這個實現過程是比較麻煩的，實現時需要添加一個5v的電源，只有這個電源添加了才會振蕩。相比晶體振蕩器，555振蕩器震蕩的頻率在穩定性方面比較差，而且均勻性也比較差，當達到一定的時間后才會好轉。

2.4計數器

數字鐘計數器的組成部件主要包括時計數器、分計數器、秒計數器，這些計數器之間彼此串聯起來。其中秒計數器跟十進制計數器串聯起來，而分計數器是與六進制串聯起來的，最終組成了2個六十進制的計數器。秒脈沖通過6級的計數器，可以依次獲得時、分、秒的十位和個位。

2.5 譯碼器

譯碼器在數字邏輯電路中所占的角色地位很重，主要實現的功能是將一個二進制的代碼對應翻譯成具有一定含義的信號。譯碼器組成包括顯示譯碼器和數碼譯碼器。但是除了翻譯的功能之外譯碼器的功能還包括了三態選通和鎖存。數碼的譯碼器的種類有4線-16線的譯碼器，BCD-鎖存的譯碼器以及3線-8線的譯碼器等。本論文數字鐘的時顯中用到的器件包括了顯示器、譯碼器以及24進制的計數器。分計數器和秒計數器中用到的器件包括了顯示器，譯碼器以及60進制計數器。

2.6報時電路

報時電路的報時一般會出現在59分里的53、55、57秒報低音，59秒處是報高音。由于53、55、57和59秒的地方輸出信號都是高電平的，通過與門輸出，設計中53秒和55秒作為U3A與門輸出端，報時的對象是57秒信號。

3　仿真與測試

數字鐘仿真的步驟是先把需要進行仿真的電路啟動，然后就可以看到數字鐘秒位已經計時開始了，當秒時為60時，就會重新回到0，接著秒時間就會向分位進位，X2的時鐘輸入的IO1腳連接著函數發生器的輸入端，進而可以判斷秒時間向分時間進位成功與否。再次重新啟動仿真，就會發現與秒時間類似，當分時間超過了60后就會向時位進位。

3.1校時校分電路仿真原理

把進位的信號換成單脈沖，切換時用的是單刀雙擲的開關進行控制的。單脈沖的模擬是帶彈簧的開關，當按下彈簧開關的時候電路中的電平就變成了高電平，開關釋放時電平就變成了低電平，彈簧開關按下和彈起的過程實際上是下降沿脈沖，調時調分的控制是通過計時器加1來實現的。校時校分的仿真電路圖如圖1-1所示。1Hz，從上面的幾個條件約束中可以得出T=0.7（R1+2R2）C，當R1設置成108K，而R2設置為100K，C設置成10nF的時候，通過公式最后求得T約等于1mS，那么輸出的信號頻率大概就是1KHz。秒脈沖信號仿真圖如圖1-2所示。

仿真的過程要按照具體的步驟進行，在進行仿真之前可以通過雙擊儀器的圖標而打開儀器面板。按下軟件界面的啟動按鈕，被測試的波形就可以進行仿真了，如果再次按下停止按鈕，仿真操作將會停止。在電路啟動之后，為了讓波形的顯示正常可以對示波器和通道進行適當調整。

圖1-2　秒脈沖信號仿真圖

圖1-1　校時校分電路

3.2秒脈沖仿真

多諧振蕩器的組成是由555定時器以及外接的元件R1、R2組成。電路設計中不存在穩態，只有兩個暫時的穩態，而且電路中C的充電是通過R1和R2實現的，所以觸發的信號不用進行外接。Dc的放電是通過R2進行的，電路中的輸出信號關于時間的參數設置為T=tw1+tw2，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C。公式中的tw1表示的是VC從1/3變成2/3的過程中花費的時間，tw2指的是電容C在放電的過程中花費的時間。555電路中規定了R1不小于1ΚΩ而且R2也不能小于1ΚΩ，同時R1+R2的值不能超過3.3MΩ。很多多諧振蕩器中產生的脈沖信號頻率是

4　結語

本論文是基于Multisim的仿真技術，雖然在設計電路的過程中使用仿真技術會使得設計過程更加便捷，但是不管如何仿真軟件提供的是一個虛擬平臺，跟實際中產生的結果還是有出入的，所以只有深入學習Multisim，了解Multisim，才能夠更好地掌握其應用，數字鐘的設計通過計數器、振蕩器、譯碼器和顯示電路成功地顯示了時分秒，而且校正電路的引入使得設計過程中的控制更加方便。考慮到篇幅因素，本論文中就幾個數字鐘的組成部件進行分析。在仿真的過程中Multisim軟件有時會產生一些意料之外的故障，調試中可能有的結果無法顯示，這種情況下就需要充分耐心去尋找解決方法。電子電路的設計引入Multisim仿真軟件，這對于實現電路的仿真，電路的測試有著很大的現實意義。

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