一種基于Mutisim 12的多功能數字鐘仿真設計

張立鑫 張磊 李俊 金怡芳

摘? ?要：數字鐘是一種利用數字電子技術來進行計數的電子電路，由振蕩電路、計數器、數碼顯示管、校時電路、整點報時電路、鬧鐘電路等幾部分構成。本文主要介紹一種多功能數字鐘的設計與仿真，通過分析其工作原理以及構成方法，建立基于Multisim 12的數字鐘計數顯示仿真模型。

關鍵詞：數字鐘? 12/24進制轉化? 可調鬧鐘

Multisim 12是由美國NI公司所研發的一款以Windows為操作平臺的EDA工具軟件，可以對模擬、數字電路的進行仿真與設計。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，并提供了超過兩萬個元件的元器件庫和滿足各種需求的分析方法，具有十分豐富且功能強大的仿真分析能力。

數字鐘是一種以數字電路技術實現時、分、秒計時的電子裝置。與機械式時鐘相比，數字鐘具有更高的精確性和直觀性，在日常生活中得到了較為廣泛的使用。作為一種典型的數字電路，數字鐘一般是由振蕩器、分頻器、計數器、顯示器等幾部分組成。數字鐘的設計方法眾多，本文則通過Multisim 12仿真軟件的方式設計電路，使得電子電路的設計更加的便捷、高效，不受硬件限制。

1? 電路工作原理

本文所設計數字鐘的基礎功能是時、分、秒的計數與顯示，為了貼近生活，秒與分位為60進制，小時位則設計了可以調整的“12翻1”和“23翻0”兩種模式。其基本原理是以多諧振蕩器產生1kHz的脈沖信號，并通過分頻電路來生成1Hz的秒脈沖信號。脈沖信號輸入到計數器中進行計數，并通過輸出四位二進制數至譯碼器中，再由譯碼器所輸出的七位信號傳輸至數碼管中進行時、分、秒顯示。

在基礎功能之外，本設計還增添了校時功能、整點報時功能、鬧鐘功能三項拓展功能。其中，校時電路是通過手動觸發單穩態電路產生脈沖信號直接觸發小時位或分鐘位的計數器進行計數，從而調整小時位或分鐘位所顯示的時間。整點報時電路是從每個小時的59min50s開始，指示燈交替閃爍直至整點時熄滅。鬧鐘功能是則當設定時間與數字鐘時間一致時觸發蜂鳴器發聲。設計電路的原理框圖如圖1所示。

2? 電路設計與仿真

該數字鐘的由振蕩電路、計數器、數碼顯示管、校時電路、整點報時電路、鬧鐘電路等幾部分構成，所建立的數字鐘計時顯示仿真模型的總體電路圖。

2.1 振蕩電路

振蕩電路是由555定時器構成的多諧振蕩器電路，VCC接+5V直流電壓，OUT輸出頻率為1kHz的矩形波。根據公式

計算可得λ的數值，進一步通過仿真微調可以使多諧振蕩器輸出頻率為1kHz的矩形波。

2.2 分頻電路

分頻電路采用74LS90芯片，將輸出端QA與時鐘端INB相連，R01與R91相連，構成異步十進制增計數器，可以實現十分頻的功能。為了得到1Hz的秒脈沖，需要將3塊74LS90芯片進行級聯的并行進位的連接方式，低位片的輸出端QD與高位片的時鐘端INA相連，通過3次十分頻處理可以將振蕩電路輸出的1kHz分頻得到1Hz的標準秒脈沖。

2.3 計數電路

本文采取了兩塊74LS160芯片進行級聯來產生具有60進制和12/24進制邏輯功能的計數器。其中秒個位計數單元為10進制，無需進制轉換;秒十位計數單元為6進制，需要進行進制轉換，當秒十位計到5且秒個位計到9時，秒十位的置數端有效，且為同步置數，在下一個時鐘脈沖到來時，秒十位被置0，從而實現6進制。最后，將秒十位和秒個位的計數器級聯，可得到產生60進制的秒計數器。由于分鐘計數器與秒計數器在邏輯設計基本一致，便不再贅述。

時計數器為12/24可切換進制計數器，所以其十位和個位均需要進制轉換，其中開關S1便是進制轉化的開關。當開關S1閉合時，且當計數值為12時觸發同步置數，在下一個時計數脈沖到來時將計數置為1，實現“12翻1”的12進制計數;當開關S1斷開時，且當計數值為23時觸發同步置數，在下一個時計數脈沖到來時將計數置為0，實現“23翻0”的24進制計數。12/24進制轉換電路如圖2所示。

2.4 校時電路

當數字鐘需要校正時間時，按下開關使“時”或“分”計數器的個位計數器的兩個計數控制端ENT、ENP都處于高電平，即計數器一直處于計時模式。此時由單穩態觸發電路為“時”或“分”計數器的個位計數器提供時鐘脈沖信號，當觸發輸入端施加觸發信號時，單穩態觸發電路輸出由穩態翻轉到暫穩態，經過極短的延時時間后，電路會自動返回到穩態，此時所產生下降沿觸發計數器計數，從而改變數字鐘的小時位或分鐘位的時間。

2.5 譯碼和顯示電路

本文中采用74LS48來進行譯碼，將秒、時、分計數器的輸出端分別接74LS48譯碼器的輸入端連接，74LS48的輸出端通過上拉電阻分別于相應的7段譯碼器的輸入端連接，在脈沖的作用下，便可進行不同的數字顯示。將秒、分、時計數器輸出的8421碼進行編譯，轉換為數碼管所需要的邏輯狀態，驅動LED-14段數碼管進行顯示，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。

2.6 整點報時電路

整點報時功能為每當數字鐘計時快到整點時，報時電路的LED燈開始閃爍，直至到每小時的59min59s。其中，由于74LS160為10進制芯片，可以用QD、QC、QB、QA的4位2進制數來表示秒計數器的個位（即0000-1001），Y為邏輯輸出的結果，1表示燈亮，0表示燈滅，通過燈的亮滅來產生閃爍現象。若在50、52、54、56、59s時點亮LED燈，則可得到邏輯函數表達式為

2.7 可調鬧鐘電路

本文使用4片74LS160連接構成設置鬧鐘時間的模塊，具體工作原理與計時電路里的分鐘與小時部分、分鐘部分一致。在該電路中，將鬧鐘電路中每個74LS160的輸出與計時電路中相對應的74LS160芯片的4個輸出（QA、QB、QC、QD）進行同或邏輯運算，再將各個同或運算結果進行與運算，得到的最終結果取決于兩個電路的時間，只有當鬧鐘時間與計時時間一樣（小時和分鐘部分）時，最終結果為1，當兩時間不一致時得到的結果為0。當判斷電路結果為0時，蜂鳴器不響;當判斷電路結果為1，蜂鳴器開始響，直到1min后，鬧鐘時間與計時時間不一致時，停止工作。

2.8 時間顯示切換電路

本文采用6片74LS399的4位二選一數據選擇器構成時間顯示切換電路，其輸入分別為時鐘計數電路的輸出和鬧鐘設置電路的輸出。當位選為低電平時，其輸出為鬧鐘設置電路的輸出，此時譯碼顯示電路顯示的為鬧鐘設置時間;當位選為高電平時，其輸出為時鐘計數電路的輸出，此時譯碼顯示電路的時間為時鐘計數時間。

3? 結語

本文通過對多功能數字鐘的設計與仿真，可以看出Multisim 12等電路仿真軟件的仿真功能的強大。不同于以往傳統的電子設計方法，Multisim 12的使用使得電子電路的設計上具有了更高的設計效率。在具有基礎的電路仿真功能基礎上，集成了PCB版圖，原理圖繪制等功能，令電路的設計、仿真、測試與改良等更加地便捷、高效，在一定程度上提高了實際問題的解決能力。

參考文獻

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