基于Multisim10电子数字钟的设计与仿真

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图1 电子数字钟系统组成框图3 原理图的设计

3.1 总原理图

图2 电子数字钟总原理图

3.2 工作原理

3.2.1直流稳压电源

串联型直流稳压电源的设计，该系统是由整流、滤波和稳压三部分组成，桥式整流电路加上电容滤波后，使输出的波形更平滑，稳压部分，一般有四个环节：调整环节、基准电压、比较放大器和取样电路。当电网电压或负载变动引起输出电压Uo变化时，取样电路将输出电压Uo的一部分馈送给比较放大器与基准电压进行比较，产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流，自动地改变调整管的集一射极间电压，补偿Uo的变化，从而维持输出电压不变。[7]

图4 整流滤波后电压的波形和稳压输出电压的波形仿真

图5 整流滤波后电压的波形和稳压输出电压的波形

3.2.2 1Hz标准脉冲发生器

振荡器可由晶振组成，也可以由555与RC组成的多谐振荡器。由555定时器得到1Hz的脉冲，功能主要是产生标准秒脉冲信号和提供功能扩展电路所需要的信号。

3.2.3计数设计

在数字钟的控制电路中，分和秒的控制都是一样的，都是由一个十进制计数器和一个六进制计数器串联而成的，在电路的设计中我采用的是统一的器件

74LS161N的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74LS161的结构把输出端的0101（十进制为5）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了六进制计数。同样，在输出端的1001（十进制为9）用一个与非门74LS00引到Load端便可置0，这样就实现了十进制计数。在分和秒的进位时，用秒计数器的Load端接分计数器的CLK控制时钟脉冲，脉冲在上升沿来时计数器开始计数。

时计数器可由两个十进制计数器串接并通过反馈接成二十四制计数器。

3.2.4 译码显示电路设计

译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。4511是一个用于驱动共阴极LED （数码管）显示器的BCD 码—七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可

直接驱动LED显示器。

由计数器得到的4位二进制码的必须通过译码后转为人们习惯的数字显示。如12：54：30的二进制码为00010010：01010100：00110000。译码之后再驱动7段数码管显示时、分、秒。LED七段显示数码管显示时、分、秒。[5][2]

3.2.5 校时电路

时钟出现误差时，需校准。当数字钟接通电源或者计时出现误差时，需要校正时间。校时是数字钟应具备的基本功能。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。校时方式有快校时和慢校时两种，快校时是，通过开关控制，使计数器对1Hz的校时脉冲计数。慢校时是用手动产生单脉冲作校时脉冲下图所示为校时电路和校分电路。其

中S

1是校分用的控制开关，S

2

为校时用的控制开关，它们的控制功能下表所示。

校时脉冲采用分频器输出的1Hz脉冲，当S

1或S

2

分别为0时可进行快校时。如

果校时脉冲由单脉冲产生器提供，则可以进行慢校时。

Multisim仿真软件校时的具体设计方法是：用一个单刀双掷开关切换计数功能与校时功能，另一端接计数器的脉冲输入端，开关置于函数发生器这一端便可以校时，置于计数器的进位端便是计时。不校正时间时开关都应打在与非门的那一端。

图6 开关接校时电路时

图7 开关接计数电路时

3.2.6闹时电路仿真

在指定的时刻发出信号，或驱动音响电路“闹时”；或对某装置的电源进行接通或断开“控制”。不管时闹时还是控制，都要求时间准确，即信号的开始时刻与持续时间必须满足规定的要求。

例如：要求上午7时59分发出闹时信号，持续时间为1分钟。7分59分对应数字钟的时个位计数器的状态为（Q 3Q 2Q 1Q 0）HI =0111，分十位计数器的状态为（Q 3Q 2Q 1Q 0）M2=0101, 分个位计数器的状态为（Q 3Q 2Q 1Q 0）M1=1001。若将上述计数器输出为“1”的所有输出端经过与门电路去控制音响电路，可以使音响电路正好在7点59分响，持续1分钟后（8点）停响。所以闹时控制信号z 的表达式为Z=(Q 2Q 1Q 0)HI *(Q 2Q 0)M2*(Q 3Q 0)M1*M,其中M 为上午的信号输出，要求M=1。

用与非门实现可将Z 进行变换，即Z=1

03202012)()()(M M HI Q Q Q Q M Q Q Q ???

其逻辑电路如图，74LS20为4输入二与非门，74LS03为集成电路开路（OC门）的2输入四与非门，因OC门的输出端可以进行“线与”，使用时在它们的输出端

=3.3Ω。由图可知在上午7点59分时，音响电与电源+5V端之间应接一电阻R

L

路的晶体管导通，则扬声器发出1KHz的声音。持续1分钟到8点整，晶体管因输入端为0而截止，电路停闹。[2]

图8 闹时电路及仿真

3.2.7 整点报时

整点报时的功能要求时，每当数字钟计时快到整点时发出声响。

图9 整点报时蜂鸣器仿真图

图10 非整点报时蜂鸣器仿真图

4仿真调试

Multisim8是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件，其元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库。有超强板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim8软件进行设计仿真分析的基本步骤为:设计创建仿真电路、原理图电路图、选项的设置、使用仿真仪器、设定仿真分析方法，启动Multisim8仿真。

仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板。准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动／停止开关状态为1，仿真分析开始。若再次按下，启动／停止升关状态为0，仿真分析停止。电路启动后，需要调整示波器的时基和通道控制，使波形显示正常。

在Multisim软件中，根据数字钟的总电路图，设置函数发生器的频率为1Hz，把A开关和B开关都接到与非门的那端，再运行就可以让数字钟自行计数了。如果运行的太慢可以适当调节函数发生器的频率。如果把A开关接到函数发生器上，就是对小时进行校正，如果把B开关接到函数发生器上那就是对分进行校正。小时的计数是从01到12，不是从00到11，但在校正小时位时初始状态仍为00。

振荡器的仿真可以直接运行，然后用示波器观察现象便可。直流稳压电源的仿真中可以看到用万用表测量出关键点的电压5.123V。用示波器A通道和B 通道分别显示整流滤波后电压UI的波形和稳压输出电压UO的波形，从示波器

显示窗口可以看出：上面一条锯齿波曲线为UI波形，下面一条线为UO波形。如果以上设计的电路通过模拟仿真分析，不符合设计要求，可通过逐渐改变元器件参数，或更改元器件型号，使设计符合要求，最终确定出元器件参数。并可对更改的电路立即进行仿真分析，观察虚拟结果是否满足设计要求。

5电路功能与特性总结：

本设计的电子数字钟能经振荡分频器、计数器、译码和显示电路将时间“时”“分”“秒”用数字的方式显示出来，并且需要校正电路使其准确工作，还有定时和报时功能。控制较简单，没有遥控、防电台报时等复杂电路。

调试时有的器件在理论上可行，但在实际运行中就无法看到效果，所以得换不少器件，有时无法找出错误便更换器件重新接线以使电路正常运行。Multisim 软件有时会出问题，在理论上可行的电路在调试中未必能显示出来，这就需要耐心、仔细地分析和解决问题，不断地尝试才能得出正确的答案。