基于Multisim 14仿真設計的多功能數字電子鐘

0   引言

Multisim 14 是美國NI 公司研發(fā)的一款以Windows為操作平臺的EDA 工具軟件[1]，可以對模擬、數字電路進(jìn)行仿真與設計，具有豐富仿真分析能力，所以在電子技術(shù)領(lǐng)域以Multisim 仿真軟件為平臺進(jìn)行電路設計非常普遍。

數字電子鐘是一種以數字電路技術(shù)實(shí)現計時(shí)的現代計數器，與傳統機械式時(shí)鐘相比，具有更高的準確性和直觀(guān)性，且無(wú)機械裝置，使用壽命更長(cháng)，因此得到了廣泛使用。從原理上講，數字電子鐘是一種典型數字電路，包括組合邏輯電路和時(shí)序電路^[2]，所以，本文借助Multisim 14 軟件仿真數字電路便捷高效的優(yōu)勢，進(jìn)行模塊化電路設計，使得設計花費少、效率高、周期短。

圖1 數字電子鐘整體框圖

1   設計任務(wù)

1.1 基本功能

1）應用模擬振蕩電路實(shí)現正弦波時(shí)鐘信號發(fā)生，并作為數字鐘的時(shí)鐘信號。

2）實(shí)現數字時(shí)鐘計時(shí)功能，時(shí)間以24 min 為1 個(gè)周期。

3）用數碼管顯示分鐘、秒。

1.2 擴展功能

1）具有校時(shí)功能，可以對分鐘和秒單獨校時(shí)。

2）計時(shí)過(guò)程具有鬧鐘功能，到達指定時(shí)間（時(shí)間可選定）蜂鳴。

圖2 數字電子鐘整體電路

2   系統結構

數字電子鐘主要由6 個(gè)單元電路構成。分別為：石英晶體振蕩電路、分頻電路、計時(shí)電路、譯碼顯示電路、校時(shí)電路、鬧鐘電路。系統框圖如圖1。

系統工作原理：晶振產(chǎn)生穩定的脈沖信號，通過(guò)cd4060 和74LS74 構成的分頻器電路分頻得到1 Hz 秒脈沖，作為基準脈沖信號，該信號經(jīng)過(guò)門(mén)電路與74HC161構成的計數器電路產(chǎn)生8421BCD 碼，再經(jīng)過(guò)譯碼器交由數碼管顯示。秒位累計達到60 進(jìn)位，分鐘滿(mǎn)24 進(jìn)位，以此循環(huán)。

如果數字電子鐘顯示的時(shí)間與標準時(shí)間不一致，可用校時(shí)電路進(jìn)行校準。自選時(shí)間的鬧鐘功能由撥碼開(kāi)關(guān)和邏輯門(mén)構成的拓展電路來(lái)實(shí)現。整機電路如圖2 所示。

圖3 石英晶體振蕩電路

3   單元電路方案設計

3.1 石英晶體振蕩電路

石英晶體振蕩電路如圖3 所示。通過(guò)石英晶體振蕩器輸出脈沖具有頻率精度高、受溫度影響小、電路結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。選用體積小、抗沖擊性能好的音叉型石英諧振器，其諧振頻率為32.768 kHz，能產(chǎn)生穩定的32.768 kHz 的脈沖信號。

3.2 分頻電路

分頻電路如圖4 所示。32.768 kHz 的脈沖信號通過(guò)4060 芯片進(jìn)行11 分頻，再接入2 個(gè)D 觸發(fā)器，構成直接的4 分頻電路，輸出1 Hz 的秒脈沖作為秒計數器計時(shí)的基準時(shí)鐘。

圖4 分頻電路

3.3 計數電路

數字電子鐘的秒位采用60 進(jìn)制， 選用兩個(gè)74HC161 計數器級聯(lián)并采用反饋置數法實(shí)現計數，電路如圖5 所示。分頻器送出的秒脈沖經(jīng)計數器累計，當計數值為59 時(shí)，同步預置信號有效，下一時(shí)鐘同步預置零且向分鐘位送出進(jìn)位脈沖信號，從而實(shí)現60 進(jìn)制。電子鐘的分鐘位是24 進(jìn)制，同樣選用兩個(gè)74HC161 計數器級聯(lián)用反饋置數法計數，電路如圖6 所示。秒位送出的進(jìn)位脈沖信號累計達到“23”，秒數為“59”時(shí)，同步預置信號有效，并在下一時(shí)鐘同步預置零，并向更高位送出進(jìn)位脈沖信號。

圖5 秒計數電路

3.4 顯示譯碼電路

譯碼顯示電路分為譯碼驅動(dòng)和數碼管顯示。譯碼驅動(dòng)電路能將計數器輸出的8421BCD 碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為數碼管提供足夠的工作電流，保證其正常工作。實(shí)時(shí)顯示計數值的功能要求通過(guò)LED數碼管來(lái)實(shí)現。

3.5 校時(shí)電路

校準電路如圖7 所示。當發(fā)現時(shí)間不準時(shí)，可手動(dòng)選擇脈沖進(jìn)行校時(shí)。選擇4 分頻前的秒脈沖校時(shí)秒數。如果發(fā)現分鐘的數值不準。選擇1 Hz 的進(jìn)位脈沖，不必等秒計60 次才進(jìn)一次位。

3.6 鬧鐘電路

如圖8 所示，數字電子鐘可以自選時(shí)間做為鬧鈴，顯示分鐘數碼管的各引腳通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)連接5 V 電源，將撥碼開(kāi)關(guān)撥到選定的分鐘（即對應的引腳為高電平），通過(guò)二輸入異或門(mén)將分鐘數碼管的高位和低位分別和撥碼開(kāi)關(guān)的對應引腳的電平進(jìn)行異或運算，各個(gè)異或的輸出再接入或門(mén)，或門(mén)最后通過(guò)或非門(mén)連到鬧鐘。只有當電子鐘計時(shí)到選定的分鐘時(shí)，數碼管的高電平與開(kāi)關(guān)撥動(dòng)情況對應，異或門(mén)都傳遞出低電平，或門(mén)輸出低電平，再通過(guò)二輸入或非門(mén)，輸出高電平給蜂鳴器，蜂鳴器工作蜂鳴，持續1 min 后停止。

圖6 分鐘計數電路

4   整體電路調試

將上述各單元電路組合起來(lái)，可以得到數字電子鐘的整體電路。進(jìn)行多功能數字電子鐘電路的仿真。由實(shí)驗結果觀(guān)察得到，顯示秒數的數碼管顯示從“00”到“59”計數，并在下一時(shí)鐘返回到“00”狀態(tài)，連續循環(huán)，構成六十進(jìn)制秒計數器。實(shí)驗可觀(guān)察得到，顯示分鐘的數碼管顯示從“00”到“23”計數，“23”狀態(tài)下一時(shí)鐘回到“00”狀態(tài)，不斷循環(huán)，構成二十四進(jìn)制分鐘計數器。將撥碼開(kāi)關(guān)撥到選定的分鐘，當時(shí)鐘計數到選定分鐘時(shí)，鬧鐘響起，下一分鐘自動(dòng)關(guān)閉。仿真結果表明，電路實(shí)現了數字電子鐘的計時(shí)、校時(shí)、鬧鐘功能，完成設計任務(wù)。讀者朋友們也可以添加其他模塊來(lái)完善數字鐘的功能。

圖7 校準電路

5   硬件調試

在本設計中，為了設計的順利進(jìn)行，在焊接的時(shí)候，我們根據電路的工作原理進(jìn)行分步調試，保證電路各項功能順利實(shí)現。電路調試總圖如圖9 所示。

圖8 鬧鐘電路

6   結束語(yǔ)

通過(guò)Multisim 14 仿真軟件設計出各個(gè)單元模塊并搭建成一個(gè)多功能數字電子鐘電路，調試驗證了設計所要求完成的功能。設計復雜的電子電路時(shí)，可借助Multisim 14 等仿真工具^[4-5]，運用分層、分塊設計的思想，使得設計、仿真、測試更為便捷，具有更高的設計效率，進(jìn)而提高團隊分工協(xié)作和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

圖9 調試電路總圖

參考文獻：

[1] 陳建輝.Multisim軟件在《電工學(xué)》教學(xué)中的應用[J].信息與電腦(理論版),2018(9):99-101.

[2] 李精華.任意進(jìn)制計數器的仿真設計與制作[J].桂林師范高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報,2011(1):149-151.

[ 3 ] 陳志貴, 郭隱彪. M u l t i s i m在數字電子設計中的應用技巧P126[J].機電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng )新,2007(2):148-149.

[4] 張繼,儲開(kāi)斌,張小芳.基于 Multisim 的電子技術(shù)課程設計[J].實(shí)驗室科學(xué),2018(1):60-63.

[5] 閻石.數字電子技術(shù)基礎[M].6版.北京:高等教育出版社,2016:271-310.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年6月期）