基于Multisim的电子钟仿真

目录

1.内容与要求

2.系统总体设计方案

3.系统各模块简述 

4.系统各单元电路设计

        4.1显示电路

        4.2计时器及译码电路

          4.2.1译码电路       

          4.2.2计时电路

        4.3整点报时电路

        4.4校时电路

5.元器件的选择依据及其相关技术参数的计算

        5.1元器件选型

        5.2 元器件清单

6.Multisim电路搭建及仿真

        6.1总体电路图

        6.2仿真调试过程及结果

         6.2.1显示电路的仿真

         6.2.2校时电路的仿真

         6.2.3整点报时电路的仿真

7.实物制作和调试结果

         7.1实物电路图：

         7.2实物调试结果：

8.成本管理与经济决策

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1.内容与要求

        根据数字钟的设计思路，可以将它分为七个单元电路：秒脉冲电路，计时电路，译码电路，显示电路，校时控制电路，整点报时电路，清零控制电路。它们之间的连接关系见原理方框图， 如下图所示。

             

主要技术指标和要求如下：

（1）由晶振电路产生 1Hz 标准秒信号； 

（2）秒、分为 00～59 六十进制计数器； 

（3）时为 00～23 二十四进制计数器； 

（4）周显示从 1～日为七进制计数器（日用数字 8 代替）； 

（5）可手动校时：能分别进行秒、分、时、日的校时。只要将开关置于手动位置，可 

          分别对秒、分、时、日进行手动脉冲输入调整或连续脉冲输入的校正；

（6）整点报时：整点报时电路要求在每个整点时呜叫一次声音。 

（7）在此基础上可以根据自己的设计添加其它功能。 

2.系统总体设计方案

        数字电子钟主要由秒脉冲电路、计时电路、译码电路、显示电路、校时控制电路、整点报时电路、 清零控制电路组成，详见下图。电路主要部分是由计时电路产生1HZ的脉冲给秒计数器，再由秒计数器给译码器进行译码，译码后传给显示器显示。其中秒计时器记到60后清零，同时传给“分计数器”一个信号，待“分计数器”计满60后清零，同时给“时计数器”传递信号，以此类推至“星期计数器”。同时整点报时电路(下图并未画出）通过计时电路输出一个脉冲控制喇叭，校时电通过单次或连续脉冲电路单独产生脉冲来控制显示器显示的数字。       

 

3.系统各模块简述 

        根据设计任务和要求，对照数字电子钟的框图，可以分以下几部分进行模块化设计。

        1.秒脉冲发生器

        脉冲发生器是数字钟的核心部分，它的精度和稳定度决定了数字钟的质量，通常用晶体振荡器发出的脉冲经过整形、分频获得1Hz的秒脉冲。如晶振为32768 Hz，通过15次二分频后可获得1Hz的脉冲输出。

        2.计数译码显示

        秒、分、时、日分别为60、60、24、7进制计数器、秒、分均为60进制，即显示00～59，它们的个位为十进制，十位为六进制。时为二十四进制计数器，显示为00～23，个位仍为十进制，而十位为三进制，但当十进位计到2，而个位计到4时清零，就为二十四进制了。

周为七进制数，按人们一般的概念一周的显示日期“日、1、2、3、4、5、6”，所以我们设计这个七进制计数器，应根据译码显示器的状态表来进行。（日用数字8代替）所有计数器的译码显示均采用BCD—七段译码器，显示器采用共阴电极数码管。

        3.校时电路

        计在刚刚开机接通电源时，由于日、时、分、秒为任意值，所以，需要进行调整。置开关在手动位置，分别对时、分、秒、日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

        4.整点报时电路

        当时计数器在每次计到整点前六秒时，需要报时，这可用译码电路来解决。即当分为59时，则秒在计数计到54时，输出一延时高电平去打开低音与门，使报时声按500Hz频率呜叫5声，直至秒计数器计到58时，结束这高电平脉冲；当秒计数到59时，则去驱动高音1KHz频率输出而鸣叫1声。

4.系统各单元电路设计

        4.1显示电路

        工作原理： 数码管采用七段共阴极数码管，公共端接地，要想点亮数码管并显示指定数字，则需要对数码管相应端口输入高电平。管脚排列如下图所示。

        其内部是八段发光二极管的负极连在一起的电路。当在它的 a、b、c...g、DP 加上正向电压时，各段发光二极管就点亮，例如当 a、b 和 c  段为高电平，其它各段为低电平时就显示数码“7”。

         4.2计时器及译码电路

           4.2.1    译码电路       

        工作原理：

        74LS248 是显示译码器，负责将74LS161计数器输出的四位二进制码转为驱动数码管显示的七段码，它的管脚图如下图所示。

         其中A、B、C、D引脚为输入引脚，a、b、c、d、e、f、g为输出引脚，对应连接数码管a、b、c、d、e、f、g七位段选引脚。要想74LS正常工作，需要将图中LT （灯测试）、RBO/BI(脉冲消隐输出)、 RBI(消隐输入)三个引脚接高电平(低电平有效)。

        4.2.2计时电路

        计时电路采用74LS161计数器，其管脚分布如下：

         

        74LS161计数器具有多种功能，其真值表如下：

    工作原理：

        由真值表可知，若要实现计时功能，输入A、B、C、D应该接入低电平，ENP、ENT、~LOAD接高电平，CLK接脉冲输入，而~CLR为清零输入，根据所需的进制位数通过与非门进行连接。

        举例：若要实现单个数码管满十清零（十进制），而若要数码管显示十，则74LS161输出QA、QB、QC、QD分别为0、1、0、1，将QB、QD通过与非门连接后输入到74LS161的清零输入端~CLR即实现数码管满十清零。至于七进制、二十四进制显示原理与此相似。

        注：秒脉冲电路主要由晶振频率为32768HZ的石英晶体、22pF的电容、可变电容器、电阻、CD4060、74LS74组成。主要用32.768kHz晶振与CD4060组成32.768kHz信号振荡器，再经CD4060的14级分频器分频后在输出端Q14上得到1/2秒脉冲并送入由74LS74构成的二分频器取得1Hz信号。

        4.3整点报时电路

 注：为了方便观察，仿真中以LED代替蜂鸣器。

        工作原理：

        整点报时电路主要由二极管、或非门电路、电阻、电源组成。主要通过计数器计数，当分计数器计数到六十时，引出一个脉冲，通过二极管单向导通进入整点报时电路，再通过滤波电路、或非门产生稳定电流，通过三极管放大产生足够驱动蜂鸣器的电流。

        4.4校时电路

        工作原理： 

        刚接通电源或走时不准时，都需要进行时间校准。理论上校时电路是可以通过直接与脉冲源相接而获得脉冲频率。但是因为实物电路的硬件缘故。在按下和弹开按钮的瞬间，数码管的数字会因为按钮的接触原因而抖动。这就导致了在较好之间后想结束校时，因为按钮抖动的原因，时间又改变了。相当于无校时功能。实现校时电路的方法有很多，采用基本R-S触发器构成单脉冲发生器是其中的一种。RS触发器具有置位、复位和保持（记忆）的功能，可以消除抖动，所以决定用这个比较简单的校时电路。

5.元器件的选择依据及其相关技术参数的计算

        5.1元器件选型

        根据总体电路图可知，显示电路需要数码管；校时电路需要一个74LS00的与非门的芯片、一个74LS04的或非门的芯片、以及两个10千欧和一个两百欧的电阻、一个可变电阻、一个电容、一个三位拨码开关、一个5v电源；译码电路需要七个74LS248的译码器芯片、74LS161的计数器的芯片、两个与非门的芯片和两个或非门的芯片，考虑到74LS161的工作电压，还需要一个5V的电源；整点报时电路需要一个300千欧以及两个200欧的电阻、两个二极管、一个10μF的电容、一个三极管、 以及一个蜂鸣器。

        5.2 元器件清单

元件名称	功能	数量/个
数码管	7段LED灯显示数字	7
74LS248译码器	二进制转换为数码管需要的二进制	7
74LS161计数器	脉冲计数	7
74LS00与非门	与非逻辑运算	2
74LS08与门	与逻辑运算	1
74LS04或非门	或非逻辑运算	3
电阻	限制电流大小	2
三位开关	控制电路断开和导通	5
电容	获得振荡、滤波、相移、旁路、耦合等功能	2
三极管	放大电流	1
蜂鸣器	产生声音	1
线路板	放置电路	1

                

6.Multisim电路搭建及仿真

        6.1总体电路图

        6.2仿真调试过程及结果

        注：Multisim其实并不很适合数字电路的仿真，如上图整体电路仿真过程非常缓慢，因此将整个系统按单元电路分别进行仿真。

        6.2.1显示电路的仿真

         6.2.2校时电路的仿真

        校时前：

         校时后:

         6.2.3整点报时电路的仿真

        蜂鸣器未工作（没到整点）：

         蜂鸣器工作（整点）：

         由于整点报需要满整点才报时，仿真起来十分不便，所以我们为整点报时电路单独设置了一个脉冲产生电路用来模拟满整点脉冲。又因为蜂鸣器仿真时效果不明显，我们用LED灯代替蜂鸣器，LED灯亮便代表蜂鸣器正常工作。

7.实物制作和调试结果

        7.1实物电路图：

注：强烈建议直接某宝打PCB，否则背部的焊点直接让人抓狂，见下图。

 

         7.2实物调试结果：

注：焊接时一个焊点粘连，直接全盘翻车，直接暴躁放弃接下来报时等电路。

8.成本管理与经济决策

元器件	价格/元	个数
数码管	0.945	7
74LS248译码器	2.79	7
74LS161计数器	2.48	7
74LS00与非门	0.3	2
74LS08与门	0.3	1
74LS04或非门	0.3	3
电阻	0.12	2
三位开关	0.44	5
电容	0.03	2
三极管	0.07	1
喇叭	0.57	1
线路板	16.80	1
总计	65.245	/