基于Multisim的数字时钟设计.docx
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基于Multisim的数字时钟设计
东北大学
课程设计报告
课程设计名称:
数字电子技术课程设计
专题题目：
指导教师：
学生姓名：
学号：
专业：
计算机科学与技术班级：
设计日期:
2017年7月3日~2017年7月7日
摘要
时间对于人们来说总是那么的宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人们忘记当前的时间。
于是，20世纪末，,电子技术有了飞快地发展，不仅在通信技术上用数字信号替代模拟信号，数字时钟相比模拟钟能给人一种一目了然的感觉，它不仅可以同时显示时、分和秒，并且可以完成准确的校正。
数字时钟具有走时精确，校准方便设计和使用简单的特点。
对于Multisim软件进行数字时钟的设计和仿真。
首先在Multisim创建好数字时钟的总电路图。
然后用该软件中的仿真功能进行仿真。
一个数字时钟需要振荡器，计数器，译码器和显示器电路精确时间“小时”“分”“秒”与数字显示，并需要校正电路，使其准确的工作，也可有定时和计时功能。
数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
在本文中，multisim14.0的基础上设计的数字钟，由数字集成电路，数码组成。
关键词：
数字钟，振荡器，计数器译码，显示，仿真
Abstract
Thetimeforpeopletoalwayssoprecious，Abusyandcomplexnatureoftheworkiseasytomakepeopleforgetthecurrenttime。
So,AttheendofthetwentiethCentury,Electronictechnologyhasbeenrapiddevelopment。
Notonlyincommunicationtechnologywithdigitalsignalinsteadofanalogsignal，butalsoinourdailylife,Digitalclockcomparedtoanalogclockcangivepeopleafeelingofstickoutamile，Itnotonlycandisplayhours,minutesandseconds，Anditcanaccomplishaccuratecorrection.Digitalclockisaccurate,convenientandsimpleindesignwithcalibration.FordesignandsimulationwithMultisimsoftwareindigitalclock.WefirstcreatedMultisimsoftwaredigitalclockcircuitdiagramofthetotal.Andthenusethesoftware’ssimulationfeaturesinthesimulation.adigital clock to the oscillator,a counter,decoderand displaycircuit accurately time "hours" "minutes"" seconds" with digital display, and the need for correction circuit make its accurate work, also can have from time to time and timekeeping function. Digital clock and the expansion of its application, has very realistic significance. In this paper, the Multisim14.0 based on the design of the digital clock, iscomposed of a digital integrated circuit, digital display.
Key words:
digital clock ,oscillators ,counter , decoding display,simulation
第1章概述
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。
诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播。
而且与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动、无需人的经常调整等优点。
数字钟的设计涉及到模拟电子与数字电子技术，其中绝大部分是数字部分、逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、编码器、译码器显示等基本原理。
现在主要用各种芯片实现其功能，更加方便和准确。
Multisim14.0作为一种高效的设计与仿真平台。
其强大的虚拟仪器库和软件仿真功能，为电路设计提供了先进的设计理念和方法。
本课题要求设计一个数字电子时钟的控制电路。
该电路用于反映电路的时间显示，时钟共有六个显示屏。
当电路启动时，以启动时间为初始时间，按正常时间进行计时和报时操作。
当需要对时间进行调试的时候需要对时分秒三个部分都进行必要的调时工作。
当时间显示为整时（即整点）时需要进行响铃提示操作。
1.1设计思路
经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以将电路分为以下几部分：
1.由秒时钟信号发生器、计时电路和校时电路构成电路。
2.首先由开关控制电路，进而对时间进行调时调分调秒操作，开关电路包括：
非门，异或门，与非门，电阻，直流稳压电源。
分别控制输出的接通与断开以便达到控制各芯片工作的目的。
3．其次将开关电路输出的信号输入到74LS160芯片分别控制显示时分秒的逐步递增。
4．通过级联将74LS160芯片扩展为24进制和十进制的计数器，秒和分之间，分和时之间的进制为60进制。
5.计时电路中采用两个60进制计数器分别完成秒计时和分计时；24进制计数器完成时计时；采用译码器将计数器的输出译码后送七段数码管显示。
6.校时电路采用开关控制时、分、秒计数器的时钟信号为校时脉冲以完成校时
7.系统应具有整点报时功能，因此，应有译码电路将整点时间识别出来，同时应有报时电路。
8.系统应有定时功能，因此，应有定时输入电路和时间比较电路。
9.系统应具有闹钟功能。
10.理论部分用Multisim14软件进行仿真，并且达到设计要求。
1.2主要内容
熟悉Multisim14.0仿真软件的应用；设计一个具有显示、校时、整点报时和定时功能的数字时钟,.能独立完成整个系统的设计；用Multisim14.0仿真实现数字时钟的功能
第2章课程设计任务及要求
2.1设计任务
设计一个数字时钟电路，实现显示时间、调整时间、整点报时、闹铃提醒等功能。
2.2设计要求
设计数字时钟需要有六个显示屏来显示时间，根据课程设计中提出的需求，设计出的时钟电路应当满足如下要求：
1.启动时钟后，时钟可以进行正常的时间按秒增加；
2.时钟可以正常显示信息；
3.时钟的进制正常，即秒与分之间，分与时之间均为六十进制，当表示小时的部分为24时全体清零；
4.时钟具备整点报时功能，即当显示时间为整点时应当有响铃提示。
5.时钟具备闹铃功能，当时间达到预设时间时应当有响铃提示。
第3章系统设计
3.1方案论证
根据课程设计中提到的设计要求，结合本学期课程内容及所学，本方案设计了一个“数字电子时钟控制电路”。
考虑到“数字电子时钟控制电路”作为数字电子技术课程的基础实践，遂对该设计进行分析后考虑选取片选如下：
四位十进制计数器74LS160，二输入与非门74LS00,二输入正与门74LS08，二输入正或门74LS32，非门74LS04，四输入与或门74LS20，74LS85以及电阻、开关、蜂鸣器等。
该设计方案主要通过74LS160以及该片选的级联构成所需要的进制计数器并通过各型逻辑门芯片向其他位产生进位信号，构成数字时钟的基本功能，通过74LS85进行比较完成闹铃设定功能。
数字时钟电路主要由时、分、秒三部分组成，秒时钟电路主要由秒脉冲信号发生器、计数器、译码器、数码管组成，秒计数周期60s。
同样分时钟电路由计数器、译码器、数码管组成，计数周期为60m，与秒时钟电路不同的是脉冲信号由秒时钟电路提供。
时时钟电路采用同样的设计，计数周期为24h。
3.2系统设计
根据课程设计题目要求，对该电路控制系统进行一系列设计，现说明如下。
3.2.1结构框图及说明
图3.2.1数字电子钟框图
说明：
数字电子钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。
由于计数的起始时间不可能与标准时间（例如北京时间）一致，故需要在电路上加上一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定，通常使用555定时器产生脉冲，从而得出数字电子钟的功能结构框图如图3.2.1所示。
3.2.2系统原理图及工作原理
图3.2.2.1数字电子钟执行原理流程图
根据各单元电路的设计，将555定时器构成的多谐振荡器、校对电路、六十进制秒、分计数器及二十四进制时计数器、开关控制电路、译码及显示电路、整点报时电路和比较器构成的闹钟电路进行整合调试得到所设计的数字电子钟控制电路的总原理图。
图3.2.2.2课设总电路图
3.3单元电路设计
3.3.1数字时钟秒脉冲信号的设计
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。
由555定时器构成的1Hz秒时钟信号发生器。
下面的电路图产生1Hz的脉冲信号作为总电路的初输入时钟脉冲。
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。
利用555多谐振荡器，优点：
555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
缺点：
要精确输出1Hz脉冲，对电容和电阻的数值精度要求很高，所以输出脉冲既不够准确也不够稳定.
3.3.2器件分析
74LS160分析
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74LS160D的反馈置数法来实现十进制功能和六进制功能，根据74LS160D的结构把输出端的0110（十进制为6）用一个与非门74LS00引到CLR端便可置0，这样就实现了六进制计数。
由两片十进制同步加法计数器74LS160级联产生，采用的是异步清零法。
74LS160真值表
CLR
LOAD
ENP
ENT
CLK
ABCD
QAQBQCQD
0
X
X
X
X
XXXX
0000
1
0
X
X
↑
XXXX
ABCD
1
1
1
1
↑
XXXX
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。
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。
秒信号经秒计数器、分计数器、时计数器之后，分别得到“秒”个位、十位、“分”个位、十位以及“时”个位、十位的计时输出信号，然后送至显示电路，以便实现用数字显示时、分、秒的要求。
“秒”和“分”计数器应为六十进制，而“时”计数器应为二十四进制。
采用10进制计数器74LS160来实现时间计数单元的计数功能。
3.3.3计数器设计
六十进制计数器
对于74LS160计数，如图所示，秒计数电路由 U1 和 U2 俩部分组成。
时计数电路由U3和U4两部分组成。
秒、时电路都为六十进制计数器，个位计数单元U2为74LS160十进制计数器，当QDQCQBQA变成1010时，清零端置0，计数器的输出被置零，又从0000开始，如此重复。
十位计数单元U1为6进制，当QDQCQBQA变成0110时，通过与非门把它的清零端置0，计数器的输出被置零，跳过0110到1001的状态，又从0000开始，如此就是60进制。
用1HZ的脉冲控制U1的计数，用U1的进位端QCC取非门控制U2的计数，保证U1的QDQCQBQA从1001跳变到0000时，提供给U2一个上升沿脉冲，实现U2的六进制计数。
图3.3.3.1六十进制计数器
二十四进制计数器
时计时电路与分、秒计时电路相比，首先就是触发信号来源于分计时电路的进位，其计时范围为0-23。
故在前面的基础上只需修改及时范围即可。
如图所示，时计数电路由 U3 和 U4 俩部分组成。
当时个位 U4 计数为 4，U3 计数为 2 时，两片 74LS160复零,从而构成 24 进制计数。
图3.3.3.2二十四进制计数器
3.3.4计时电路设计
秒、分计时电路的设计
秒、分计时电路计数周期为60s，触发信号由秒脉冲信号发生器提供，当计数值为59时，下一次触发信号输入时，向前进位并对计数值清零同时开始进入下一个计数周期。
使用六十进制计数器组成秒、分计时电路的设计。
同时用秒计时电路进位端向分计时电路输入进位脉冲，组成一个60×60=3600的秒、分计时电路。
图3.3.4.1秒、分计时电路设计
时计时电路的设计
在数字电子时钟中，时计时时钟周期都为24h，当触发信号输入时，计数器计数1，累计到23后，下一秒开始清零并向前进位，当计数值达到23时，下一个触发信号输入时，计数器清零同时开始进入下一个计数周期。
时计时电路电路设计原理图如下
图3.3.4.2时计时电路
3.3.5数字时钟电路设计
数字时钟系统的组成利用上面的六十进制和二十四进制递增计数器子电路构成的数字钟系统如图所示
图3.3.5数字钟电路系统
以上电路可完成计时周期为24h，可以准确计时，具有“时”（00-23）“分”（00-59）“秒”（00-59）数字显示。
3.3.6校时电路
数字钟应具有秒校正、分校正和时校正功能，因此，应截断秒个位、分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换的电路接入其中。
校正信号可直接取自信号发生器产生的信号；输出端则与分或时个位计时输入端相连。
开关采用PB-NO系列代替校正按钮，当其处于断开状态时，正常输入信号可以顺利通过，故校时电路处于正常计时状态；按下开关时，信号通过，校时电路处于校时状态。
校时电路采用开关控制时、分、秒计数器的时钟信号为校时脉冲以完成校时。
如图，当开关A,BC断开时，电路进行正常的计时工作；按下A、B、C，就也可以手动校准时、分和秒时间，每次按下开关一次，只改变一个数。
其中A是校时开关,B是较分开关，C是校秒开关，按下时，将秒计时器直接置0。
考虑到开关电路中到59秒及开始向前进位，故添加反向器，从而实现开关校时电路
图3.3.6.1校时电路
将开关校时加入到时钟电路中，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、校分电路和校秒电路。
其中A是校时用的开关，B是校分用的控制开关，C为校秒用的控制开关，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，当或AB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。
Multisim14.0仿真软件校时的具体设计方法是：
用一个PB-NO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，开关按下连接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处于弹开状态。
图3.3.6.2开关校时电路
3.3.7整点报时
电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分
59秒期间时，报时电路报时控制信号。
当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的Qc和Qa、个位的Qd和Qa及秒计数器十位的Qc和Qa相与，从而产生报时控制信号。
报时电路可选74LS00、20、32、04、10组合来构成。
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。
由原理可知当分钟计数到一个周期向前进位时，蜂鸣器开始工作。
图3.3.7整点报时电路
3.3.8闹钟电路
利用上边的二十四进制和六十进制的计数器作为信息的比较源之一，另外利用四片数值比较器74LS85对小时的个位和十位以及分钟的个位和十位进行比较，如果与设定的时间一样，则产生输出信号，利用7440和7404组成的电路驱动蜂鸣器的鸣叫，鸣叫的时间是一分钟，从**：
**：
00到**：
**：
59。
假设：
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（Q3Q2Q1Q0）HI=0111，分十位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）M2=0101,分个位计数器的状态为（Q3Q2Q1Q0）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=（Q2Q1Q0）HI*（Q2Q0）M2*（Q3Q0）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=
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与电源+5V端之间应接一电阻RL=3.3Ω。
由图可知在上午7点59分时，音响电路的晶体管导通，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。
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。
图3.3.8.2闹钟控制电路
采用开关的形式控制74LS85的定时输入与时钟时间比较，当比较数值一致时产生输出信号1，蜂鸣器工作，工作时长为1分钟。
如图所示，采用开关控制方便用户对闹钟时间的设定
图3.3.8.1闹钟设定控制电路
第4章仿真调试
基于Multisim14的数字电子钟的设计实现了基本的时钟以及对时钟的校准、定时闹钟，整点报时，各个子电路的设计如第三部分子电路设计的结构电路一样，将各个部分连接在一起的整机连调的电路图在multisim14.0平台上进行仿真。
Multisim14.0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。
Multisim14.0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Multisim14.0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Multisim14.0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。
4.1时钟显示
4.1.1时钟显示完整的00:
00:
00
4.1.2时钟完整显示01:
00:
00
4.1.3时钟完整显示23:
59:
59
4.1.4仿真开关校准“秒”电路
4.1.5仿真开关校准“分”电路
4.1.6仿真开关校准“时”电路
4.2整点报时
4.2.107:
59:
50—07:
59:
59报时
当时钟跳变到07:
59:
50时，整点报时控制电路蜂鸣器接通，整个过程持续10秒，至07:
59:
59时停止。
图4.1.1.1报时开始
图4.1.1.2报时结束
4.3闹钟电路
4.3.17:
59:
00闹钟设定
当时钟跳变到7:
59:
00时，闹钟控制电路蜂鸣器接通，模拟闹钟响铃，整个过程持续1分钟，至8:
00:
00时停止。
4.3.3.1闹钟开始
4.3.3.2闹钟结束
第5章结论
本次数字电子技术课程设计选作了数字电子时钟的控制电路设计，课题要求设计一个数字时钟电路，实现显示时间、调整时间、整点报时、闹铃提醒等功能。
设计过程中采用在电脑的电路模拟软件上设计电路图，并在电脑上调试出正确结果，进行记录并在最后将自己的实验做成报告上交的形式开展。
根据这次要求的各项任务指标，启动时钟后，时钟可以进行正常的时间按秒增加时钟可以正常显示信息，时钟的进制正常，秒与分之间，分与时之间均为六十进制，当表示小时的部分为24时全体清零，具备整点报时功能，显示时间为整点时应当有响铃提示，具备闹铃功能，当时间达到预设时间时应当有响铃提示。
在仿真实验中，通过对74LS160为主的一系列芯片进行级联与组合，设计得到的电路在软件上仿真模拟完全达到了设计要求。
控制电路的仿真和性能测试是在Multisim14软件上进行的，实验结果非常正确和明显。
对强化学生的数字电子技术的知识水平，提高学生的自主思考自主设计自主实践能力，以及让学生提升对报告规范性的认识很有帮助。
由震荡器、秒计数器、分计数器、时计数器、显示数码管设计了数字时钟电路，经过仿真得出较理想的结果，说明电路图及思路是正确的，可以实现所要求的基本功能：
计时、显示精确到秒、时分秒校时、整点报时和
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