數(shù)字鐘系統(tǒng)電路的設(shè)計方案與仿真分析

在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建學(xué)生的電路設(shè)計理念，提高學(xué)生的電路設(shè)計能力，是教學(xué)的根本目的和核心內(nèi)容。數(shù)字鐘電路的設(shè)計和仿真，涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等多方面知識，能夠體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的理論功底和設(shè)計水平，是電子設(shè)計和仿真教學(xué)的典型案例。文中采用了555 定時器電路、計數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和時鐘校正電路，來實(shí)現(xiàn)該電路。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

數(shù)字鐘由振蕩器、分頻器、計時電路、譯碼顯示電路等組成。振蕩器是數(shù)字鐘的核心，提供一定頻率的方波信號;分頻器的作用是進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生頻率為1 Hz 的秒信號，作為是整個系統(tǒng)的時基信號; 計時電路是將時基信號進(jìn)行計數(shù);譯碼顯示電路的作用是顯示時、分、秒時間;校正電路用來對時、分進(jìn)行校對調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

2 子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 振蕩器

本系統(tǒng)的振蕩器采用由555 定時器與RC 組成的多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)， 如圖2 所示即為產(chǎn)生1 kHz 時鐘信號的電路圖。此多諧振蕩器雖然產(chǎn)生的脈沖誤差較大，但設(shè)計方案快捷、易于實(shí)現(xiàn)、受電源電壓和溫度變化的影響很小。

2.2 分頻器

由于振蕩器產(chǎn)生的頻率高， 要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號，就需要對所得到的信號進(jìn)行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：1） 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號;2） 提供電路工作需要的信號，比如擴(kuò)展電路需要的信號。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計數(shù)器電路，選擇74LS160 十進(jìn)制計數(shù)器來完成上述功能［5］。如圖3 所示，555 定時器產(chǎn)生1 kHz 的信號，經(jīng)過3 次1/10 分頻后得到1 Hz 的脈沖信號， 為秒個位提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號。

2.3 時間計數(shù)器

計數(shù)器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計數(shù)的輸入信號就是時序網(wǎng)絡(luò)的時鐘脈沖，它不僅可以計數(shù)而且還可以用來完成其它特定的邏輯功能，如測量、定時控制、數(shù)字運(yùn)算等等。

本部分的設(shè)計仍采用74LS160 作為時間計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時間計數(shù)單元的計數(shù)功能。時間計數(shù)器由秒個位和秒十位計數(shù)器、分個位和分十位計數(shù)器、時個位和時十位計數(shù)器構(gòu)成。數(shù)字鐘的計數(shù)電路的設(shè)計可以用反饋清零法，當(dāng)計數(shù)器正常計數(shù)時反饋門不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來時，反饋信號將計數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計數(shù)。

2.3.1 分（秒）計數(shù)器

分（秒）計數(shù)器均為60 進(jìn)制計數(shù)，如圖4 所示。它們的個位用十進(jìn)制計數(shù)器74LS160 構(gòu)成，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，信號輸入端CLK 與1 Hz 秒信號相連，進(jìn)位輸出作為十位的計數(shù)輸入信號。十位采用反饋清零法將十進(jìn)制計數(shù)器74LS160 變成六進(jìn)制計數(shù)器，因?yàn)榍辶愣藶榈碗娖接行?、所以將QB、QC與非后連接到清零端， 即計數(shù)器的輸出狀態(tài)為“0110”時QB、QC 輸出高電平與非后為低電平實(shí)現(xiàn)有效清零并對下一級進(jìn)位。兩級電路組成一位60 進(jìn)制計數(shù)器，其計數(shù)規(guī)律為00→01→…→58→59→00。當(dāng)秒計數(shù)滿60 后向分個位提供一個進(jìn)位信號，同理當(dāng)分計數(shù)滿60 后向時個位提供一個進(jìn)位信號。

2.3.2 時計數(shù)器

時計數(shù)器為24 進(jìn)制計數(shù)， 其計數(shù)規(guī)律是00→01→…→23→00，即當(dāng)數(shù)字運(yùn)行到23 時59 分59 秒時，在下一個秒脈沖的作用下，數(shù)字鐘顯示00 時00 分00 秒。計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1 所示。

由表可知，計數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生兩次跳躍：一是計數(shù)到9，即個位計數(shù)器的狀態(tài)為1001 后，在下一計數(shù)脈沖的作用下向十位計數(shù)器進(jìn)位;二是計數(shù)到23 后，在下一個計數(shù)脈沖的作用下，整個計數(shù)器歸零。

用兩片74LS160 可實(shí)現(xiàn)24 進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計， 如圖5所示。把時個位的QC 與時十位的QB 與非后送入到時個位和時十位的計數(shù)清零端，當(dāng)時十位計數(shù)器的狀態(tài)為“0010”時個位計數(shù)器的狀態(tài)“0100”時，時個位的QC 與時十位的QB輸出高電平，它們與非后為低電平分別對時個位和十位進(jìn)行清零。

2.4 校時電路

校時是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能，當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計時出現(xiàn)錯誤時都需要對時間進(jìn)行校正。一般數(shù)字鐘都具有時、分、秒等校正功能。為使電路簡單，這里只進(jìn)行分和時的校正。校正電路的要求在校正時位時不影響分和秒的正常計數(shù)，在校正分位時不影響秒和時的正常計數(shù)。校正電路的方式有快校正和慢校正兩種。由于快校正電路復(fù)雜，成本高，而慢校正更經(jīng)濟(jì)一些，所以設(shè)計采用慢校正對時鐘進(jìn)行校正，如圖6 所示。慢校正是用手動產(chǎn)生單脈沖做校正脈沖。電路由74LS08 及電阻、電容、開關(guān)等組成，其中J 為校分開關(guān)，H 為校時開關(guān)。

2.5 顯示部分

顯示部分采用74LS48 來進(jìn)行譯碼，用于驅(qū)動LED-7 段共陰極數(shù)碼管。由74LS48 和LED-7 段共陰極數(shù)碼管組成數(shù)碼顯示電路，如圖7 所示。

譯碼驅(qū)動電路是將“ 秒”、“ 分”、“ 時” 計數(shù)器輸出的8421BCD 碼進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，驅(qū)動LED-7 段數(shù)碼管顯示，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。若將秒、分、時計數(shù)器的每位輸出分別與相應(yīng)七段譯碼器的輸出端連接，在脈沖的作用下，便可進(jìn)行不同的數(shù)字顯示。由于使用的譯碼器74LS48 輸出端高電平有效，所以選擇共陰極的數(shù)碼管來與之搭配。

3 數(shù)字鐘電路仿真

在電子設(shè)計中，EDA 設(shè)計和仿真是一個重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。在眾多的EDA 設(shè)計和仿真中，Multisim10 以其強(qiáng)大的仿真設(shè)計應(yīng)用功能， 在電子電路的仿真和設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用［6］。

在完成總體電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，用ultisim10 電子電路仿真軟件完成電路的仿真設(shè)計。首先對電路的各功能模塊進(jìn)行仿真設(shè)計，并對其實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行調(diào)試與仿真，所有的子系統(tǒng)都能夠正常運(yùn)行時，把所有功能模塊整合在一起，進(jìn)行仿真和調(diào)試，最終完成整體電路的仿真設(shè)計。

值得注意的是，在數(shù)字鐘電路設(shè)計過程中，一定要注意檢測觸發(fā)器電路時鐘的觸發(fā)模式，確定是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)，避免在設(shè)計過程中出現(xiàn)計數(shù)故障;在振蕩器設(shè)計的過程中，為使振蕩器產(chǎn)生精確、穩(wěn)定的頻率，要選擇精度較高的電阻器和電容器。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計和仿真的數(shù)字鐘電路雖然只是基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但是如果需要走時精準(zhǔn)的數(shù)字鐘完全可以通過改進(jìn)時基信號來得到。具體方法為：用晶體振蕩器（CrystalOscillators）產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的時基信號，其它分頻電路、計時電路、譯碼顯示電路等只要保持不變，即可實(shí)現(xiàn)。