1、電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題：電子數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真專業(yè)班級：電子信息工程學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：電子數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)者指導(dǎo)教師摘要數(shù)字鐘能經(jīng)振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼和顯示電路準(zhǔn)確地將時(shí)間“時(shí)”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，并且需要校正電路使其準(zhǔn)確工作，還可以有定時(shí)和報(bào)時(shí)功能。研究數(shù)字鐘及擴(kuò)大其應(yīng)用，有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。本文在Multisim基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘，是由數(shù)字集成電路構(gòu)成、用數(shù)碼管顯示。關(guān)鍵詞數(shù)字鐘振蕩器計(jì)數(shù)器譯碼顯示仿真引言數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的裝置，鐘表的數(shù)字化給人們生產(chǎn)生活帶來了極大的方便，而且大大地?cái)U(kuò)展了鐘表原先的報(bào)時(shí)功能。諸如定時(shí)自動(dòng)報(bào)警

2、、按時(shí)自動(dòng)打鈴、時(shí)間程序自動(dòng)控制、定時(shí)廣播。而且與傳統(tǒng)的機(jī)械鐘相比，它具有走時(shí)準(zhǔn)確、顯示直觀、無機(jī)械傳動(dòng)、無需人的經(jīng)常調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)涉及到模擬電子與數(shù)字電子技術(shù)，其中絕大部分是數(shù)字部分、邏輯門電路、數(shù)字邏輯表達(dá)式、計(jì)算真值表與邏輯函數(shù)間的關(guān)系、編碼器、譯碼器顯示等基本原理?，F(xiàn)在主要用各種芯片實(shí)現(xiàn)其功能，更加方便和準(zhǔn)確。Multisim8作為一種高效的設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)。其強(qiáng)大的虛擬儀器庫和軟件仿真功能，為電路設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法。設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1設(shè)計(jì)+5V穩(wěn)壓電源；1.2用LED管顯示時(shí)、分、秒；1.3具有校時(shí)功能；1.4具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；1.5具有鬧鐘功能；1.6應(yīng)用Mu

3、ltisim仿真軟件對電路進(jìn)行關(guān)鍵元器件參數(shù)的選擇、主要功能特性的仿真與電路特性分析。方案設(shè)計(jì)與論證該設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成:震蕩器、秒計(jì)數(shù)器、分計(jì)數(shù)器、時(shí)計(jì)數(shù)器、BCD-七段顯示譯碼/驅(qū)動(dòng)器、LED七段顯示數(shù)碼管、時(shí)間校準(zhǔn)電路數(shù)字鐘數(shù)字顯示部分，采用譯碼與二極管串聯(lián)電路，將譯碼器、七段數(shù)碼管連接起來，組成十進(jìn)制數(shù)碼顯示電路，即時(shí)鐘顯示。要完成顯示需要6個(gè)數(shù)碼管，八段的數(shù)碼管需要譯碼器械才能顯示，然后要實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)需要60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在在仿真軟件中發(fā)生信號可以用函數(shù)發(fā)生器仿真，頻率可以隨意調(diào)整。60進(jìn)制可能由10進(jìn)制和6進(jìn)制的計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成，頻率振蕩器可以由晶體振蕩器

4、分頻來提供，也可以由555定時(shí)來產(chǎn)生脈沖并分頻為1Hz。計(jì)數(shù)器的輸出分別經(jīng)譯碼器送顯示器顯示。計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí),可以用校時(shí)電路校時(shí)、校分。擴(kuò)展電路必須在主題電路正常運(yùn)行的情況下才能進(jìn)行功能擴(kuò)展。主體思路如圖1所示：圖1電子數(shù)字鐘系統(tǒng)組成框圖原理圖的設(shè)計(jì)3.1總原理圖94R36R3243R3910105%!100!5%5%V|DDSV11217113100!5%DABCDEFGDYYYYYYYDABCDEFGDYYYYYYYABCDEFGIJU27U24U284511BP_5VR4750!5%1375%1381uF4R150!5%R25%00!45I1BP74LS001074LS04N55U167

5、4LS161N54VCCVCC5VVCCVCC123VCCU43RSTOUTr7139C3DISTHRTRICONGND100nL8C1h(VDD3.2工作原理j_咄U22B6R27R2：歹1005%10000卜100|502875787974LS08DCK127U20IFlU580U21CDR25R18100!5%6264100!5%DABCDEFGDYYYYYYYVOD4511BP5VU34AU13ADABCDEFGDYYYYYYYL4374LS08DU15A491525V74LS04D14074LS00NU145V5174LS161NLM555CMVDD5VVDDVCCCCU1RSTOU

6、TDISTHRTRICONND100nFXLM555CM77374LS0074LS08D-I56574874LS161N74LS0CU6VQC5V74LS04DR4910M5%1415V74LS04DR45101M!J1-5%13ffKey=Spa4610M!5%D44A_Key=AIrR50U10M!5%VDD5VU198400U92R1R14嶄iiii11DABCDEFGDYYYYYYYIDABCDEFGDYYYYYYY3円LAbCDeFg4574LVCCU84511BP_5VU3vd4511BP_sS161N74LS0晉阿=2:二Ml11i_i.：2；2：m.01LZHR3220Vf3)

7、Hr?1BIB42QI-:ittiF：J.ll11旗湮:G2此：；卡乃血皿二恤F：.WWWC10C7KtjjL上A覬2.圖3直流穩(wěn)壓電源關(guān)鍵點(diǎn)電壓測量仿真T1&4：.7uFZ.2iiE3k：、220Vr廠筑H?汽Tfi0WFJIL-JL4:ZZi.ZiiFJ31T%詡丄EG；J214-H.血C31H:R1：二I:：魏比R3單帆:LYo：:hJt-rn-1-訛；些KSLc?1：liFnC71TZiDff.7ijFL1：liF：U2LM33ZH圖4整流濾波后電壓的波形和穩(wěn)壓輸出電壓的波形仿真圖5整流濾波后電壓的波形和穩(wěn)壓輸出電壓的波形3.2.21Hz標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器振蕩器可由晶振組成，也可以由555

8、與RC組成的多諧振蕩器。由555定時(shí)器得到1Hz的脈沖，功能主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號和提供功能擴(kuò)展電路所需要的信號。3.2.3計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)在數(shù)字鐘的控制電路中，分和秒的控制都是一樣的，都是由一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器串聯(lián)而成的，在電路的設(shè)計(jì)中我采用的是統(tǒng)一的器件74LS161N的反饋置數(shù)法來實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制功能和六進(jìn)制功能，根據(jù)74LS161的結(jié)構(gòu)把輸出端的0101（十進(jìn)制為5）用一個(gè)與非門74LS00引到Load端便可置0,這樣就實(shí)現(xiàn)了六進(jìn)制計(jì)數(shù)。同樣，在輸出端的1001（十進(jìn)制為9）用一個(gè)與非門74LS00引到Load端便可置0,這樣就實(shí)現(xiàn)了十進(jìn)制計(jì)數(shù)。在分和秒的進(jìn)位時(shí)，用秒計(jì)數(shù)器的Load

9、端接分計(jì)數(shù)器的CLK控制時(shí)鐘脈沖，脈沖在上升沿來時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。時(shí)計(jì)數(shù)器可由兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器串接并通過反饋接成二十四制計(jì)數(shù)器。譯碼顯示電路設(shè)計(jì)譯碼驅(qū)動(dòng)電路將計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。4511是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼一七段碼譯碼器，特點(diǎn)如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動(dòng)功能的CMOS電路能提供較大的拉電流?？芍苯域?qū)動(dòng)LED顯示器。由計(jì)數(shù)器得到的4位二進(jìn)制碼的必須通過譯碼后轉(zhuǎn)為人們習(xí)慣的數(shù)字顯示。如12：54：30的二進(jìn)制碼為00010010：01010100：00110000

10、。譯碼之后再驅(qū)動(dòng)7段數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒。LED七段顯示數(shù)碼管顯示時(shí)、分、秒。52校時(shí)電路時(shí)鐘出現(xiàn)誤差時(shí)，需校準(zhǔn)。當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能。對校時(shí)電路的要求是，在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校時(shí)方式有快校時(shí)和慢校時(shí)兩種，快校時(shí)是，通過開關(guān)控制，使計(jì)數(shù)器對1Hz的校時(shí)脈沖計(jì)數(shù)。慢校時(shí)是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖作校時(shí)脈沖下圖所示為校時(shí)電路和校分電路。其中S是校分用的控制開關(guān)，S為校時(shí)用的控制開關(guān)，它們的控制功能下表所示。2校時(shí)脈沖采用分頻器輸出的1Hz脈沖，當(dāng)S或S分別為0時(shí)可進(jìn)行快校時(shí)。如12果校時(shí)脈沖由單脈

11、沖產(chǎn)生器提供，則可以進(jìn)行慢校時(shí)。Multisim仿真軟件校時(shí)的具體設(shè)計(jì)方法是：用一個(gè)單刀雙擲開關(guān)切換計(jì)數(shù)功能與校時(shí)功能，另一端接計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端，開關(guān)置于函數(shù)發(fā)生器這一端便可以校時(shí)，置于計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端便是計(jì)時(shí)。不校正時(shí)間時(shí)開關(guān)都應(yīng)打在與非門的那一端。x111111VDDu口ITMLBOONhumK141N-!4L!B_LHUS411BPJVU3BAV74LSO4DU116F44貂；lVDDT5VJDDm|uipi半Ib頼74L80BDEAtaCQIrWOOLEli11ia11BPJ4LSSBCMLEDDNF4LS矽Multimeter-X.U4AcnHLsonNU41AE圖6開關(guān)接校時(shí)電路時(shí)

12、中IIlliI；3菲浮鵡*4511BF_U33A74LHOEDAtai：DIPI1-1U32Ag爭器貯詐uaus-11EF_6nJaJl亡ElPGi.-k.U19AHLSOBDU-IOA74LBOONU1274L31B1MiT4LBODNLr4LsnIii想-iMit-16VJ11QMTTwjiHIB04DU9BAF4OQN192U4dA=XLlu!lVDDgXMH1-I-U41AE9F4OBH74OGN矽Multimeter-X.-I!F4LDO4-nynJ?4LB1H1N1a*U3EApEii圖7開關(guān)接計(jì)數(shù)電路時(shí)3.2.6鬧時(shí)電路在指定的時(shí)刻發(fā)出信號，或驅(qū)動(dòng)音響電路“鬧時(shí)”或?qū)δ逞b置的電源

13、進(jìn)行接通或斷開“控制”不管時(shí)鬧時(shí)還是控制，都要求時(shí)間準(zhǔn)確，即信號的開始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間必須滿足規(guī)定的要求。例如：要求上午7時(shí)59分發(fā)出鬧時(shí)信號，持續(xù)時(shí)間為1分鐘。7分59分對應(yīng)數(shù)字鐘的時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（QQQQ）=0111，分十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為TOC o 1-5 h z3210HI（QQQQ）=0101,分個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為（QQQQ）=1001。若將上述計(jì)數(shù)器210M23210M1輸出為“1”的所有輸出端經(jīng)過與門電路去控制音響電路，可以使音響電路正好在7點(diǎn)59分響，持續(xù)1分鐘后（8點(diǎn)）停響。所以鬧時(shí)控制信號z的表達(dá)式為Z=(QQQ)*(QQ)*(QQ)*M，其中M為上午的信號輸出，要求M=

14、1。10HI20M230M1用與非門實(shí)現(xiàn)可將z進(jìn)行變換，即Z=(QQQ)M(QQ)(QQ)210HI20M230M1其邏輯電路如圖，74LS20為4輸入二與非門，74LS03為集成電路開路(OC門)的2輸入四與非門，因OC門的輸出端可以進(jìn)行“線與”使用時(shí)在它們的輸出端與電源+5V端之間應(yīng)接一電阻R3.3Q。由圖可知在上午7點(diǎn)59分時(shí)，音響電路的晶體管導(dǎo)通，貝U揚(yáng)聲器發(fā)出1KHz的聲音。持續(xù)1分鐘到8點(diǎn)整，晶體管因輸入端為0而截止，電路停鬧。圖8鬧時(shí)電路及仿真3.2.7整點(diǎn)報(bào)時(shí)整點(diǎn)報(bào)時(shí)的功能要求時(shí)，每當(dāng)數(shù)字鐘計(jì)時(shí)快到整點(diǎn)時(shí)發(fā)出聲響。U27BUZZERiqo；+_q9jucncraox1!3aU2

15、3451嫁Multimeter-X.圖9整點(diǎn)報(bào)時(shí)蜂鳴器仿真圖U15A74LSiJUf-14t|2DOH=刊uja紳站匸泮U2fi4-511BP_5VU3711912rlrlQV一i葯1u.-u.-D1D弊員亡74LS05D伊MultimeterX.ovhiiiiU21JIL=：D&D八/1122-1*-=F膀ULIasr16Ilr?=-a邛*帶泮111TiiIU19妬!怕圖10非整點(diǎn)報(bào)時(shí)蜂鳴器仿真圖4仿真調(diào)試Multisim8是一個(gè)電路原理設(shè)計(jì)、電路功能測試的虛擬仿真軟件，其元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，同時(shí)也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫。有超強(qiáng)板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包

16、含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim8軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析的基本步驟為:設(shè)計(jì)創(chuàng)建仿真電路、原理圖電路圖、選項(xiàng)的設(shè)置、使用仿真儀器、設(shè)定仿真分析方法，啟動(dòng)Multisim8仿真。仿真分析開始前可雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板。準(zhǔn)備觀察被測試波形。按下程序窗口右上角的啟動(dòng)/停止開關(guān)狀態(tài)為1,仿真分析開始。若再次按下，啟動(dòng)/停止升關(guān)狀態(tài)為0,仿真分析停止。電路啟動(dòng)后，需要調(diào)整示波器的時(shí)基和通道控制，使波形顯示正常。在Multisim軟件中，根據(jù)數(shù)字鐘的總電路圖，設(shè)置函數(shù)發(fā)生器的頻率為1Hz，把A開關(guān)和B開關(guān)都接到與非門的那端，再運(yùn)行就可以讓數(shù)字鐘自行

17、計(jì)數(shù)了。如果運(yùn)行的太慢可以適當(dāng)調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的頻率。如果把A開關(guān)接到函數(shù)發(fā)生器上，就是對小時(shí)進(jìn)行校正，如果把B開關(guān)接到函數(shù)發(fā)生器上那就是對分進(jìn)行校正。小時(shí)的計(jì)數(shù)是從01到12,不是從00到11,但在校正小時(shí)位時(shí)初始狀態(tài)仍為00。振蕩器的仿真可以直接運(yùn)行，然后用示波器觀察現(xiàn)象便可。直流穩(wěn)壓電源的仿真中可以看到用萬用表測量出關(guān)鍵點(diǎn)的電壓5.123V。用示波器A通道和B通道分別顯示整流濾波后電壓UI的波形和穩(wěn)壓輸出電壓UO的波形，從示波器顯示窗口可以看出：上面一條鋸齒波曲線為UI波形，下面一條線為UO波形。如果以上設(shè)計(jì)的電路通過模擬仿真分析，不符合設(shè)計(jì)要求，可通過逐漸改變元器件參數(shù)，或更改元器件型號

18、，使設(shè)計(jì)符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對更改的電路立即進(jìn)行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。5電路功能與特性總結(jié)：本設(shè)計(jì)的電子數(shù)字鐘能經(jīng)振蕩分頻器、計(jì)數(shù)器、譯碼和顯示電路將時(shí)間“時(shí)”“分”“秒”用數(shù)字的方式顯示出來，并且需要校正電路使其準(zhǔn)確工作，還有定時(shí)和報(bào)時(shí)功能?？刂戚^簡單，沒有遙控、防電臺(tái)報(bào)時(shí)等復(fù)雜電路。調(diào)試時(shí)有的器件在理論上可行，但在實(shí)際運(yùn)行中就無法看到效果，所以得換不少器件，有時(shí)無法找出錯(cuò)誤便更換器件重新接線以使電路正常運(yùn)行。Multisim軟件有時(shí)會(huì)出問題，在理論上可行的電路在調(diào)試中未必能顯示出來，這就需要耐心、仔細(xì)地分析和解決問題，不斷地嘗試才能得出正確的答案。6參考文獻(xiàn)1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M第四版北京:高等教育出版,1999.249-2592謝自美電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試第三版M武昌俞家山：華中科技大學(xué)出版社，2006.235-2383臧春華.電子線路設(shè)計(jì)與應(yīng)用M北京.高等教育出版社,2004.175-1784梁德厚.數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用M北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2005.178-1825郭鎖利基于Multisim9的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合應(yīng)用M北京人民郵電出版社,2008.235-2476陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).第二版.M.北京.高等教育出版社,2000.288-2907康華光.電子技