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在電子技術實驗教學中，構建學生的電路設計理念，提高學生的電路設計能力，是教學的根本目的和核心內容。數字鐘電路的設計和仿真，涉及模擬電子技術、數字電子技術等多方面知識，能夠體現實驗者的理論功底和設計水平，是電子設計和仿真教學的典型案例。文中采用了555 定時器電路、計數電路、譯碼電路、顯示電路和時鐘校正電路，來實現該電路。 1 系統設計方案 數字鐘由振蕩器、分頻器、計時電路、譯碼顯示電路等組成[1-3]。振蕩器是數字鐘的核心，提供一定頻率的方波信號;分頻器的作用是進行頻率變換，產生頻率為1 Hz 的秒信號，作為是整個系統的時基信號; 計時電路是將時基信號進行計數;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、分進行校對調整。其總體結構圖，如圖1 所示。 2 子系統的實現 2.1 振蕩器 本系統的振蕩器采用由555 定時器與RC 組成的多諧振蕩器來實現， 如圖2 所示即為產生1 kHz 時鐘信號的電路圖。此多諧振蕩器雖然產生的脈沖誤差較大，但設計方案快捷、易于實現、受電源電壓和溫度變化的影響很小[4]。 2.2 分頻器 由于振蕩器產生的頻率高， 要得到標準的秒信號，就需要對所得到的信號進行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個：1) 產生標準脈沖信號;2) 提供電路工作需要的信號，比如擴展電路需要的信號。通常實現分頻器的電路是計數器電路，選擇74LS160 十進制計數器來完成上述功能[5]。如圖3 所示，555 定時器產生1 kHz 的信號，經過3 次1/10 分頻后得到1 Hz 的脈沖信號， 為秒個位提供標準秒脈沖信號。 2.3 時間計數器 計數器是一種計算輸入脈沖的時序邏輯網絡，被計數的輸入信號就是時序網絡的時鐘脈沖，它不僅可以計數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、數字運算等等。 本部分的設計仍采用74LS160 作為時間計數器來實現時間計數單元的計數功能。時間計數器由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器、時個位和時十位計數器構成。數字鐘的計數電路的設計可以用反饋清零法，當計數器正常計數時反饋門不起作用，只有當進位脈沖到來時，反饋信號將計數電路清零，實現相應模的循環計數。 2.3.1 分(秒)計數器 分(秒)計數器均為60 進制計數，如圖4 所示。它們的個位用十進制計數器74LS160 構成，無需進制轉換，信號輸入端CLK 與1 Hz 秒信號相連，進位輸出作為十位的計數輸入信號。十位采用反饋清零法將十進制計數器74LS160 變成六進制計數器，因為清零端為低電平有效、所以將QB、QC與非后連接到清零端， 即計數器的輸出狀態為“0110”時QB、QC 輸出高電平與非后為低電平實現有效清零并對下一級進位。兩級電路組成一位60 進制計數器，其計數規律為00→01→…→58→59→00。當秒計數滿60 后向分個位提供一個進位信號，同理當分計數滿60 后向時個位提供一個進位信號。 2.3.2 時計數器 時計數器為24 進制計數， 其計數規律是00→01→…→23→00，即當數字運行到23 時59 分59 秒時，在下一個秒脈沖的作用下，數字鐘顯示00 時00 分00 秒。計數器的計數狀態轉換表如表1 所示。 由表可知，計數器的狀態要發生兩次跳躍：一是計數到9，即個位計數器的狀態為1001 后，在下一計數脈沖的作用下向十位計數器進位;二是計數到23 后，在下一個計數脈沖的作用下，整個計數器歸零。 用兩片74LS160 可實現24 進制計數器的設計， 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清零端，當時十位計數器的狀態為“0010”時個位計數器的狀態“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行清零。 2.4 校時電路 校時是數字鐘應具備的基本功能，當數字鐘接通電源或者計時出現錯誤時都需要對時間進行校正。一般數字鐘都具有時、分、秒等校正功能。為使電路簡單，這里只進行分和時的校正。校正電路的要求在校正時位時不影響分和秒的正常計數，在校正分位時不影響秒和時的正常計數。校正電路的方式有快校正和慢校正兩種。由于快校正電路復雜，成本高，而慢校正更經濟一些，所以設計采用慢校正對時鐘進行校正，如圖6 所示。慢校正是用手動產生單脈沖做校正脈沖。電路由74LS08 及電阻、電容、開關等組成，其中J 為校分開關，H 為校時開關。 2.5 顯示部分 顯示部分采用74LS48 來進行譯碼，用于驅動LED-7 段共陰極數碼管。由74LS48 和LED-7 段共陰極數碼管組成數碼顯示電路，如圖7 所示。 譯碼驅動電路是將“ 秒”、“ 分”、“ 時” 計數器輸出的8421BCD 碼進行編譯，轉換為數碼管需要的邏輯狀態，驅動LED-7 段數碼管顯示，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。若將秒、分、時計數器的每位輸出分別與相應七段譯碼器的輸出端連接，在脈沖的作用下，便可進行不同的數字顯示。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碼管來與之搭配。 3 數字鐘電路仿真 在電子設計中，EDA 設計和仿真是一個重要的設計環節。在眾多的EDA 設計和仿真中，Multisim10 以其強大的仿真設計應用功能， 在電子電路的仿真和設計中得到了廣泛應用[6]。 在完成總體電路設計的基礎上，用ultisim10 電子電路仿真軟件完成電路的仿真設計。首先對電路的各功能模塊進行仿真設計，并對其實現的功能進行調試與仿真，所有的子系統都能夠正常運行時，把所有功能模塊整合在一起，進行仿真和調試，最終完成整體電路的仿真設計。 值得注意的是，在數字鐘電路設計過程中，一定要注意檢測觸發器電路時鐘的觸發模式，確定是上升沿觸發還是下降沿觸發，避免在設計過程中出現計數故障;在振蕩器設計的過程中，為使振蕩器產生精確、穩定的頻率，要選擇精度較高的電阻器和電容器。 4 結束語 文中設計和仿真的數字鐘電路雖然只是基于實驗目的，但是如果需要走時精準的數字鐘完全可以通過改進時基信號來得到。具體方法為：用晶體振蕩器(CrystalOscillators)產生更加準確的時基信號，其它分頻電路、計時電路、譯碼顯示電路等只要保持不變，即可實現。 |
