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標題: Multisim仿真數字電子鐘(純數字電路) [打印本頁]

作者: 柳柳愛喝茶 時間: 2020-5-7 17:34
標題: Multisim仿真數字電子鐘(純數字電路)

數字鐘是用數字集成電路構成，用數碼管顯示的一種現代化計數器。它一般由振蕩器、分頻器、計數器、譯碼器、顯示器、矯時電路等部分組成，這些都是數字電路中應用最廣的基本電路。振蕩器和分頻器構成組成標準秒信號發生器，不同進制的計數器、譯碼器和顯示器組成計時系統，通過校時校時校分電路實現對時、分的校準。數字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數的計數電路。由于計數的起始時間不可能與標準時間（北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩定。通常使用石英晶體振蕩器電路構成數字鐘。

1設計內容及要求
1.1設計內容及要求

①可以顯示時、分、秒。

②具有校時功能，可以分別對時及分進行單獨校時，使其校正到標準時間。

③計時過程具有報時功能，當時間到達整點前10秒進行蜂鳴報時。

④鬧鐘功能：可按設定的時間報時。

2系統原理及系統框圖
2.1數字鐘的構成

⑴信號發生器

由函數信號發生器給數字鐘提供一個頻率2Hz 的信號，再進行分頻處理可保證數字鐘的走時準確及穩定。

⑵時間計數器電路

時間計數電路由秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器及時個位和時十位計數器電路構成。其中秒個位和秒十位計數器、分個位和分十位計數器為60進制計數器。而根據設計要求，時個位和時十位計數器為24進制計數器。

⑶譯碼驅動電路

譯碼驅動電路將計數器輸出的8421BCD碼轉換為數碼管需要的邏輯狀態，并且為保證數碼管正常工作提供足夠的工作電流。

⑷數碼管

數碼管通常有發光二極管（LED）數碼管和液晶（LCD）數碼管。本設計提供的為LED數碼管。

2.2工作原理

⑴函數信號發生器

產生矩形脈沖波作為時鐘信號，因為是數字鐘，所以應選擇的頻率為1HZ,但為校時高赫茲信號，特改為2HZ。方便校時并使用分頻器進行分頻修改部分電路實現與標準走時相同。

⑵時間計數單元

六片74LS390芯片構成計數電路,按時間進制從右到左構成從低位向高位的進位電路,并通過譯碼顯示。在六位LED 七段顯示上顯示對應的數值。

⑶校時電源電路

當重新接通電源或走時出現誤差時都需要對時間進行校正。通常,校正時間的方法是:首先截斷正常的計數通路,然后再進行人工出觸發計數或將頻率較高的方波信號加到需要校正的計數單元的輸入端,校正好后,再轉入正常計時狀態即可。

根據要求,數字鐘應具有分校正和時校正功能。因此,應截斷分個位和時個位的直接計數通路,并采用正常計時信號與校正信號可以隨時切換的電路接入其中。

2.3系統框圖

圖2-1系統框圖

3整機電路圖3.1主要元器件介紹

名稱	數量	名稱	數量
數碼管	6個	蜂鳴器	1個
CD4511BD	6個	撥碼開關	4個
74LS86	4個	電阻	若干
74LS32	4個	電容	若干
74LS02	1個	普通開關	2個
74LS390	6個	74LS51	1個
74LS08	3個	74LS74	1個
74LS00	5個	74LS11	1個
74LS21	1個

表3-1 電路配件

圖3-2整體電路圖

（1）74LS74

74LS74是一個D觸發器，觸發器具有兩個穩定狀態，即"0"和"1"，在一定的外界信號作用下，可以從一個穩定狀態翻轉到另一個穩定狀態。分頻用同一個時鐘信號通過一定的電路結構轉變成不同頻率的時鐘信號。而二分頻就是通過有分頻作用的電路結構，在時鐘每觸發2個周期時，電路輸出1個周期信號。

（2）74LS390

74ls390是LSTTL型雙四位十進制計數器。A和B觸發器都有獨立的時鐘，可以構成兩個2分頻和兩個5分頻計數器每個計數器都有直接清除有效提高系統密度緩沖輸出減小集電極轉換的可能性。這種雙單片電路有八個主從觸發器和附加門，以構成兩個獨立的4位計數器，可以實現等于2分頻、5分頻乃至100分頻的任何累加倍數的周期長度。當連成二—五進制計數器時，可以用獨立的2分頻電路在最后輸出級形成對稱波形（矩形波）。每個計數器又有一個清除輸入和一個時鐘輸入。由于每個計數級都有并行輸出，所以系統定時信號可以獲得輸入計數頻率的任何因子。

（3）CD4511

CD4511 是一片 CMOS BCD—鎖存/7 段譯碼/驅動器，用于驅動共陰極 LED （數碼管）顯示器的 BCD 碼-七段碼譯碼器。具有BCD轉換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流。可直接驅動共陰LED數碼管。其中a b c d 為 BCD 碼輸入，a為最低位。LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障。BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時， B1端應加高電平。另外 CD4511有拒絕偽碼的特點，當輸入數據越過十進制數9(1001)時，顯示字形也自行消隱。LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數據。a～g是 7 段輸出，可驅動共陰LED數碼管。所謂共陰 LED 數碼管是指 7 段 LED 的陰極是連在一起的，在應用中應接地。

（4）撥碼開關

撥碼開關（也叫DIP開關，撥動開關，超頻開關，地址開關，撥拉開關，數碼開關，指撥開關）是一款用來操作控制的地址開關，采用的是0/1的二進制編碼原理。每一個鍵對應的背面上下各有兩個引腳，撥至ON一側，這下面兩個引腳接通；反之則斷開。這四個鍵是獨立的，相互沒有關聯。此類元件多用于二進制編碼。

（5）數碼管

數碼管，也稱作輝光管，是一種可以顯示數字和其他信息的電子設備。玻璃管中包括一個金屬絲網制成的陽極和多個陰極。大部分數碼管陰極的形狀為數字。管中充以低壓氣體，通常大部分為氖加上一些汞和/或氬。給某一個陰極充電，數碼管就會發出顏色光，視乎管內的氣體而定，一般都是橙色或綠色。led數碼管（LED Segment Displays）是由多個發光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數碼管常用段數一般為7段有的另加一個小數點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等，led數碼管根據LED的接法不同分為共陰和共陽兩類。靜態驅動也稱直流驅動。

3.2工作原理

函數信號發生器發出2HZ信號經過74LS74構成的分頻器電路提供1HZ信號，該信號經過門電路與74LS390構成的計數器電路產生8421BCD碼再經過譯碼器交由數碼管顯示。校時電路則采用2HZ信號通過74LS00與74LS51與非門將信號傳入74LS390控制端實現快速校時。鬧鐘電路則通過撥碼開關與門電路將定時時間傳入計數器中并通過產生一分鐘高電平驅動二極管發光。將計數器產生5、9、5信號與門電路結合驅動控制三極管開關從而實現蜂鳴器報時。

4 單元電路設計
4.1時鐘電路

數字鐘實際上是一個對標準頻率（1HZ）進行計數的計數電路。由于計數的起始時間不可能與標準時間（如北京時間）一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩定。利用函數信號發生器產生2Hz的時鐘信號，再利用74LS47構成分頻電路分頻，產生1Hz的時鐘信號供給系統使用，如圖4-1。

圖4-1 脈沖信號電路
4.2報時電路

報時電路設計如圖4-2，原理說明：利用蜂鳴器、與非門及開關實現，當“分”計數電路為59時，四與門會產生一個高平進位信號，當秒計數電路十位為5時經過二與門輸出高電平，兩路信號再經過與門為高電平，再經過非門變為高電平，秒個位輸出為0到9時信號上路高電平經過三與門成為高電平，從而使蜂鳴器發出響聲。

圖4-2報時電路

4.3計數器電路與鬧鐘

時間計數電路由六個計數器組成，他們分別是：“秒”個位、“秒”十位計數器、“分”個位、“分”十位計數器及“時”個位、“時”十位計數器電路。其中 “秒”個位、“分”個位和“時”個位計數器采用的是10進制計數器、“秒”十位和“分”十位計數器為6進制計數器，“時”十位計數器可以采用3進制計數器。這樣六個計數器就安排好了。在時個位計數器計數時，當時十位計數器為2時，個位計數器為4進制計數器。（即時鐘為23后，下一個狀態為00）“秒”計數電路和“分”計數電路設計見下圖，原理說明：