代码收藏家技术教程 2023-05-01

数电仿真实验-数字钟的设计

一、实验目的

1、掌握任意模值计数器的设计方法

2、掌握multisim仿真软件对电路进行仿真验证的方法。

3、掌握数字综合系统设计的方法，能够对整体电路进行功能测试及故障检测。

二、实验原理

1.数字钟原理框图如下

2.各模块功能说明

（1）1Hz标准脉冲发生器

功能：产生频率为1HZ的矩形波。

（2）计数器

功能：利用串行、置零的方法分别实现24进制和60进制，可实现小时的24的进制、分钟和秒的60进制

（3）译码显示

功能：采用七段LED数码显示，将时、分计数器输出的4位二进制代码，译码显示出相应的十进制数状态。

（4）校正电路

数字钟在刚刚开机接通电源时，由于日、时、分、秒为任意值，所以，需要进行调整。置开关在手动位置，分别对时、分、秒、日进行单独计数，计数脉冲由单次脉冲或连续脉冲输入。

功能：校时可用10s脉冲快速校正，也可手动产生单次脉冲慢校正至时/分计数器。可设置一变量来控制实现校正或正常计数。

三、各模块电路原理图设计

1.秒脉冲发生器的设计

采用555多谐振荡器作为信号源，稳定产生1Hz的的信号

分析：产生的信号周期周期 T=(R1+R2)*C*ln2=1s（约等于）

2.显示电路设计

工作原理：数码管采用七段共阴极数码管，公共端接地，要想点亮数码管并显示指定数字，则需要对数码管相应端口输入高电平。管脚排列如下：

其内部是八段发光二极管的负极连在一起的电路。当在它的 a、b、c…g、DP 加上正向电压时，各段发光二极管就点亮，例如当 a、b 和 c 段为高电平，其它各段为低电平时就显示数码“7”。

3.译码电路

工作原理：74LS248 是显示译码器，负责将74LS161计数器输出的四位二进制码转为驱动数码管显示的七段码要想74LS正常工作，需要将LT （灯测试）、RBO/BI(脉冲消隐输出)、 RBI(消隐输入)三个引脚接高电平(低电平有效)。

**设计时，考虑实际设计情况，在译码器与显示器之间，添加限流电阻，避免仪器烧毁。

4.时分秒计时电路

分析：设计的60和24进制加法计数器都大于一个74LS161N的计数范围，所以需要级联。当且仅当秒的个位计数到10的瞬间，即输出为1010时，向本位发送一个清零信号，并同时向十位发送一个进位脉冲。但由于74LS161N的清零方式为异步清零，这种清零方式会导致清零的不可靠。所以必须要把脉冲调整到一个较低的周期，才会产生有效地清零和进位信号。74LS161N和74LS160N的预置是同步的，利用预置端的ABCD四个端口来实现清零。把A-D接地后，当置入控制器LOAD为低电平时，在CLOCK上升沿作用下，输出端QA-QD会与数据输入端A-D相一致。通过采用预置的方式，可以确保清零的稳定。但为了使清零和进位同步进行，在清零的输出端需要引出一根线，加上非门引入下一级计数器的输入端。这种可以实现多重清零的方式，也可以实现24进制用10进制显示，而且清零和进位的可靠性与同步性得到了极大地提高。
分、秒-60进制加法计数器设计：采用置入控制端的置位法

由于时钟模块分频后可直接产生1Hz的标准脉冲时钟信号，所以可以直接把所得的1Hz信号作为秒位计数器的时钟信号。使用同步加法计数器74LS161N和74LS160N构成60进制加法计数器作为秒计时器。在秒的个位计数到10的瞬间，向本位发送一个清零信号，并同时向十位发送一个进位脉冲。秒的十位加法计数器在计数到6的瞬间，向本位发送一个清零信号，并同时向分位的个位发送一个进位脉冲。这样就构成了一个级联而形成的60进制带进位与清零的加法计数器。

时-24进制加法计数器设计：采用两片74LS161串接构成24计数分频电路

由于24=00011000（二进制），设计电路图如下：

5.校准电路

功能介绍：

对秒进行校准时，1Hz秒脉冲不输入
对分、时进行校准时，1Hz秒脉冲正常输入
A、B、C状态对功能的切换

A B C 功能

0 0 0 计数

0 0 1 校秒

0 1 0 校分

1 0 0 校时

四.Multisim仿真

本次数字钟实验仿真，在实现基本的时、分、秒计数和采用基准时钟源采用频率为1HZ的信号源的基础上，设计了校准电路，可以实现对时分秒的校准，除此之外，还设计了秒脉冲发生器，即555多谐振荡器，稳定产生1Hz的信号。

五.实验心得体会

1.本次仿真历经两个版本迭代，在第一个版本中使用的是四段共阴极数码管，但次器件在实际中不存在，需要改进实验；此外，计数器采用的是74LS160；功能方面，除实现基本的计数功能外，也能实现校准功能。仿真图如下：

此次仿真实验耗费了我很多时间，思考后发现，有很一部分来自对实验软件multisim的不熟悉，由于第一次做数电仿真实验，很多器材不知道怎么找，多次摸索后，对multisim的使用有了进一步的了解。

2.仿真过程中遇到最大的困难就是对显示器的更换。从四段到七段，最开始更换成如下显示器

但最终运行后得到的数字极其不清晰，多次尝试调换后，才使用了现在的七段LED数码显示器。

但在更换成该显示器后，又出现了新的问题：运行后，数码管显示的数字虽然很清晰，但时、分部分的显示都是从01开始而不是00，和自己想的不一致，当时认为是进位电路出现了问题，于是多次检查了电路，进位电路更是采用了多种形式，但结果依旧不变，很苦恼～

在验收时受到老师点拨，这个结果是受系统影响，对数字钟整体功能影响不大。

由于两个版本对计数器的设计采用的是两种不一样的方法，在对电路多次检查的过程中，对任意模值计数器的设计有了更深的理解，或许也算达到了仿真实验的目的-掌握任意模值计数器的设计方法。

第1个版本中，对60进制和24进制的设计均是采用串行及复位清零

第2个版本中，对60进制的设计采用的是置入控制端的置位法；对24进制的设计采用的是串行、复位清零；
60进制具体设计：低位的十进制与高位的六进制进行级联

数字钟的设计是一个很有意思、很值得探索的实验。我觉得主要体现在功能的可开发性上面，在本次实验中，受时间等因素限制，我只拓展了校准功能，可实现时分秒的校准。但它可实现的功能还有很多：闹钟的设计、整点报时、12/24小时切换…… 每一个功能都值得去拓展！
就本次实验而言，在完成实验的基础上，我认为获得的不仅是对课本知识-计数器设计更扎实的掌握，还有对我耐心的磨练。一次又一次对电路的调试，对电路的检查，对器件的更换，尽管花了很多时间，但在运行、验收成功后，还是感到十分兴奋、欣慰！

PS：仿真文件如下

我通过百度网盘分享的文件：数字钟仿真.zip
链接：https://pan.baidu.com/s/1vv2RvzPlnpMj0O4fTTlkwA
提取码：2QS9

完成时间：2022-12-31