李 悅，孔維成，王宏干，楊海明

（總參通信訓(xùn)練基地 河北 宣化 075100）

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(jì)理念，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，能夠體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的理論功底和設(shè)計(jì)水平，是電子設(shè)計(jì)和仿真教學(xué)的典型案例。文中采用了555定時(shí)器電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和時(shí)鐘校正電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)該電路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

數(shù)字鐘由振蕩器、分頻器、計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路等組成[1-3]。振蕩器是數(shù)字鐘的核心，提供一定頻率的方波信號(hào)；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(hào)，作為是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)；計(jì)時(shí)電路是將時(shí)基信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；譯碼顯示電路的作用是顯示時(shí)、分、秒時(shí)間；校正電路用來(lái)對(duì)時(shí)、分進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Systems architecture

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(shí)器與RC組成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示即為產(chǎn)生1 kHz時(shí)鐘信號(hào)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(jì)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[4]。

圖2 多諧振蕩器Fig.2 Multivibrator

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(hào)，就需要對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個(gè)：1）產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)；2）提供電路工作需要的信號(hào)，比如擴(kuò)展電路需要的信號(hào)。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，選擇74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)完成上述功能[5]。 如圖3所示，555定時(shí)器產(chǎn)生1 kHz的信號(hào)，經(jīng)過(guò)3次1/10分頻后得到1 Hz的脈沖信號(hào)，為秒個(gè)位提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。

2.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來(lái)完成其它特定的邏輯功能，如測(cè)量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。

圖3 分頻電路Fig.3 Divider circuit

本部分的設(shè)計(jì)仍采用74LS160作為時(shí)間計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。時(shí)間計(jì)數(shù)器由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器構(gòu)成。

數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法，當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時(shí)反饋門(mén)不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來(lái)時(shí)，反饋信號(hào)將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計(jì)數(shù)。

2.3.1 分（秒）計(jì)數(shù)器

分（秒）計(jì)數(shù)器均為60進(jìn)制計(jì)數(shù)，如圖4所示。它們的個(gè)位用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，信號(hào)輸入端CLK與1 Hz秒信號(hào)相連，進(jìn)位輸出作為十位的計(jì)數(shù)輸入信號(hào)。十位采用反饋清零法將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160變成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)榍辶愣藶榈碗娖接行А⑺詫B、QC與非后連接到清零端，即計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為 “0110”時(shí)QB、QC輸出高電平與非后為低電平實(shí)現(xiàn)有效清零并對(duì)下一級(jí)進(jìn)位。兩級(jí)電路組成一位60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00→01→…→58→59→00。當(dāng)秒計(jì)數(shù)滿(mǎn)60后向分個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，同理當(dāng)分計(jì)數(shù)滿(mǎn)60后向時(shí)個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。

圖4 分（秒）計(jì)數(shù)電路Fig.4 Minute （Second） counting circuit

2.3.2 時(shí)計(jì)數(shù)器

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

表1 計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表Tab.1 Counter state transition table

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

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

圖5 時(shí)計(jì)數(shù)電路Fig.5 Hour counting circuit

2.4 校時(shí)電路

校時(shí)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(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。一般數(shù)字鐘都具有時(shí)、分、秒等校正功能。為使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和時(shí)的校正。校正電路的要求在校正時(shí)位時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)，在校正分位時(shí)不影響秒和時(shí)的正常計(jì)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(jì)采用慢校正對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校正，如圖6所示。慢校正是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖做校正脈沖。電路由74LS08及電阻、電容、開(kāi)關(guān)等組成，其中J為校分開(kāi)關(guān)，H為校時(shí)開(kāi)關(guān)。

圖6 慢校正Fig.6 Slow correction

2.5 顯示部分

顯示部分采用74LS48來(lái)進(jìn)行譯碼，用于驅(qū)動(dòng)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。

圖7 數(shù)碼顯示電路Fig.7 Digital display circuit

譯碼驅(qū)動(dòng)電路是將 “秒”、“分”、“時(shí)” 計(jì)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(dòng)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(shí)計(jì)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(lái)與之搭配。

3 數(shù)字鐘電路仿真

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

在完成總體電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用Multisim10電子電路仿真軟件完成電路的仿真設(shè)計(jì)。首先對(duì)電路的各功能模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并對(duì)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(shí)，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(jì)。

值得注意的是，在數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要注意檢測(cè)觸發(fā)器電路時(shí)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(jì)過(guò)程中出現(xiàn)計(jì)數(shù)故障；在振蕩器設(shè)計(jì)的過(guò)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(yǔ)

文中設(shè)計(jì)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(shí)精準(zhǔn)的數(shù)字鐘完全可以通過(guò)改進(jìn)時(shí)基信號(hào)來(lái)得到。具體方法為：用晶體振蕩器（Crystal Oscillators）產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)，其它分頻電路、計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路等只要保持不變，即可實(shí)現(xiàn)。

[1]呂思忠.數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]謝自美.電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)—實(shí)驗(yàn)—測(cè)試[M].3版.武漢:華中電子科技出版社，2006.

[3]崔瑞雪.電子技術(shù)動(dòng)手實(shí)踐[M].北京:航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—數(shù)字部分[M].5版.北京:高等教育出版社，2005.

[5]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—模電部分[M].5版.北京:高等教育出版社，2005.

[6]唐贑，吳翔，蘇建峰.Multisim 10&Ultiboard 10原理圖仿真與PCB設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.