基于Multisim10 的数字钟的设计与仿真.doc
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1、引言数字钟是一种以数字电路为基础,综合了模拟电路和电路基础知识设计出的一种时间数字显示装置。它具有结构简单、设计方便、稳定性强等优点,已广泛应用于个人家庭、商店、车站、码头、办公室等场所,成为人们日常生活的必需品,给人们的生活、学习、工作带来很大的方便。随着科学技术及人们生活观念的改变,数字钟的设计显示出新的发展趋势:体积更加小巧;功能更加强大,如增加了定时控制,闹铃,仿广播电台等功能;设计的外表更加的时尚、美观,适合人们的审美观点的改变。进行数字钟设计的主要目的是适应数字钟的发展趋势,对我们所学知识的一个综合应用。学会独立解决问题的方法,锻炼我们的实践能力。数字钟的设计方案有很多种,如基于单
2、片机技术,基于Multisim10软件等。论文是基于Multisim10的数字钟的设计与仿真。Multisim10是一种高效的设计与仿真平台,其强大的虚拟仪器库和软件仿真功能为电路的设计提供了先进的设计思路的方法。基于Multisim10的数字钟的设计是对标准脉冲信号、秒计时显示、分计时显示、时计时显示、整点报时、校准电路和定时控制电路进行设计,然后将它们组合,来实现时、分、秒的显示,并通过Multisim10软件的仿真功能仿真出结果。论文中还介绍了所用器件的各项功能和使用方法等。1 设计要求1数字钟的功能要求:(1)准确计时,以数字形式显示时、分、秒,时要求为24进制,分和秒的要求为60进制
3、。(2)具有校正功能,可以分别对时及分进行单独校正,使其校正到标准时间。(3)计时过程具有报时功能。(4)定时控制功能。2设计要求:(1)画出电路原理图(或仿真电路图)。(2)元器件及参数选择。(3)电路仿真与调试。2 Multisim10软件的介绍Multisim10是美国国家仪器公司最新推出的Multisim最新版本。Multisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件,虚拟电子与电工仪器和仪表,Multisim10是一个综合原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim10具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电
4、路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法,以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim10可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等,从而观察在不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时,软件还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。2.1 Multisim10的元器件库二极管库包含有二极管、可控硅等多种器件,二极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置
5、的,非虚拟元器件的参数是固定的,但是可以选择。晶体管库包含有晶体管、FET等多种器件,晶体管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的,非虚拟元器件的参数是固定的,但是可以选择。模拟集成电路库包含有多种运算放大器。TTL数字集成电路库包含多种数字电路器件。CMOS数字集成电路库包含多种CMOS数字集成电路系列器件。Multisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用,同时也可以新建和扩充已有的元器件库,以方便在工程设计中使用。它的虚拟测试仪表种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、函数信号发生器、双踪示波器等;而且还有一般实验室没有的,如波特图仪等。2.2 Multisim10的仿真基于
6、Multisim10的设计与传统的电子电路设计与实验方法相比,具有如下特点:设计与实验可以同步进行,可以边设计边实验,修改调试方便;设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全,可以完成各种类型的电路设计与实验;可方便地对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线;实验中不消耗实际的元器件,实验所需元器件的种类和数量不受限制,实验成本低,实验速度快,效率高;设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。Multisim10易学易用,便于电子信息、通信工程、自动化专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验,有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。3 数字钟的简介和总体框图设计3.1 数
7、字钟的简介数字钟以其显示的直观性、走时准确、性能稳定等特点而受到人们的欢迎,广泛应用于家庭、车站、码头、剧场等场合,给人们的生活、学习、工作、娱乐带来了极大的方便。数字钟实际上是一个对标准频率(1Hz)进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间(北京时间)一致,故需要在电路上加一个校正电路,同时标准的1Hz时间信号必须做到准确稳定。数字钟主要由译码器显示器、校准电路、报时电路、时计数器、分计数器、秒计数器、单位脉冲产生电路和定时控制电路等组成。3.2 数字钟的总体框图设计秒信号的产生是整个系统的时基信号,它直接决定计时系统的精度,将秒脉冲信号送入“秒计数器”,“秒计数器”采用60进
8、制计数器,每累计60秒发出一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。分计数器也采用60进制计数器,每累计60分钟,发出一个时脉冲信号,该信号将被送到时计数器。时计数器采用24进制计时器,可实现对一天24小时的计时。译码器译码,再经过显示器显示出来。整点报时电路根据计时系统产生一个脉冲信号,然后去报时。校正电路用来对时、分进行校对调整。定时控制时显示器时译码器时计数器分显示器分译码器分计数器秒显示器秒译码器秒计数器校时电路整点报时振荡器分频器图3-1 数字钟的总体框图4 子电路的设计4.1 振荡器的选择 振荡器是数字钟的核心。振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度。
9、振荡器的设计方案有很多种,设计中介绍了两种设计方案,并通过比较其优缺点选择其中的一个。4.1.1 晶振组成振荡器选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说,振荡器的频率越高,计时精度越高。如图41所示为数字钟的晶体振荡器电路,常取晶振的频率为32768Hz,因其内部有15级2分频集成电路,所以输出端正好可以输出得到1Hz的标准脉冲。图4-1 晶振组成振荡器石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率便于调整,它被广泛应用于计算机、遥控器等各类振荡电路中。石英晶体振荡器的具体工作原理:用反相器与石英晶体构成的振荡电路,利用两个非门形成自我反馈,使它们工作在线性状态,然后利用石英晶体来控制振荡
10、频率,同时用电容C1来控制两个非门之间的耦合,两个非门输入和输出之间并接的电阻R1和R2作为负反馈元件,由于反馈电阻很小,可以认为非门的输出压降相等。4.1.2 555定时器组成振荡器选用555定时器与RC电路构成多谐振荡器产生f=1KHz的信号。电路如图42所示图4-2 555定时器组成振荡器555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合的一种双极型中规模集成器件。外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等,应用十分广泛。555定时器原理介绍:它是由上、下两个电压比较器、三个5k电阻、一个RS触发器、一个放电三极管 T以及功率输出级组成。比较器 C1的反相输入
11、端5接到由三个5 k电阻组成的分压网络的2/3Vcc处(5也称控制电压端),同相输入端6为阀值电压输入端。比较器C2的同相输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处,反相输入端2为触发电压输入端,用来启动电路。两个比较器的输出端控制RS触发器。RS触发器设置有复位端 4,当复位端处干低电平时,输出3为低电平。控制电压端5是比较器C1的基准电压端,通过外接元件或电压源可改变控制端的电压值,即可改变比较器C1、C2的参考电压。不用时可将它与地之间接一个O.01F的电容,以防止干扰电压引入。555的电源电压范围是518V,输出电流可达100200mA,能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器等。555定
12、时器的应用1.单稳态电路 当电源接通后,Vcc通过电阻R向电容C充电,待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时,RS触发器置0,即输出Vo为低电平,同时电容C通过三极管T放电。当触发端2的外接输入信号电压Vi1/3Vcc时,RS触发器置1,即输出Vo为高电平,同时,三极管T截止。电源Vcc再次通过R向C充电,然后反复次过程。2多谐振荡器 电源接通后,Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电。当电容上电Vc=2/3Vcc时,阀值输入端6受到触发,比较器C1翻转,输出电压Vo=0,同时放电管T导通,电容C通过R2放电;当电容上电压Vc=1/3Vcc,比较器C2工作,输出电压Vo变为高电平。C放电终止、又重
13、新开始充电,周而复始,形成振荡。其振荡周期与充放电的时间有关。由仿真结果我们知道:电路的振荡周期T、占空系数D,仅与外接元件R1、R2和C有关,不受电源电压变化的影响;改变R1、R2,即可改变占空系数,其值可在较大范围内调节;改变C的值,可单独改变周期而不影响占空系数。由555定时器组成的多谐振荡器多谐振荡器高电平时间:T1=0.7(R1+R2)C。低电平时间:T2=0.7R2*C1。周期:T=T1+T2=0.7(R1+2*R2)C。3施密特触发器 其回差电压为1/3Vcc。若在电压控制端5外接可调电压Vco(1.55V),可以改变回差电压VT,施密特触发器可方便的地把三角波转换成方波。555
14、定时器各引线的功能:1管脚为接“地”端。2管脚为低电平触发端。3管脚为输出端。4管脚为复位端。5管脚是电压控制端。6管脚为高电平触发端。7管脚为放电端。 8管脚为电源端,外加电压范围为518V。振荡器方案的选择:方案(一)石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率便于调整,但性能不稳定,易受环境的影响。方案(二)555定时器组成的振荡器虽然产生的脉冲误差较大,但设计方便快捷,易于实现且555定时器的知识我们也比较熟悉。综上选择了方案(二)用555定时器构成振荡器。4.2 分频器电路由于振荡器产生的信号频率太高,要得到标准的秒信号,就需要对所得的信号进行分频。这里所采用的分频电路是用
15、3个中规模计数器74LS90来构成的3级1/10分频,经过分频便可得到1Hz的脉冲信号,送入秒个位计数器。74LS90具有如下的基本工作方式:(1)五分频:即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。(2)十分频(8421码):将QA与CK2联接,可构成8421码十分频电路。(3)六分频:在十分频(8421码)的基础上,将QB端接R1,QC端接R2。其计数顺序为000101,当第六个脉冲作用后,出现状态QCQBQA=110,利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。(4)九分频:QAR1、QDR2,构成原理同六分频。(5)十分频(5421码):将五进制计数器的输出端QD
16、接二进制计数器的脉冲输入端CK1,即可构成5421码十分频工作方式。(6)此外,构成上述五种工作方式时,S1、S2端最少应有一端接地;构成五分频和十分频时,R1、R2端亦必须有一端接地。分频电路如图4-3所示。图4-3 分频电路4.3 时间计数器电路时间计数电路由秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器及时个位和时十位计数器电路构成,其中秒个位、分个位为十进制计数器,而根据设计要求,秒十位和分十位为六进制计数器。并且每一个计数器均提供一个异步清零端(高电平有效)。数字钟需要两个60进制计数器分别作为分、秒的计数器。还需要一个24进制计数器来作为时进制的计数器。由于74LS90使用的经济性、普
17、遍性和稳定性,采用该类型的芯片来实现计数功能。采用异步清零的十进制计数器74LS90构成60进制计数器。个位用74LS90构成十进制计数器,进位输出作为十位的计数输入信号。十位采用反馈清零的方法将十进制计数器74LS90变成六进制计数器,两级电路组成1位60进制计数器。60进制计数器=10(个位)6(十位)=00000110。24进制计数器=100(0)8421BCD(十位)(0100)8421BCD(个位)=00100100 。表4-1 74LS90的功能表R01R02R91CP1CP2Qd Qc Qb Qa功能说明1100 0 0 0异步置0110 0 0 0011 0 0 1异步置901
18、1 0 0 10-二进计数Qa输出00-五进计数QdQcQb输出0接Qa8421码十进计数QdQcQbQa输出00接Qd58421码十进计数QaQdQcQb输出4.3.1 六十进制计数器数字钟的“分”和“秒”计数器均为60进制的计数器,它们的个位都是十进制计数器,而十位则是六进制计数器,其计数规律为00-01-58-59-00。选用74LS90作为“分”和“秒”的个位和十位计数器。秒个位计数器单元为十进制计数器,无需进制转换,只需将QA与CP1(下降沿有效)相连即可。CP0(下降沿无效)与1Hz秒信号相连,秒十位计数单元为六进制,需要进制转换,将十进制计数器转换为六进制计数器的电路连接。74L
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