基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｌＯｇ－：／数字时钟的设计与仿真 陕西国防工业职业技术学院张喜凤 【摘要】Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０作为一个高效的电路设计平台，是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。应用ＭｕｌｔｉｓｉｍｌＯ电路仿 真工具设计了一款数字时钟电路，所设计的数字时钟可直接在数码管上显示“时”、 “分”、 “秒”十进制数字，同时具有校时功 能，可分别对“时”、 “分”、 “秒”进行单独校准。计时过程具有整点自动报时功能。仿真结果表明，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的数字时钟的 设计是可行的，这种方法也为其他电子系统的灵活设计提供了方向。 【关键词】数字时钟；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０；校时；整点报时 Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｌｏｃｋ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０ Ｚｈａｎｇ Ｘｉｆｅｎｇ （ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｈａａｎＸｉＩｎｓｔｉｔｕ钯ｏ ．Ｘｉ 。Ｃｈ ｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎ ７１０３００ ｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０ ａｓ ａｌｌ ｅ伍ｃｉｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｉｓ ａ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｌｏｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｎｅｄ ｇｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０．Ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｌｏｃｋ ｈａｓ ｈｅ ｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆｄｉｓｐｌａｙ”ｈｏｕｒｓ”， ’’ｍｉｎｕｔｅｓ”ａｎｄ”ｓｅｃｏｎｄｓ”ｄｅｃｉｍａｌ ａＲｍ． ｂｅｒ．Ｔｈｅ ｔｉｍｅ Ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ ｎｄ ａｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｉｍｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｉｇｉａｌｔ ｃｌｏｃｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｓｉｍ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ。ｔｈｉｓ ａｐｐｒｏａｃｈ ａｌｓｏ ｏｆｆｅｒｓ ０ｔｈｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｔｈｅ ｌｆｅｘｉｂｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｄｉｇｉｔａｌ ｃｌｏｃｋ；Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １ Ｏ：ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ；Ａｌａｒｍ ｃｌｏｃｋ 始时间不可能与标准时间一致， 故需要在电路上加一个校时电 引言 Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０作为一个高效的仿真软件，是在计算机上虚拟 出一个测试仪器先进、元器件品种齐全的电子工作台［１。］，克服 路。电路设计框图如图１所示。 了实验室的条件限制，避免了使用中仪器损坏等不利因素，通 过计算机完成电路的功能设计、性能分析、时序测试以及印刷 线路板的自动布线，它与传统的设计方式相比较采用计算机虚 拟技术进行电子线路的分析和设计 ，大大提高了设计效率。 数字时钟是用数字集成电路构成并有数字显示特点的一种 现代计时器，与传统的机械计时器相比，它具有走时准、显示 直观、无机械磨损等优点，因而广泛应用于车站、码头、商店 等公共场所【６］。 目前，数字电子钟的设计，主要是采用计数器等集成电路 图１数字时钟电路设计框图 ２．单元电路的设计及仿真调试 使用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ所设计的数字时钟电路的总电路如图２所示， 下面对其模块电路进行下介绍。 ２．１振荡器的设计 振荡器是数字时钟的关键，它的频率稳定性直接影响数字时 钟的精度。要产生稳定的时间标准信号，一般采用石英晶体振荡 器。现在使用的指针式数字钟和数字显示的电子钟都使用石英晶 体振荡器电路。从数字精度考虑，晶体振荡器频率越高，计时的 构成，由于所用集成电路多，连线杂乱［７】，不便阅读与设计。 本文采用层次电路设计，应用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０设计了一个数字时钟 电路。所设计的数字时钟能直接显示“时”、“分”、“秒” 十进制数字，同时具有校时功能，可分别对“时”、“分”、 “秒”进行单独校时。计时过程具有整点自动报时功能。 １．设计原理及框图 数字时钟是采用数字电路实现“时”、“分”、“秒”数 字显示的计时装置 。数字时钟的主要功能就是计时，因此需 要有振荡器来产生时间标准信号，即１Ｈｚ的秒脉冲信号，然后 由计数器对秒脉冲信号进行计数，并将累计的结果以“时”、 “分”、“秒”的数字在数码管上显示出来 。由于计时的起 精度愈高，但这样会使分频器的级数增加。在综合考虑这两方面 因素的情况下，本设计使用的石英晶体频率为１ＭＨｚ。 振荡器电路如图２左下角的晶体振荡器电路所示，其中Ｕ２Ａ 和Ｕ２Ｂ反相器构成多谐振荡器电路，石英晶体构成选频环节。 由于当频率为ｆｎ时，石英晶体的电抗Ｘ＝０，而在其他频率下电抗 都很大，因此只有频率为ｆｎ的信号能够顺利通过，满足振荡条 基金项目：本文由陕西国防工业职业技术学院研究与开发项目（ＧＦＹ一１６—２８）“基于ａｒｄｕｉｎｏ的辉光管万年历的设计与实现”项 目提供基金支持。 ・１５２・￣－７－－ｔｌｌｌｌｌｔ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯ ・技术交流。 酣计时电路 分计时电路 秒计时电路 出端通过一个非门连接到十位片 的ＣＬＫ输入端，组成六十进制计数 器，完成秒的汁数功能，其设计图 见图２中的秒计数器。 该计数器中Ｕ１采用直接清零 复位法构成的六进制计数器，Ｕ２是 十进制计数器，将Ｕ２的进位输出通 过一个非门直接连接到ｕｌ的时钟输 入端实现计数器的级联，从而用两 片７４ＬＳ１６０实现六十进制计数。 秒的显示采用两个数码管，分 别显示秒的个位和十位。为了简化 电路，该数码管选用了元件库中的 ＤＣＤ ＨＥＸ元件，这是带译码功能的 七段数码管，因此电路中省略了译 码电路。为了调试电路方便，电路 中直接调用了一个脉冲信号，将其 图２数字时钟电路图 频率设为ｌ Ｈｚ作为秒脉冲信号源。 根据６０分进１小时的原则，分计数器也应设置成六十进制 计数器，所以分汁数器电路和秒计数器电路电路完全相同。所 不同的是，只有当秒计数器计到６０时，分电路才能计一次，所 以要将计分电路的时钟输入端通过一个非门与计秒电路的十位 ７４ＬＳ１６０的清零端相连，如图９所示，这样，当秒计数器完成一 个６０计数时，计分电路才接收到一个时钟信号。 ２．４时计数器设计 件。在电路接通后，电路就会在频率ｆｎ作用下形成自激振荡。 由于该电路的频率比较稳定，但波形不够理想，因此需要在电 路输出端加一个反相器Ｕ２Ｃ，这样既能起整形作用，使输出脉 冲更接近矩形波，又能起缓冲隔离作用。 ２－２分频器设计 石英晶体振荡器产生的频率很高，要得到秒信号需采用分 频电路。分频器的级数和每次的分频次数要根据晶体振荡器产 生的信号频率来确定。如图２中分频器电路所示，电路产生的输 出信号的频率为１ＭＨｚ，需经过６级是分频电路分频后才可得到 秒信号。电路中十分频电路采用的是十进制计数器７４ＬＳ１６０， 从计数器进位端输出的信号频率是时钟频率的十分之一，将前 计时电路的设计采用两片７４ＬＳ１６Ｏ，先采用级联的方法， 即将低位片的进位输出端ＲＣＯ通过一个非门连接到高位片的时 钟ＣＬＫ输入端，采用一百进制计数，然后将高位片的Ｑ 和低位 片的Ｑ 连接到两输入与非门的输入端。与非门的输出同时连 级的输出接到后级的输入，经过６级分频后，就可以得到１Ｈｚ的 秒脉冲信号。对任一级分频器进行仿真，其仿真波形如图３所 示，可以看出每一级分频器都可以很好地实现十分频。 接到两片的清零端，实现当计数到２４时异步清零翻转为ｏ０，从 而构成２４进制计时电路。设计电路如图２中时计时电路所示， 其中ＣＬＫ输入的脉冲信号是为了调试时计数器电路的需要，在 数字钟的设计中，该时钟输入端通过一个非门与 ‘分电路的十 位７４ＬＳ１６０的清零端相连，这样，当分计数器完成一个６Ｏ计数 时，计时电路才接收到一个时钟信号。 ￡ 崩 积 螋 捌 ２．５校时电路 在刚开机接通电源时，由于“时”、“分”为任意值，或当 数字钟出现走时误差时，都需要对时间进行校准。校时电路的基 本原理是将秒信号直接引进计时器，让时计数器快速计数，在时 达到需要的数字后，切断秒信号。较分电路也按此法进行。 ；时问 图３分频器仿真波形 实现校时的电路的方法很多，如图４所示电路即可作为时计 数器或分计数器的校时电路，其中采用ＲＳ触发器作为无抖动开 关。通过开关儿，可以选择是将１Ｈｚ信号还是将来自秒计数器的 ２．３秒、分计数器的设计 有了秒脉冲信号就可以对秒信号进行累计计时。根据６Ｏ秒 进１分的原则，秒计数器设计成六十进制计数器。电路设计采 用两片７４ＬＳ１６０，一片接成十进制计数器，作为秒的个位：另一 进位信号送至分计数器的ＣＬＫ端。 当开关儿置于上端时，来自秒计数器的进位信号送至分 ‘ 数器的ＣＬＫ端，分计数器正常工作：需要校正分计数器时，将开 片接成六进制计数器，作为秒的十位，然后将个位片的进位输 关儿置于下端，这时１Ｈｚ信号送至分计数器的ＣＬＫ端，分计数器 电早世界・１５３・ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ・技术交流 在１Ｈｚ信号的作用下快速计数，直至正确的时间，再将开关置 于上端，达到校准分的目的。校准时的方法于此类似。 ………．．…………一……………………．．．．…．…．…………．…．…．…………………．…． 到电路中。数字时钟的整体电路设计图如图２所示。运行仿真开 关，调试电路，直至电路工作正常。 ………。…。…。………。……。。…………………………’…’……………’ ……’。’…’…’ ～ Ｖｃｃ 图４校时电路 授时电鼯 图６整点报时电路 ４．结论 利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍｌ０对数字时钟进行设计和仿真，结果表明， 其功能能够很好的实行，并且可以使用显示仪器直观快速地观 察到设计结果，免去搭建电路的过程，大大缩短了设计时间， 时阙 哟 图５校时电路仿真波形 ｊ提高了效率和系统的可靠性。同时，此方法也可以移植到其他 电子系统的设计，可以大大的减少设计研发时间，同时更换元 器件方便快捷，为电子产品的设计提供了新的思路。 连接该电路，仿真调试该电路的工作，其仿真波形如图５ 所示。在调试时在两个信号输入端输入不同频率的两个时钟信 号，按Ａ键切换开关Ｊ１，在输出端接示波器检测输出。 ２．６整点报时电路 参考文献 【１】孙立辉，权庭兰．基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ的克拉泼电路设计 电子技 术与软件工程．２０１３（２２）． 电路设计要求差１ ０秒为整点时开始每隔１Ｓ呜叫一次， 每次持续时间为１ Ｓ，共鸣叫５次，前四次为低音（５００Ｈｚ１，最 后一次为高音（１ｋＨｚ）。因为分计数器和秒计数器在从５９分５１ 秒计数到５９分５９秒的过程中，只有秒各位计数器计数，分十 位、分个位、秒十位的计数器的状态不变，分别为Ｑ。 Ｑ。 Ｑ ＱＡ４＝０１０１，ＱＤ３ Ｑｃ３ＱＢ３ ＱＡ３＝１００１，ＱＤ２ Ｑｃ２ ＱＢ２ ＱＡ２＝０１０１，所以 【２ｌ＆志强．开关电源设计［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００６． 【３】路士兵．数字电子时钟的设计 通讯世界，２０１５（１２）． 【４】刘允峰．基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ￣数字时钟设计Ｕ】．现代电子技 术．２０１２（１０）． ［５】汤兵兵，帅江华．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ在电子技术实验教学中的应用Ｕ１． 无线互联科技． Ｑｃ４＝ＱＡ４＝ＱＤ３＝ＱＡ３＝Ｑｃ２＝ＱＡ２＝１不变。设Ｙｌ＝Ｑｃ４ＱＡ４ＱＤ３ＱＡ３Ｑｃ ２Ｑ Ａ＇＇又因为在５１、５３、５５、５７秒时ＱＡｌ＝１，ＱＤ１＝０，输５００Ｈｚ ［６】朱晶波．电子电路仿真技术Ｍｕｌｔｉｓｉｍ；Ｌ其应用Ⅱ】．电子制作． 【７］孙筠．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ￣用于电子技术实验教学的研究Ｕ】＿科技信 息（科学教研），２０ｏ７（２７）． 信号ｆ２；在５９秒时，Ｑ ＝１，ＱＤ。＝ｌ，输出ｌｋＨｚ的信号ｆｌ，由此可 写出整点报时电路的逻辑表达式为： Ｙ２＝ ＱＡｌ ＱＤｌｆ１＋Ｙｌ ＱＡｌ—Ｑｍｆ 【８】赵玉婷，魏强，高鑫伟．Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０在电子技术实验教学中 的应用Ｕ】．电子制作，２０１３（１４）． 用门实现该逻辑功能，则整点报时电路如图６所示。 【９】伍俊．中职电工电子教学中有关Ｍｕｌｔｉｓｉｍ￣应用分析Ｕ】．时 ３。整机电路的设计及仿真调试 将秒计数器、分计数器和时计数器单元电路共同构成数字 电子时钟系统，秒计数器的ＣＬＫ的输入端接晶振分频后获得的 秒脉冲信号，再将辅助电路（如校时电路、整点报时电路）连接 代教育，２ｏ￣６（１４）． 作者简介： 张喜凤（１９８２一），女，内蒙古包头人，硕士，讲师，主 要从事智能器件控制和集成电路设计方面的研究。 ・１ ５４・屯子世界