基于Multisim数字钟设计与仿真分析

陈新

渤海大学工学院



基于Multisim数字钟设计与仿真分析

陈新

渤海大学工学院

在电子技术领域用Multisim作为仿真软件是极其普遍的，Multisim仿真软件中自动化设计具有很大的优势。本文主要分析了基于Multisim数字钟的仿真实现，数字钟的组成部件主要包括计数器、校时器、分频器、振荡器和译码器等。论文中还介绍了一些部件的运行原理以及基于Multisim模式的软件仿真实现过程。通过仿真的结果可以表明运用Multisim软件进行仿真具有很好的便捷性、灵活性，对于现实中的实际应用也有着重要意义。

Multisim 数字钟 仿真

1　引言

随着电子技术不断发展，在实验室中通过仿真软件的应用可以虚拟出一个电子平台，这个平台有着先进的测试仪器，功能种类丰富的元件器件。这个平台的实现摆脱了实验室的一些限制因素并克服了由于在实验过程中可能引起的仪器损坏而带来的影响。在电子线路的设计过程中采用计算机的虚拟技术这个与传统意义上的设计在对比效率方面大大地得到了提高。

Multisim是一种EDA软件，它是由美国国家仪器公司进行研发的。Multisim的操作平台是基于Windows运行，其仿真范围涉及到单片机、模拟电路以及数字电路等。采用Multisim进行电路仿真具有效率高、低成本的优点，而且在实际的应用方面也具有比较大的辅助价值。

随着电子数字技术的不断发展，Multisim在电路中的应用越来越广泛，是教学实验中的重要辅助工具。分频操作是通过振荡器信号实现的，经过振荡器震荡后生成秒信号，计秒和计分采用的是60进制，变化区间从00到59，而计时采用的是24/12进制。在设计电路的过程中，一般将电路分为好几个单独的电路实现，然后再把这些元件进行组合，最后再测试。但实际上显示的结果可能跟教程上的不太一样。比如通过晶震进行频率的输出结果和通过示波器频率的测试结果是有误差的，而且分频器秒信号的结果输出与真正的结果在时间上存在很大出入，时间警报的高音和低音也不是很突出。

2　数字钟的组成部件及原理

数字钟主要包括译码器、显示电路和计数器电路等，它是数字电路的一个典型代表，能将电路进行仿真以使人们更加深入了解数字钟的原理。根据设计的需求，数字钟能显示出时钟、分钟、秒钟，计时的结果是通过6位数码管进行显示的。数字钟的器件选择是实验室中经常应用到的元器件，比如计数器选择的是CD4518计数器级联而成的。

2.1时钟发生电路

时钟发生电路中可以选择的电路一般是555的定时器或者石英晶体形成的振荡器，本论文中选择的是石英晶体的振荡电路，由石英晶体振荡器形成的时钟频率很精确，所以数字电路中常把它作为时钟的信号。

2.2分频器

本论文中的分频器选择的是10分频电路，另外还用到了1/1000分频，这个分频是由3个74LS90进行串联形成。10频电路中包括三个计数器，这些计数器都是10进制，当电路中的UI计数是10的时候，QD就会输出脉冲信号，结果显示输出的频率与输入的频率出入很大，将近达到了10倍，然后连接中U2端，QD输出的脉冲信号就降低了10倍，随后连接着U3也降低了10倍。所以经过分析后就可以得出最后输出的频率是1/1000分频。

2.3振荡器

数字钟的振荡器常见的选择有555振荡器和频率为32.768kHz的晶体振荡器，通常下选择用晶体振荡器的比较多。晶体振荡器的组成主要包括了可调的电容以及反相器。晶体振荡器的输出频率一般是在32.768kHz左右，频率上一旦出现了变化，可以通过振荡器中的可调电容进行调整。然而这个实现过程是比较麻烦的，实现时需要添加一个5v的电源，只有这个电源添加了才会振荡。相比晶体振荡器，555振荡器震荡的频率在稳定性方面比较差，而且均匀性也比较差，当达到一定的时间后才会好转。

2.4计数器

数字钟计数器的组成部件主要包括时计数器、分计数器、秒计数器，这些计数器之间彼此串联起来。其中秒计数器跟十进制计数器串联起来，而分计数器是与六进制串联起来的，最终组成了2个六十进制的计数器。秒脉冲通过6级的计数器，可以依次获得时、分、秒的十位和个位。

2.5 译码器

译码器在数字逻辑电路中所占的角色地位很重，主要实现的功能是将一个二进制的代码对应翻译成具有一定含义的信号。译码器组成包括显示译码器和数码译码器。但是除了翻译的功能之外译码器的功能还包括了三态选通和锁存。数码的译码器的种类有4线-16线的译码器，BCD-锁存的译码器以及3线-8线的译码器等。本论文数字钟的时显中用到的器件包括了显示器、译码器以及24进制的计数器。分计数器和秒计数器中用到的器件包括了显示器，译码器以及60进制计数器。

2.6报时电路

报时电路的报时一般会出现在59分里的53、55、57秒报低音，59秒处是报高音。由于53、55、57和59秒的地方输出信号都是高电平的，通过与门输出，设计中53秒和55秒作为U3A与门输出端，报时的对象是57秒信号。

3　仿真与测试

数字钟仿真的步骤是先把需要进行仿真的电路启动，然后就可以看到数字钟秒位已经计时开始了，当秒时为60时，就会重新回到0，接着秒时间就会向分位进位，X2的时钟输入的IO1脚连接着函数发生器的输入端，进而可以判断秒时间向分时间进位成功与否。再次重新启动仿真，就会发现与秒时间类似，当分时间超过了60后就会向时位进位。

3.1校时校分电路仿真原理

把进位的信号换成单脉冲，切换时用的是单刀双掷的开关进行控制的。单脉冲的模拟是带弹簧的开关，当按下弹簧开关的时候电路中的电平就变成了高电平，开关释放时电平就变成了低电平，弹簧开关按下和弹起的过程实际上是下降沿脉冲，调时调分的控制是通过计时器加1来实现的。校时校分的仿真电路图如图1-1所示。1Hz，从上面的几个条件约束中可以得出T=0.7（R1+2R2）C，当R1设置成108K，而R2设置为100K，C设置成10nF的时候，通过公式最后求得T约等于1mS，那么输出的信号频率大概就是1KHz。秒脉冲信号仿真图如图1-2所示。

仿真的过程要按照具体的步骤进行，在进行仿真之前可以通过双击仪器的图标而打开仪器面板。按下软件界面的启动按钮，被测试的波形就可以进行仿真了，如果再次按下停止按钮，仿真操作将会停止。在电路启动之后，为了让波形的显示正常可以对示波器和通道进行适当调整。

图1-2　秒脉冲信号仿真图

图1-1　校时校分电路

3.2秒脉冲仿真

多谐振荡器的组成是由555定时器以及外接的元件R1、R2组成。电路设计中不存在稳态，只有两个暂时的稳态，而且电路中C的充电是通过R1和R2实现的，所以触发的信号不用进行外接。Dc的放电是通过R2进行的，电路中的输出信号关于时间的参数设置为T=tw1+tw2，tw1=0.7（R1+R2）C，tw2=0.7R2C。公式中的tw1表示的是VC从1/3变成2/3的过程中花费的时间，tw2指的是电容C在放电的过程中花费的时间。555电路中规定了R1不小于1ΚΩ而且R2也不能小于1ΚΩ，同时R1+R2的值不能超过3.3MΩ。很多多谐振荡器中产生的脉冲信号频率是

4　结语

本论文是基于Multisim的仿真技术，虽然在设计电路的过程中使用仿真技术会使得设计过程更加便捷，但是不管如何仿真软件提供的是一个虚拟平台，跟实际中产生的结果还是有出入的，所以只有深入学习Multisim，了解Multisim，才能够更好地掌握其应用，数字钟的设计通过计数器、振荡器、译码器和显示电路成功地显示了时分秒，而且校正电路的引入使得设计过程中的控制更加方便。考虑到篇幅因素，本论文中就几个数字钟的组成部件进行分析。在仿真的过程中Multisim软件有时会产生一些意料之外的故障，调试中可能有的结果无法显示，这种情况下就需要充分耐心去寻找解决方法。电子电路的设计引入Multisim仿真软件，这对于实现电路的仿真，电路的测试有着很大的现实意义。

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