基于Multisim14仿真设计的多功能数字电子钟

金子涵 任致远 史旭东 王胜铎

摘 要：数字电子钟是一种利用数字电子技术实现计时的钟表。本文介绍了在Multisim 14仿真软件上设计的满足要求的可调闹钟功能数字钟，对其设计原理、整体框图和各单元电路做了详细说明。利用Multisim软件具有花费少、效率高、周期短，功能强等优势，可对数字电子钟电路进行分层设计。将整机框图拆分成多个单元电路，再将各单元电路连线成整机电路，结构清晰，便于理解每个单元电路功能，使整机电路功能一目了然。

关键词：数字电子钟；Multisim 14；可调闹钟；反馈置数法；分层设计

0 引言

Multisim 14是美国NI公司研发的一款以Windows为操作平台的EDA工具软件[1]，可以对模拟、数字电路进行仿真与设计，具有丰富仿真分析能力，所以在电子技术领域以Multisim仿真软件为平台进行电路设计非常普遍。

数字电子钟是一种以数字电路技术实现计时的现代计数器，与传统机械式时钟相比，具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，使用寿命更长，因此得到了广泛使用。从原理上讲，数字电子钟是一种典型数字电路，包括组合逻辑电路和时序电路[2]，所以，本文借助Multisim 14软件仿真数字电路便捷高效的优势，进行模块化电路设计，使得设计花费少、效率高、周期短。

1 设计任务

1.1 基本功能

1）应用模拟振荡电路实现正弦波时钟信号发生，并作为数字钟的时钟信号。

2）实现数字时钟计时功能，时间以24 min为1个周期。

3）用数码管显示分钟、秒。

1.2 扩展功能

1）具有校时功能，可以对分钟和秒单独校时。

2）计时过程具有闹钟功能，到达指定时间（时间可选定）蜂鸣。

2 系统结构

数字电子钟主要由6个单元电路构成。分别为：石英晶体振荡电路、分頻电路、计时电路、译码显示电路、校时电路、闹钟电路。系统框图如图1。

系统工作原理：晶振产生稳定的脉冲信号，通过cd4060和74LS74构成的分频器电路分频得到1 Hz秒脉冲，作为基准脉冲信号，该信号经过门电路与74HC161构成的计数器电路产生8421BCD码，再经过译码器交由数码管显示。秒位累计达到60进位，分钟满24进位，以此循环。

如果数字电子钟显示的时间与标准时间不一致，可用校时电路进行校准。自选时间的闹钟功能由拨码开关和逻辑门构成的拓展电路来实现。整机电路如图2所示。

3 单元电路方案设计

3.1 石英晶体振荡电路

石英晶体振荡电路如图3所示。通过石英晶体振荡器输出脉冲具有频率精度高、受温度影响小、电路结构简单的优点。选用体积小、抗冲击性能好的音叉型石英谐振器，其谐振频率为32.768 kHz，能产生稳定的32.768 kHz的脉冲信号。

3.2 分频电路

分频电路如图4所示。32.768 kHz的脉冲信号通过4060芯片进行11分频，再接入2个D触发器，构成直接的4分频电路，输出1 Hz的秒脉冲作为秒计数器计时的基准时钟。

3.3 计数电路

数字电子钟的秒位采用60进制，选用两个74HC161计数器级联并采用反馈置数法实现计数，电路如图5所示。分频器送出的秒脉冲经计数器累计，当计数值为59时，同步预置信号有效，下一时钟同步预置零且向分钟位送出进位脉冲信号，从而实现60进制。电子钟的分钟位是24进制，同样选用两个74HC161计数器级联用反馈置数法计数，电路如图6所示。秒位送出的进位脉冲信号累计达到“23”，秒数为“59”时，同步预置信号有效，并在下一时钟同步预置零，并向更高位送出进位脉冲信号。

3.4 显示译码电路

译码显示电路分为译码驱动和数码管显示。译码驱动电路能将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且为数码管提供足够的工作电流，保证其正常工作。实时显示计数值的功能要求通过LED数码管来实现。

3.5 校时电路

校准电路如图7所示。当发现时间不准时，可手动选择脉冲进行校时。选择4分频前的秒脉冲校时秒数。如果发现分钟的数值不准。选择1 Hz的进位脉冲，不必等秒计60次才进一次位。

3.6 闹钟电路

如图8所示，数字电子钟可以自选时间做为闹铃，显示分钟数码管的各引脚通过拨码开关连接5 V电源，将拨码开关拨到选定的分钟（即对应的引脚为高电平），通过二输入异或门将分钟数码管的高位和低位分别和拨码开关的对应引脚的电平进行异或运算，各个异或的输出再接入或门，或门最后通过或非门连到闹钟。只有当电子钟计时到选定的分钟时，数码管的高电平与开关拨动情况对应，异或门都传递出低电平，或门输出低电平，再通过二输入或非门，输出高电平给蜂鸣器，蜂鸣器工作蜂鸣，持续1 min后停止。

4 整體电路调试

将上述各单元电路组合起来，可以得到数字电子钟的整体电路。进行多功能数字电子钟电路的仿真。由实验结果观察得到，显示秒数的数码管显示从“00”到“59”计数，并在下一时钟返回到“00”状态，连续循环，构成六十进制秒计数器。实验可观察得到，显示分钟的数码管显示从“00”到“23”计数，“23”状态下一时钟回到“00”状态，不断循环，构成二十四进制分钟计数器。将拨码开关拨到选定的分钟，当时钟计数到选定分钟时，闹钟响起，下一分钟自动关闭。仿真结果表明，电路实现了数字电子钟的计时、校时、闹钟功能，完成设计任务。读者朋友们也可以添加其他模块来完善数字钟的功能。

5 硬件调试

在本设计中，为了设计的顺利进行，在焊接的时候，我们根据电路的工作原理进行分步调试，保证电路各项功能顺利实现。电路调试总图如图9所示。

6 结束语

通过Multisim 14仿真软件设计出各个单元模块并搭建成一个多功能数字电子钟电路，调试验证了设计所要求完成的功能。设计复杂的电子电路时，可借助Multisim 14等仿真工具[4-5]，运用分层、分块设计的思想，使得设计、仿真、测试更为便捷，具有更高的设计效率，进而提高团队分工协作和解决实际问题的能力。

参考文献：

[1] 陈建辉.Multisim软件在《电工学》教学中的应用[J].信息与电脑（理论版），2018（9）：99-101.

[2] 李精华.任意进制计数器的仿真设计与制作[J].桂林师范高等专科学校学报，2011（1）：149-151.

[3] 陈志贵，郭隐彪.Multisim在数字电子设计中的应用技巧P126[J].机电产品开发与创新，2007（2）：148-149.

[4] 张继，储开斌，张小芳.基于 Multisim 的电子技术课程设计[J].实验室科学，2018（1）：60-63.

[5] 阎石.数字电子技术基础[M].6版.北京：高等教育出版社，2016： 271-310.