基于Proteus的數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與仿真

周靜紅 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院

基于Proteus的數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)與仿真

周靜紅 蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院

數(shù)字鐘作為生活中一種常見(jiàn)的計(jì)時(shí)工具，備受人們的歡迎，它通常使用在手機(jī)、鬧鐘、馬表等各個(gè)與計(jì)時(shí)相關(guān)的應(yīng)用中。本文介紹了數(shù)字鐘電路的主要工作原理、系統(tǒng)組成、單元電路的設(shè)計(jì)以及仿真技術(shù)的使用。通過(guò)Proteus仿真技術(shù)以及部分芯片的使用，直觀展現(xiàn)了數(shù)字鐘電路的整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能、校時(shí)校分功能，不僅功能比較完整，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

Proteus；數(shù)字鐘；計(jì)數(shù)器；設(shè)計(jì)；仿真

引言

數(shù)字鐘是一種用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)的鐘。與機(jī)械鐘相比具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性，具有更長(zhǎng)的使用壽命，已得到廣泛的使用。本文所設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘電路，在考慮經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，要求具有如下功能： (1)具有時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)及顯示功能；(2)計(jì)時(shí)范圍從00時(shí)00分00秒到23時(shí)59分59秒；(3)具有手動(dòng)校時(shí)、手動(dòng)校分功能；(4)具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；（5）具有鬧鐘功能。

1.電路總體框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘電路，首先是通過(guò)振蕩器產(chǎn)生1KHZ的脈沖信號(hào)，然后再通過(guò)分頻器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的1S信號(hào)，其次再通過(guò)秒計(jì)數(shù)器電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到60的時(shí)候分計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)進(jìn)1，同理，分計(jì)數(shù)器計(jì)到60 的時(shí)候時(shí)計(jì)時(shí)器會(huì)自動(dòng)進(jìn)1，時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的規(guī)律是每24次翻0，最終通過(guò)譯碼器顯示實(shí)際值。如計(jì)時(shí)計(jì)分出現(xiàn)問(wèn)題，可通過(guò)校時(shí)校分電路進(jìn)行調(diào)整，具體電路如圖1所示。

圖1 電路總體框架

2.單元電路設(shè)計(jì)

2.1 振蕩器的設(shè)計(jì)。由于本文設(shè)計(jì)的數(shù)字鐘是用于仿真測(cè)試的，對(duì)計(jì)時(shí)精度要求不是太高，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)成本的情況下，為了使輸出能產(chǎn)生1KHZ的頻率，采用了555定時(shí)器與電阻R以及電容C構(gòu)成的振蕩器。通過(guò)改變可調(diào)電阻的阻值，使得輸出頻率有不同的變化。根據(jù)電容充放電的原理，由電阻R和C確定時(shí)間常數(shù)的值，最終計(jì)算出振蕩器的頻率。

2.2 分頻器的設(shè)計(jì)。要想產(chǎn)生1S的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即輸出頻率為1HZ，對(duì)于74LS90芯片來(lái)說(shuō)，由于其內(nèi)部的十進(jìn)制功能，通過(guò)Q3端的輸出使得每片輸出為10分頻，我們可以通過(guò)使用3片74LS90級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)1S的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。把第一片的Q3輸出接到第二片的輸入端，以此類(lèi)推，依照每片芯片的輸出頻率都是前一片輸出頻率的1/10的規(guī)律，最終促使最后一片的輸出頻率1HZ。

2.3 時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。為了區(qū)別白天和夜晚，我們一般都采用二十四小時(shí)計(jì)數(shù)法。74LS90芯片是一片二-五-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在本文中我們主要使用了74LS90的十進(jìn)制功能。對(duì)于秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器，我們通常計(jì)數(shù)的范圍為00-59，即為“60進(jìn)制計(jì)數(shù)器”；對(duì)于時(shí)計(jì)數(shù)器，我們通常計(jì)數(shù)的范圍為00-23，即為“24進(jìn)制計(jì)數(shù)器”。

2.4 譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)。為了直觀地顯示數(shù)字鐘時(shí)鐘電路、分鐘電路、秒鐘電路的讀數(shù)，本文采用了CD4511譯碼驅(qū)動(dòng)器和共陰極數(shù)碼管。通過(guò)74LS90的四個(gè)輸出連接到CD4511的四個(gè)輸入，在測(cè)試時(shí)要注意幾個(gè)使能控制端的連接，具體連接可參考每個(gè)芯片的真值表。

2.5 校時(shí)、校分電路的設(shè)計(jì)。在生活中，數(shù)字鐘因?yàn)殡娏坎蛔慊蚱渌?，難免會(huì)影響時(shí)針和分針的準(zhǔn)確性，因此校時(shí)電路和校分電路的存在非常有必要。為了方便客戶(hù)的不同需求，這兩個(gè)電路既可以同時(shí)校正，也可以分開(kāi)校正。當(dāng)時(shí)鐘電路和分鐘電路離實(shí)際時(shí)間相差甚遠(yuǎn)時(shí)，可以采用“快校時(shí)”，即同時(shí)校時(shí)校分；當(dāng)時(shí)鐘電路和分鐘電路離實(shí)際時(shí)間相差不多時(shí)，可以采用“慢校時(shí)”，即通過(guò)校分來(lái)調(diào)整時(shí)鐘電路和分鐘電路的顯示值。

2.6 鬧時(shí)電路的設(shè)計(jì)。每個(gè)數(shù)字鐘都具有鬧時(shí)功能，本文也不例外。按照8421的編碼規(guī)律區(qū)分白天和夜晚的時(shí)間，需要幾點(diǎn)鬧時(shí)，就把時(shí)和分的編碼計(jì)算好，通過(guò)74LS20、74LS03、74LS00等與非門(mén)電路去驅(qū)動(dòng)音響電路。音響電路的工作時(shí)間為1分鐘，本文列舉了7時(shí)59分的鬧時(shí)信號(hào)。

2.7 整點(diǎn)報(bào)時(shí)電路的設(shè)計(jì)。為了在數(shù)字鐘整點(diǎn)到來(lái)之前能讓人們提前知曉，本文設(shè)置了59分51秒、53秒、55秒、57秒為低音，最后的59秒為高音，這樣可以清晰地讓人們感受到整點(diǎn)的到來(lái)，時(shí)間持續(xù)長(zhǎng)達(dá)1秒，以每隔一秒的間斷聲響做出提醒，通過(guò)4低音1高音結(jié)束整點(diǎn)報(bào)時(shí)。

圖2 數(shù)字鐘仿真電路

3.電路仿真

結(jié)合各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)，首先用Proteus仿真測(cè)試二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器和六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器正確的基礎(chǔ)上，完成秒信號(hào)的送入；其次用Proteus測(cè)試校時(shí)校分電路的合理性，為了防止發(fā)生錯(cuò)誤，及時(shí)糾正，在本文中我們?cè)O(shè)置了校時(shí)校分電路，這兩個(gè)電路在校對(duì)的時(shí)候可以同時(shí)進(jìn)行，也可以先校分再校時(shí)，主要測(cè)試在校分校到59的時(shí)候，時(shí)鐘電路能否進(jìn)位；第三用proteus測(cè)試是否具備鬧時(shí)功能和整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能；如以上幾個(gè)條件都滿(mǎn)足，我們將進(jìn)行各個(gè)電路的組合，具體仿真結(jié)果如圖2所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了數(shù)字鐘電路的組成以及各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì)，通過(guò)各個(gè)單元電路的仿真測(cè)試，在仿真正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行了各個(gè)單元電路的整合，功能合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

[1]劉敏.數(shù)字鐘的制作[J].科技資訊.2013(29)

[2]孫立香.一種具有整點(diǎn)報(bào)時(shí)帶鬧鐘時(shí)間可調(diào)的數(shù)字鐘[J].電子制作.2013(18)

[3]徐作華.基本數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)、制作與檢測(cè)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用.2013(04)

[4]石悅.多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè).2012(01)

[5]黃峰鶴.數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)與制作[J].信息技術(shù).2012(05)

[6]紀(jì)欣然. 基于FPGA的多功能數(shù)字鐘設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012，（06）.

[7]曹?chē)[敏.數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù).2012(10)

[8]肖看.電子設(shè)計(jì)工程師認(rèn)證實(shí)操實(shí)訓(xùn)基礎(chǔ)系列講座(8)第四講，簡(jiǎn)易數(shù)字鐘設(shè)計(jì)(上)[J].電子世界. 2010(10)

周靜紅（1981-），女（漢族），江蘇太倉(cāng)人 ，講師，主要從事電氣自動(dòng)化控制研究。