基于mutisim的电子钟的设计.doc

1、目 录引言4第1章 1.1课程设计的背景、目的5第2章2.1 Multisim10系统简介6第3章3.1 数字时钟的构成93.1.1 555电路93.1.2分频电路93.1.3时间计数器电路93.1.4译码驱动电路93.1.5数码管103.2 数字时钟的工作原理103.2.1 555电路103.2.2分频电路123.2.3时间计数单元133.2.4译码驱动及显示133.2.5校时电源电路13第4章 4.1结论：课程设计的收获和体会16第5章 5.1 参考文献17引言：钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制

2、、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。生活中很多安全事故都是由于我们忽略了时间的重要性，缺少了时间观念而造成的。所以要想拥有超强的时间观念，减少由于时间给我们带来的痛苦与灾难，拥有好的手表式个不错的选择。但是，随着接受皮试的人数增加，到底是哪个人的皮试到时间却难以判断。所以，要制作一个定时系统。随时提醒这些容易忘记时间的人。电子钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。因此，此次设计与制作电子钟就是为了了解数字钟的原理，从而学会制作电子钟

3、.而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法.且由于数字钟包括组合逻辑电路和时序电路.通过它可以进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法以及以及Multisim和其它软件的应用！第1章 1.1 课程设计的背景、目的 随着科技的发展，我们的生活越来越离不开时间，更是逃不开时间的约束，时间问题无时无刻不在困扰着我们！怎么样去做好时间的计算，让所有安排都顺利的进行？怎么样去让我们的生活都井井有条，大家都开开心，圆圆满满，是每个人都应该思考的。 因此，为了让我们的生活更加方便，让生活更加和谐，我们必须发展一种能准确计量我们生产中点点滴滴时间的东

4、西！像我们的手表，家里的挂钟，各种各样的电子表都不乏现代科技的应用，也正是因为这样，数字电子技术才迅猛发展，数字钟表化给人们生活生产带来极大方便，而且大大地扩展了钟表碑的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开头烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义！ 我们大学生通过电子钟的设计，巩固计算机组成原理课程，理论结合实际，提高分析、解决计算机技术的实际问题的独立工作能力；掌握用M ultisim系统，学会做简单电路的仿真，以及小型的实物，熟悉电路的基本连

5、接方法，基本掌握数字时钟的显示和校对，并能对数字电子钟进行扩展。电子钟从原理上讲是一种典型的数字电路，包括了组合逻辑电路和时序电路，此次设计与制作电子钟就是为了进一步的了解数字钟的原理，从而学会制作电子钟。而且通过数字钟的制作进一步的了解各种在制作中用到的中小规模集成电路的作用及实用方法。并进一步学习到了Multisim的应用！第2章2.1 Multisim10系统简介 通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为借助高级电路分析, 理解基本设计特征通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间NI M

6、ultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。电子通信类其它常用的仿真软件：System view-数字通信系统的仿真Proteus单片机及ARM仿真LabVIEW虚拟仪器原理及仿真Multisim 10

7、 使用简介一、工具栏Multisim 2001提供了多种工具栏，并以层次化的模式加以管理，用户可以通过View菜单中的选项方便地将顶层的工具栏打开或关闭，再通过顶层工具栏中的按钮来管理和控制下层的工具栏。通过工具栏，用户可以方便直接地使用软件的各项功能。顶层的工具栏有：Standard工具栏、Design工具栏、Zoom工具栏，Simulation工具栏。1Standard工具栏包含了常见的文件操作和编辑操作，如下图所示：2Design工具栏作为设计工具栏是Multisim的核心工具栏，通过对该工作栏按钮的操作可以完成对电路从设计到分析的全部工作，其中的按钮可以直接开关下层的工具栏：Compo

8、nent中的Multisim Master工具栏，Instrument工具栏。（1）作为元器件（Component）工具栏中的一项，可以在Design工具栏中通过按钮来开关Multisim Master工具栏。该工具栏有14个按钮，每个每一个按钮都对应一类元器件，其分类方式和Multisim元器件数据库中的分类相对应，通过按钮上图标就可大致清楚该类元器件的类型。具体的内容可以从Multisim的在线文档中获取。这个工具栏作为元器件的顶层工具栏，每一个按钮又可以开关下层的工具栏，下层工具栏是对该类元器件更细致的分类工具栏。以第一个按钮 为例。通过这个按钮可以开关电源和信号源类的Sources工具

9、栏如下图所示：（2）Instruments工具栏集中了Multisim为用户提供的所有虚拟仪器仪表，用户可以通过按钮选择自己需要的仪器对电路进行观测。3用户可以通过Zoom工具栏方便地调整所编辑电路的视图大小。4Simulation工具栏可以控制电路仿真的开始、结束和暂停。二、Multisim对元器件的管理EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。Multisim以库的形式管理元器件，通过菜单Tools/ Database Manageme

10、nt打开Database Management（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。在Database Management窗口中的Daltabase列表中有两个数据库：Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件，User是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色，如下图所示。但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工

11、具栏中的表示方法。据此用户可以通过选择User数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但

12、虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有，如下图所示。从图中可以看到，相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。在元器件类型列标中，虚拟元器件类的后缀标有Virtual，如下图所示：第三节 输入并编辑电路输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。一、设置Multisim的通用环境变量为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences对话窗口，如下图所示。通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存

13、储时间等内容作相应的设置。以标签Workspace为例，当选中该标签时，Preferences对话框如下图所示：在这个对话窗口中有3个分项：1Show：可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。2Sheet size：设置电路图页面大小。3Zoom level：设置缩放比例。其余的标签选项在此不再详述。二、取用元器件取用元器件的方法有两种：从工具栏取用或从菜单取用。下面将以74LS00为例说明两种方法。1从工具栏取用：Design工具栏®Multisim Master工具栏®TTL工具栏®74LS按钮从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的Component Bro

14、wser窗口，如下图所示。其中包含的字段有Database name（元器件数据库），Component Family（元器件类型列表），Component Name List（元器件名细表），Manufacture Names（生产厂家），Model Level-ID（模型层次）等内容。2从菜单取用：通过Place/ Place Component命令打开Component Browser窗口。该窗口与上图一样。3选中相应的元器件在Component Family Name中选择74LS系列，在Component Name List中选择74LS00。单击OK按钮就可以选中74LS00，出现

15、如下备选窗口。7400是四/二输入与非门，在窗口种的Section A/B/C/D分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中，如左图所示。器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的Component Browser中的Symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了，在此不再详述。第3章3.1 数字时钟的构数字时钟框图3.1.1 555电路555电路由555定时器外加电阻、电容产生频率为约为1000Hz的频率，在要求精度不高的时钟电路中，可以用此电路代替晶振作为时钟的驱动器。3.1.2 分频电路将555电路产生的

16、1000Hz频率分成1Hz，供秒计数器进行计数，分频器实际上也就是计数器。这里由于555电路产生的频率误差较大，采用的是74LS90D进行6分频。3.1.3 时间计数电路时间计数器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，其中秒个位和秒十位计数器、分个位和分十位计数器为60进制计数器，而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。3.1.4 译码驱动电路 译码驱动电路将计数器输出的8421BCD码转换为数码管需要的逻辑状态，并且保证数码管正常工作提供足够的工电流。3.1.5 数码管 数码管通常在发光二极管（LED）数码管和液晶（LED）数码管，本设计用

17、的是LED数码管。3.2 数字时钟的工作原理3.2.1 555电路555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。外加电容、电阻可以组成性能稳定而精确的多谐振荡器、单稳电路、施密特解发器等，应用十分广泛。555定时器的内部电路由上、下两个比较器、三个5千欧的电阻、一个SR触发器、一个放电三极管T以及功率输出级组成。比较器的反身输入端5接到三个5千欧的电阻组成的分压网络的2/3Vcc处，同向输入端6为阀值电压输入端。比较器C2的同向输入端接到分压电阻网络的1/3Vcc处，反向输入端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触发器设有复位端4，当

18、复位端为低电平时，输出端3为低电平。控制电压端5为比较器C1的基准电压端，通过外接元件或电压源可以改变控制端的电压值，即可以改变C1、C2的参考电压。不用时可以将它与地接成一个0.01uF的电容，以防止干扰电压的引入。555的电源电压范围是318V，输出电流可还100-200mA，能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器等。555定时器的电路结构555定时器的应用1.单稳态电路 当电源接通后，Vcc通过电阻R向电容C充电，待电容电压Vc上升到2/3Vcc时，RS触发器置0，即输出V0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V0

19、 为高电平，同时，三极管T截止，电源Vcc再次通过R向C充电，然后反复此过程。2.多谐振荡器 电源接通后，Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电。当电容上电压Vc=2/3Vcc时，阀值输入端6受到触发，比较器C1翻转，输出电压V0=0，同时放电管T，导通，电容C通过R2放电；当电容上电压表Vc=1/3Vcc，比较器C2工作，输出电压V0变为高电平。C放电终止、又重新充电，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；改变周期而不影响占空系数。由555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器高电平

20、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（1.55C），可以改变回差电压VT，施密特触发器可方便地把三角波转换成方波。555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5-18V。振荡器方案选择：（一）石英晶体振荡器的特点是振荡频率准确、电路结构简单、频率便于高速，但性能不稳定，易受环境的影响。（二）

21、555定时器的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定时器我较为熟悉。所以选择方案（二）用555定时器构成振荡器。555振荡器电路原理图3.2.2分频电路 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1个中规模计数器74LS90D来构成的1级1/6分频，经过分步便可得到1Hz的脉冲信号，关入秒个位计数器。74LS90具有如下的基本工作方式：（1） 五分频：即同FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。（2） 十分频（8421）：将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。（3） 六分频：在十分频

22、（8421）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：QA接R1、QD接R2，构成原理同六分频。（5） 十分频5421）：将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1,怒可构成基础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端最少应该有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。分频电路如下图6分频电路原理图3.2.3时间计数元 时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。 时计数单元

23、一股为12进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式：分计数器和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。 一般采用10进制计数器74LS90来实现时间计数单元的计数功能。为减少器件使用数量，可选74LS90，其内部逻辑框图如下：该计数器件为双2-5-10异步计数器，并且每一计数器均提供一个异步清零（高电平有效）。秒个位计数单元为10进制计数器，无需进制转换，只需将QA与CQB（下降沿有效）相连即可。CPA（下降没效）与1Hz秒输入信号相连，Q3可作为向上的进位信号与十位计数单元的CPA相连。秒十位计数单元为6进制计数器，需要进制转换。其中Q2可作为身上的进位信号与分个位的计数

24、单元的CPA相连。3.2.4译码驱动及显示单元 计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，选用显示译码电路将的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流，选用CD4511作为显示译码电路，选用LED数码管作为单元电路。3.2.5校时电源电路 当重新接通电源或走时出现误差时都需要对时间进行校正。通常，校正时间的方法是：首先截断正常的计数通路，然后再进行人工触发计数或将频率较高的方波信号加到需要校正的计数单元的输入端，校正好后，再转入正常计时状态即可。 根据要求，数字钟应具有分校正和时校正功能，因此，应截断分个位和时个位的直接计数通路，并采用正常计时信号与校正信号可以随时切换

25、的电路接入其中，下图为有基本RS触发器的校时电路：带有去抖动的校时电路下图为最终设计的电子钟原理图：第4章l 4.1结论：课程设计的收获和体会 在此次数字钟设计过程中，让我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了多种炭疽热工作原理和其具体的使用方法。 通过这次课程设计，每根线的连接都加强了我们的动手能力，也增强了我们单独思考问题的能力，每部分电路都需要我们自己去弄懂，去设计，通过电子钟这个简单的电路设计，我对自己的动手能力了解了许多，原来再小的东西也得用心动脑子的，不能光靠别人去做，自己也是社会一分子，到哪天别人能用上自己做的东西那应该说是一个人的能力了。 现在的大学生的依赖心理很强，这是勿庸置疑的

26、，可能这次课程设计的目的之一也是让我们看清楚自己，看自己到底学到了多少东西，看我们是人才还是人柴，真正的大学生应该继往开来，用自己的青春去开扩新的天地，才能让自己的生活更加美好！ 同时，做课程设计也是对书本知识的一种巩固，当我们回顾一下以前尝过的知识，还有多少我们能拿出用的，要不是忘得差不多了就可以说学艺不精，到头来只能说学到用时方恨少！ 我们应该记住这次的实践经验，对以后的生活也抱同样的态度，认真学习，做一个对社会有作用的人！第5章5.1 参考文献1康华光.电子技术基础（第五版）.高等教育出版社,20052 黄智伟.基于Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析.北京:电子工业出版社,20043杨宝清 宋文贵.实用电路手册.机械工业出版社，2002文档来源网络，版权归原作者。如有侵权，请告知，我看到会立刻处理。16