在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建學(xué)生的電路設(shè)計(jì)理念，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力，是教學(xué)的根本目的和核心內(nèi)容。數(shù)字鐘電路的設(shè)計(jì)和仿真，涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)等多方面知識(shí)，能夠體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)者的理論功底和設(shè)計(jì)水平，是電子設(shè)計(jì)和仿真教學(xué)的典型案例。文中采用了555 定時(shí)器電路、計(jì)數(shù)電路、譯碼電路、顯示電路和時(shí)鐘校正電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)該電路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

數(shù)字鐘由振蕩器、分頻器、計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路等組成[1-3]。振蕩器是數(shù)字鐘的核心，提供一定頻率的方波信號(hào)；分頻器的作用是進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生頻率為1 Hz 的秒信號(hào)，作為是整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基信號(hào)； 計(jì)時(shí)電路是將時(shí)基信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；譯碼顯示電路的作用是顯示時(shí)、分、秒時(shí)間；校正電路用來(lái)對(duì)時(shí)、分進(jìn)行校對(duì)調(diào)整。其總體結(jié)構(gòu)圖，如圖1 所示。

2 子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 振蕩器

本系統(tǒng)的振蕩器采用由555 定時(shí)器與RC 組成的多諧振蕩器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 如圖2 所示即為產(chǎn)生1 kHz 時(shí)鐘信號(hào)的電路圖。此多諧振蕩器雖然產(chǎn)生的脈沖誤差較大，但設(shè)計(jì)方案快捷、易于實(shí)現(xiàn)、受電源電壓和溫度變化的影響很小[4]。

2.2 分頻器

由于振蕩器產(chǎn)生的頻率高， 要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)，就需要對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個(gè)：1） 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)；2） 提供電路工作需要的信號(hào)，比如擴(kuò)展電路需要的信號(hào)。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，選擇74LS160 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)完成上述功能[5]。如圖3 所示，555 定時(shí)器產(chǎn)生1 kHz 的信號(hào)，經(jīng)過(guò)3 次1/10 分頻后得到1 Hz 的脈沖信號(hào)， 為秒個(gè)位提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。

2.3 時(shí)間計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來(lái)完成其它特定的邏輯功能，如測(cè)量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。
本部分的設(shè)計(jì)仍采用74LS160 作為時(shí)間計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。時(shí)間計(jì)數(shù)器由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器構(gòu)成。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法，當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時(shí)反饋門(mén)不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來(lái)時(shí)，反饋信號(hào)將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計(jì)數(shù)。
2.3.1 分（秒）計(jì)數(shù)器

分（秒）計(jì)數(shù)器均為60 進(jìn)制計(jì)數(shù)，如圖4 所示。它們的個(gè)位用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160 構(gòu)成，無(wú)需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，信號(hào)輸入端CLK 與1 Hz 秒信號(hào)相連，進(jìn)位輸出作為十位的計(jì)數(shù)輸入信號(hào)。十位采用反饋清零法將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160 變成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)榍辶愣藶榈碗娖接行А⑺詫B、QC與非后連接到清零端， 即計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為“0110”時(shí)QB、QC 輸出高電平與非后為低電平實(shí)現(xiàn)有效清零并對(duì)下一級(jí)進(jìn)位。兩級(jí)電路組成一位60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00→01→…→58→59→00。當(dāng)秒計(jì)數(shù)滿(mǎn)60 后向分個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，同理當(dāng)分計(jì)數(shù)滿(mǎn)60 后向時(shí)個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。

2.3.2 時(shí)計(jì)數(shù)器

時(shí)計(jì)數(shù)器為24 進(jìn)制計(jì)數(shù)， 其計(jì)數(shù)規(guī)律是00→01→…→23→00，即當(dāng)數(shù)字運(yùn)行到23 時(shí)59 分59 秒時(shí)，在下一個(gè)秒脈沖的作用下，數(shù)字鐘顯示00 時(shí)00 分00 秒。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1 所示。

由表可知，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生兩次跳躍：一是計(jì)數(shù)到9，即個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為1001 后，在下一計(jì)數(shù)脈沖的作用下向十位計(jì)數(shù)器進(jìn)位；二是計(jì)數(shù)到23 后，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的作用下，整個(gè)計(jì)數(shù)器歸零。

用兩片74LS160 可實(shí)現(xiàn)24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)， 如圖5所示。把時(shí)個(gè)位的QC 與時(shí)十位的QB 與非后送入到時(shí)個(gè)位和時(shí)十位的計(jì)數(shù)清零端，當(dāng)時(shí)十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0010”時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)“0100”時(shí)，時(shí)個(gè)位的QC 與時(shí)十位的QB輸出高電平，它們與非后為低電平分別對(duì)時(shí)個(gè)位和十位進(jìn)行清零。


2.4 校時(shí)電路

校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能，當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。一般數(shù)字鐘都具有時(shí)、分、秒等校正功能。為使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和時(shí)的校正。校正電路的要求在校正時(shí)位時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)，在校正分位時(shí)不影響秒和時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校正電路的方式有快校正和慢校正兩種。由于快校正電路復(fù)雜，成本高，而慢校正更經(jīng)濟(jì)一些，所以設(shè)計(jì)采用慢校正對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校正，如圖6 所示。慢校正是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖做校正脈沖。電路由74LS08 及電阻、電容、開(kāi)關(guān)等組成，其中J 為校分開(kāi)關(guān)，H 為校時(shí)開(kāi)關(guān)。

2.5 顯示部分

顯示部分采用74LS48 來(lái)進(jìn)行譯碼，用于驅(qū)動(dòng)LED-7 段共陰極數(shù)碼管。由74LS48 和LED-7 段共陰極數(shù)碼管組成數(shù)碼顯示電路，如圖7 所示。

譯碼驅(qū)動(dòng)電路是將“ 秒”、“ 分”、“ 時(shí)” 計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD 碼進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)LED-7 段數(shù)碼管顯示，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。若將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的每位輸出分別與相應(yīng)七段譯碼器的輸出端連接，在脈沖的作用下，便可進(jìn)行不同的數(shù)字顯示。由于使用的譯碼器74LS48 輸出端高電平有效，所以選擇共陰極的數(shù)碼管來(lái)與之搭配。
3 數(shù)字鐘電路仿真

在電子設(shè)計(jì)中，EDA 設(shè)計(jì)和仿真是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在眾多的EDA 設(shè)計(jì)和仿真中，Multisim10 以其強(qiáng)大的仿真設(shè)計(jì)應(yīng)用功能， 在電子電路的仿真和設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用[6]。

在完成總體電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用ultisim10 電子電路仿真軟件完成電路的仿真設(shè)計(jì)。首先對(duì)電路的各功能模塊進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行調(diào)試與仿真，所有的子系統(tǒng)都能夠正常運(yùn)行時(shí)，把所有功能模塊整合在一起，進(jìn)行仿真和調(diào)試，最終完成整體電路的仿真設(shè)計(jì)。
值得注意的是，在數(shù)字鐘電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要注意檢測(cè)觸發(fā)器電路時(shí)鐘的觸發(fā)模式，確定是上升沿觸發(fā)還是下降沿觸發(fā)，避免在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)計(jì)數(shù)故障；在振蕩器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為使振蕩器產(chǎn)生精確、穩(wěn)定的頻率，要選擇精度較高的電阻器和電容器。

4 結(jié)束語(yǔ)
文中設(shè)計(jì)和仿真的數(shù)字鐘電路雖然只是基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，但是如果需要走時(shí)精準(zhǔn)的數(shù)字鐘完全可以通過(guò)改進(jìn)時(shí)基信號(hào)來(lái)得到。具體方法為：用晶體振蕩器（CrystalOscillators）產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的時(shí)基信號(hào)，其它分頻電路、計(jì)時(shí)電路、譯碼顯示電路等只要保持不變，即可實(shí)現(xiàn)。