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简单数字电子表的设计及其仿真研究

简单数字电子表的设计及其仿真研究

摘要:简单数字电子表由以下几个部分组成:555定时器构成的多谐振荡器、分频器、计数器、译码器、LED显示器和校时电路。本文论述了简单数字电子表的工作原理,分析了它的总体电路。并在Multisim10.1上进行相关功能仿真,仿真结果与理论值进行比较。仿真结果表明,该电路设计正确,走时准确。

关键词:555定时器、分频器、计数器、LED显示器、Multisim10.1。

引言

随着科学技术的不断发展,人们对时间计量的精度要求越来越高。高精度的计时工具大多数使用了石英晶体振荡器,由于电子表,石英钟都采用了石英技术,因此走时精度高,稳定性好,使用方便,不需要经常调校,数字电子表用集成电路计时,译码代替机械式传动,用LED显示器代替指针显示进而显示时间,减少了计时误差,这种表具有星期、时、分、秒和显示时间的功能,还可以进行星期、时和分的校对,片选的灵活性好。

系统的工作原理:振荡器产生分频脉冲信号,作为数字电子表的时间基准,然后经过分频器输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数,并在满24后向星期计数进位,星期计数器按照“7翻1”规律计数。计数器的输出分别由译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用较时电路较时、较分、较星期。

1、数字电子表的设计思路

数字电子表的逻辑框图如图1所示。它由555定时器组成的多谐振荡器、计

数器、译码显示器和较时电路组成。

图1数字电子表逻辑框图

2、单元电路设计、原理及元器件选择

2.1 计数器

该数字电子表由星期、时、分、秒组成。分别为7进制、24进制和60进制。采用两片74LS161D 接成60进制,74LS161D 的第一组4位二进制接成秒的个位,另一组接成秒的十位,“分”也为60进制,“时”为24进制,“星期”为7进制。这两种进制的次序和二进制完全相同,只是模数不是2的整幂。采用反馈置零法清零,先按二进制计数器串联起来构成计数器,当计数值达到所需的模值后,经过电路译码反馈、产生复位脉冲将计数器清零,然后重新开始进行下一个循环。 74LS161是同步四位二进制计数器,74LS161的LD 为置数控制端,CLR 为置0控制端,A ~D 为并行数据输入端,Q 0~Q 3为输出端,RCO 为进位输出端。其功能表如表2所示。

1)60进制计数器。电路如图4所示。74LS161D 的第一组四位二进制构成10进制,第二组四位二进制构成六进制,因为两组都是十六进制,都具有异步

数码管1 数码管2

数码管3

数码管4

译码器

译码器

译码器 译码器

星期计数器

时计数器

分计数器 秒计数器

时钟信号

星期校时电路 时校时电路

分校时电路

清零的功能。在第一组的4位二进制加法计数器钟,当第十个脉冲来到时,此时

它的四级触发器状态为“0101”,此时Q

B 、Q

D

都为高电平“1”,通过2输入端与

非门后,送到74LS161D的个位CLR端,使个位实现异步清零,使第一组成为10进制计数器。当第一组实现异步清零的同时由与非门发送一个脉冲给第二组的CLK端,使第二组自动计数,而第一组的第六个脉冲进位到来时,此时第二组的

触发器状态为“0110”,此时Q

B 端和Q

C

端都为高电平“1”,将它们经过二输入与

非门后,送到计数器的清零端,在清零的同时给上一级进位,从而利用74LS161D 的异步清零的功能接成60进制计数器。

2)24进制计数器。24进制计数器有两个74LS161D组成。当“时”个位计

数器74LS161D计数到达“0101”,第一个与非门的两输入端接Q

B 和Q

D

端,此时

与非门向“时”十位计数输出进位信号。当第24的进位脉冲由“分”计数器输出时,到达“时”个位计数器状态为“0010”,“时”十位计数器状态为“0100”

即使“时”个位的输出Q

C 和“时”十位的输出Q

B

都为高电平“1”,经过第二个

与非门后,送到十位74LS161D的清零CLR端,第一个与非门74LSOOD U

19A

的输

出端和第二个与非门74LSOOD U

24A

的输出端通过两输入端或门74LS08D接到“时”个位的清零端,使“时”个位实现清零,从而让“时”个位实现十进制和整个计数器实现24进制。电路如图5所示。

3)7进制计数器。7进制计数器有一个74LS161D组成。当7个进位脉冲由“时”计数器输出时,此时“星期”的计数器74LS161D计数到达“1110”,既

Q A Q

B

Q

C

为高电平“1”,通过3输入端与非门74LS10D向计数器的清零端发送信号,

是“星期”计数器实现清零。且“星期”计数器显示0、1、2、3、4、5、6分别代表星期天、星期一、星期二、星期三、星期四、星期五和星期六。电路如图6所示。

图4 60进制计数器

图5 24进制计数器

图6 7进制计数器

表2 74LS161功能表

输入输出CLK LD CLR ENP ENT Q

X X 0 X X 全“L”

↓0 1 X X 预置数据↓ 1 1 1 1 计数

X 1 1 0 X 保持

X 1 1 X 0 保持2.2译码与显示电路

译码是将具有特定含义的二进制码转换成对应的输出信号,具有译码功能的逻辑电路称为译码器。该电路需将星期、时、分、秒计数器输出的四位二进制代码翻译为相应的十进制数, 并通过LED 显示器显示, 通常LED 显示器与译码器是配套使用的。因为选用的七段译码驱动器(74LS48) 输出是高电平有效,所以显示数码管选用共阴极数码管。实际使用时a 、b、c 、d、e 、f 、g 各段都应该接一个限流电阻, 在图中略画出来。译码显示电路如图6 所示。

74LS48的功能表如表3所示,其中,D C B A为8421BCD码输入端,a-g为七段译码输出端。

图7 译码显示电路

表3 74LS48引脚功能表-七段译码驱动器功能表

十进数或功能

输入BI/

RBO

输出

LT RBI D C B A a b c d e f g

0 H H 0 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 0

1 H X 0 0 0 1 H 0 1 1 0 0 0 0

2 H X 0 0 1 0 H 1 1 0 1 1 0 1

3 H X 0 0 1 1 H 1 1 1 1 0 0 1

4 H X 0 1 0 0 H 0 1 1 0 0 1 1

5 H X 0 1 0 1 H 1 0 1 1 0 1 1

6 H X 0 1 1 0 H 0 0 1 1 1 1 1

7 H X 0 1 1 1 H 1 1 1 0 0 0 0

8 H X 1 0 0 0 H 1 1 1 1 1 1 1

9 H X 1 0 0 1 H 1 1 1 0 0 1 1

10 H X 1 0 1 0 H 0 0 0 1 1 0 1

11 H X 1 0 1 1 H 0 0 1 1 0 0 1

12 H X 1 1 0 0 H 0 1 0 0 0 1 1

13 H X 1 1 0 1 H 1 0 0 1 0 1 1

14 H X 1 1 1 0 H 0 0 0 1 1 1 1

15 H X 1 1 1 1 H 0 0 0 0 0 0 0

BI X X X X X X L 0 0 0 0 0 0 0 RBI H L 0 0 0 0 L 0 0 0 0 0 0 0 LT L X 1 1 1 1 H 1 1 1 1 1 1 1

2.3 校时电路

当数字电子表接通电源或者计时出现误差时,需要校正时间(或称校时)。

校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都具有时、分、秒等校时功能。为使电路简单,这里只进行分、小时和星期的校时。

对校时电路的要求是:在星期校正时不影响时、分和秒的正常计数;

在小时校正时不影响星期、分和秒的正常计数;

在分校正时不影响星期、时和秒的正常计数。

校时方式有“快校时”和“慢校时”两种:

“快校时”是,通过开关控制,使计数器对1Hz的校时脉冲计数;

“慢校时”是用手动产生单脉冲作校时脉冲。

这里采用“快校时”方式的校时电路,如图8所示,电路是由74LS00、74LS04以及电阻、电容开关等组成。其中J1为校“时”用的控制开关,J2为校“分”用的控制开关,J3为校“星期”用的控制开关。校时脉冲采用分频器输出的1Hz 脉冲,当J1或J2或J3分别为“0”时可进行“快校时”,如果校时脉冲由单次脉冲产生器提供,则可以进行“慢校时”。

“快校时”方式校时电路的工作原理是:对校“时”电路来说,正常计数时,开关断开,R1和C1处为高电平,与非门U18A解锁,U21A输出端口处为低电平,U17A处为高电平,与非门U16A解锁,则至“时”个位计数器的进位脉冲与“分”十位进位脉冲相同。校时时,开关接通,R1和C1处为低电平,U18A输出端口处为高电平,与非门U17A解锁,U21输出端口处为高电平,与非门U25A解锁,则至“时”个位计数器的进位脉冲与校时脉冲相同,校时脉冲频率越高,校时越快,这里校时脉冲取1Hz。校“分”电路和校“星期”电路同理。

需要注意的是,校时电路是由与非门构成的组合逻辑电路,开关S1或S2

为“0”或“1”时,可能会产生抖动,接电容C1、C2可以缓解抖动,必要时还应将其改为去抖动开关电路。

图8校时电路

三、总体电路

3.1、电路组成

由简单数字电子表系统组成框图按照信号的流向分级安装,逐级级联,这里的每一级是指组成数字钟的各功能电路。图9所示为一个简单数字电子表电路。图中555定时器A1组成多谐振荡器;计数器U 39、U 40和U 41,使多谐振荡器的频率不断减少,故U 39、U 40和U 41组成了分频电路;从而让计数器U 13、U 14、U 15、U 16、U 17、U 18和U 43通过分频电路输出的信号脉冲实现计数,从而使之成为计数器电路;在计数器电路的输出端分别连接到U 7、U 8、U 9、U 10、U 11、U 12和U 35输入端 ,并将U 7、U 8、U 9、U 10、U 11、U 12和U 35输出端信号分别在U 1、U 2、U 3、U 4、U 5、U 6和U 34上显示出来,使之成为译码显示电路。

图9 简单数字电子表整体电路

3.2、工作原理

振荡器产生稳定的高频脉冲信号,作为数字钟的时间基准,然后经过分频器

输出标准秒脉冲。秒计数器满60后向分计数器进位,分计数器满60后向小时计数器进位,小时计数器按照“24翻1”规律计数。计数器的输出分别经译码器送显示器显示。计时出现误差时,可以用校时电路校时、校分。

秒信号产生器是整个系统的时基信号,它直接决定计时系统的精度,一般用石英晶体振荡器加分频器来实现,但本系统使用555定时器构成的多谐振荡器来实现。将标准秒信号送入“秒计数器”,“秒计数器”采用60进制计数器,每累计60秒发出一个“分脉冲”信号,该信号将作为“分计数器”的时钟脉冲。“分计数器”也采用60进制计数器,每累计60分钟,发出一个“时脉冲”信号,将该信号送到“时计数器”。

“时计数器”采用24进制计时器,可实现对一天24小时的累计。每累计24小时,发出一个“星期脉冲”信号,该信号将被送到“星期计数器”,“星期计数器”采用7进制计时器,可实现对一周7天的累计。译码显示电路将“时”、“分”、“秒”、“星期”计数器的输出状态送到七段显示译码器译码,通过七位LED七段显示器显示出来。校时电路时用来对“时”、“分”、“星期”显示数字进行校对调整的。

4 电路仿真

4.1 Multisim简介

随着电子信息产业的飞速发展,计算机技术在电子电路设计中发挥着越来越大的作用。电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设计(CAD)逐步被EDA(ElectronicDesignAutomation)技术所取代。EDA技术主要包括电路设计、电路仿真和系统分析3个方面内容,其设计过程的大部分工作都是由计算机完成的。计算机仿真在教学中的应用,代替了操作复杂的实验电路,大大减轻验证阶段的工作量;其强大的实时交互性、信息的集成性和生动直观性,为电子专业教学创设了良好的平台,极大地激发了学生的学习兴趣,能够突出教学重点,突破教学难点;并能保存仿真中产生的各种数据,为整机检测提供参考数据,还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足整个

设计及验证过程的自动化。

Multisim 软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具, Multisim 是一个完整的集仿真、、成化设计环境。Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来,并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。Multisim 极大地提高了学员的学习热情和积极性,真正的做到了变被动学习为主动学习——这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是:计算机仿真与虚拟仪器技术对教员的教学也是一个很好的提高和促进。当启用后,它的基本界面如图10

所示:

图10 Multisim 10.1的基本界面

4.2 Multisim10的特点:

(1)直观的图形界面:整个操作界面就像一个电子实验工作台,绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上,轻点鼠标可用导线将它们连接起来,软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似,测量数据、

波形

和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。

(2)丰富的元器件库:Multisim大大扩充了EWB的元器件库,包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件,且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型,还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。

(3)丰富的测试仪器:除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外,Multisim 新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。尤其与EWB不同的是:所有仪器均可多台同时调用。

(4)完备的分析手段:除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外,Multisim 新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等,基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。

(5)强大的仿真能力:Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真,也可进行数模混合仿真,尤其是新增了射频(RF) 电路的仿真功能。仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因,仿真结果可随时储存和打印。

4.3 Multisim10的操作界面和菜单

如图10所示,基本界面最上方是菜单栏(Menus),共11项,包括编辑、视图等。基本界面的左侧为元件工具栏,其中13个元件库中分别放置同一类型的元件,左列从上到下分别是:电源库(Sources)、基本元件库(Basic)、二极管库(Diode)、晶体管库(Transistor)、模拟元件库(Analog)、TTL器件库(TTL)、CMOS 器件库(CMOS)、各种数字元件库(Miscellaneous Digital)等。

基本界面右侧为仪表工具栏,该工具栏含有用来对电路工作状态进行测试的仪器仪表,从上到下分别为:数字万用表(MultiMate)、函数信号发生器(Function Generator)、瓦特表(Wattmeter)、示波器(Oscilloscope)、4通道示波器(4 channel Oscilloscope)、扫频仪(Bode Plotter)、频率计(Frequency Counter)、数字信号发生器(Word Generator)等17种测试的仪器仪表。

选择元器件可以点击基本界面左侧的元件工具栏,如果选择基本元件,可以

单击左侧元件工具栏Basic按钮,则将出现下列对话框,如图11所示。倘若选择电容,单击“OK”按钮即可。

图11 Multisim10的元件工具栏

4.4 简单数字电子表整体电路仿真

此电路由1个555定时器构成的多谐振荡器电路、1个分频器电路、2个60进制计数器电路、1个24进制计数器电路、1个7进制计数器电路、7个译码显示电路和3个校时电路组成。

在启动Multisim10的Run/resume simulation(F5)或Toggle the simulation switch后,电路开始进行仿真,进过3个秒脉冲后,电路的仿真值如图12所示。仿真电路显示值为0:00:00:03,此电路显示值表示是星期天0时0分3秒,与理论值相吻合。

图12整体电路仿真

4.41 秒计数器可实现向分计数器进位并自己清零

该电路仿真是要实现秒计数器在第60个秒脉冲实现向分计数器进位并自己实现清零,仿真结果如附图1和附图2所示,在电路开始仿真后,秒计数器在接收59个秒脉冲后,电路显示为0:00:00:59,表示为星期天0时0分59秒,当接收到第60个秒脉冲时,显示电路如附图2所示,电路显示结果为0:00:01:00,既表示为星期天0时1分0秒。仿真结果表示该电路中秒计数器在接收第60个脉冲后,实现了向分计数器进位并自己清零的功能。仿真结果和理论结果吻合。

4.42 分计数器可实现向时计数器进位并自己清零

该电路仿真要实现分计数器在秒计数器向分计数器进位60次时实现自己向时计数器进位并自己清零,仿真结果如附图3和附图4所示。

4.43 时计数器可实现向星期计数器进位并自己清零

该电路仿真要实现时计数器在分计数器向时计数器进位24次时实现自己向星期计数器进位并自己清零,仿真结果如附图5和附图6所示。

4.44 星期计数器实现自动清零

该电路仿真要实现星期计数器在时计数器向星期计数器进位7次后实现自己清零,仿真结果如附图7和附图8所示。

4.45分校时电路仿真

后电路开始分校时,校时脉冲为秒脉冲,既在开始该电路要实现在关闭J

2

校时后,分计数器和秒计数器增加的脉冲数一样。也就是说,在校时过程中,分计数器增加的数字和秒计数器增加的数字相等。仿真结果如附图9和附图10所示。

启动MUltisim的Run simulation,经过9个秒脉冲信号后,电路显示是0:00:00:09,此时将开关J2关上,使分计时电路开始进行校时,经过15个秒脉冲信号后,总电路显示是0:00:15:24。分计数器增加的脉冲数同秒计数器增加的脉冲数相同,分校时电路校时正确。其他校时电路和分校时电路功能一样。

4.5仿真结果的分析

电路中使用的虚拟器件,且大量使用TTL系列芯片,在传输过程中会出现电路延迟的情况,从而在7进制,10进制,24进制,60进制计数器在达到反馈值时会短暂地显示7,10,24,60后显示为0。

5 总结

用555定时器构成的多谐振荡器提供基准频率的简单数字电子表电路基本上符合了要求;电路优点:它不仅电路简单,器件选择灵活,而且性能较好,市场价格便宜。

电路的不足之处:在电路中使用了555定时器构成的多谐振荡器提供的基准频率不精确,此电路时为设计所需使用555。由于在电路中大量使用TTL芯片,从而造成电路在进行仿真时会出现电路延时的现象。在电路要求精度高的情况下,不能采用该电路。

答谢:本论文是在导师龙永福的悉心指导下完成的。从选题到完成,每一步龙永福老师都给予了极大的帮助和宝贵的建议。龙老师平日里工作繁多,但在我做毕业设计的每个阶段,从外出实习到查阅资料,设计草案的确定和修改,中期检查,后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。倾注了大量的心血。在此,谨向龙老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!

站在毕业的门槛上,回首往事。辛酸与汗水已成丝丝回味,甜美与欢笑也都尘埃落定。这些美丽的故事我将珍藏于记忆的深处。明天还将是一片朝阳,等待着我们昂首阔步,更创辉煌!

感谢电信06102班的兄弟姐妹们在一起度过的学习时光给予我的友情和关心!

再次衷心地感谢给予我帮助、关怀和鼓励的所有人!

最后,让我以最真挚的感情感谢这片土地!感谢湖南文理学院!

参考文献

[1] 唐赣,聂典.Multisim 10原理图仿真与PowerPCB 5.0.1印制电路板设计.北京: 电子工业出版社. 2009

[2] 从宏寿,李绍铭. 电子设计自动化. 北京: 清华大学出版社. 2008

[3] 郑步生,吴渭.Mutisim 2001电路设计及仿真入门与应用.北京: 电子工业出版社,2002

[4] 康华光主编. 电子技术基础模拟部分(第五版).北京:高等教育出版社,2006

[5] David Johns. Ken Martin. Analog Integrated Circuit Design. New York. John Wiley & Sons Inc. , 1997

[6] 邱关源主编. 电路. 第四版. 北京:高等教育出版社,1999

[7] 童诗白,模拟电子技术基础(第二版),高等教育出版社,1988。

附录:元器件清单

器件大小和数目型号

555定时器1个

七段显示器7个

译码器7个74LS48D 计数器7个74LS161D 计数器3个74LS90D 两输入端与非门15个74LS00D 三输入端与非门1个74LS10D 两输入端或门1个74LS08D 非门3个74LS04D 单刀开关3个

R1 3.3K

R2 3.3K

R3 3.3K R4 4.5K R5 3.3K R6 3.3K C1 10nf C2 10nf C3 0.1uf C4 1uf C5 10nf

附图1 秒计数器仿真

附图2 秒计数器仿真

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