一种基于Mutisim 12的多功能数字钟仿真设计
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作者:张立鑫 张磊 李俊 金怡芳
摘 要：数字钟是一种利用数字电子技术来进行计数的电子电路，由振荡电路、计数器、数码显示管、校时电路、整点报时电路、闹钟电路等几部分构成。本文主要介绍一种多功能数字钟的设计与仿真，通过分析其工作原理以及构成方法，建立基于Multisim 12的数字钟计数显示仿真模型。
关键词：数字钟 12/24进制转化 可调闹钟
Multisim 12是由美国NI公司所研发的一款以Windows为操作平台的EDA工具软件，可以对模拟、数字电路的进行仿真与设计。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，并提供了超过两万个元件的元器件库和满足各种需求的分析方法，具有十分丰富且功能强大的仿真分析能力。
数字钟是一种以数字电路技术实现时、分、秒计时的电子装置。与机械式时钟相比，数字钟具有更高的精确性和直观性，在日常生活中得到了较为广泛的使用。作为一种典型的数字电路，数字钟一般是由振蕩器、分频器、计数器、显示器等几部分组成。数字钟的设计方法众多，本文则通过Multisim 12仿真软件的方式设计电路，使得电子电路的设计更加的便捷、高效，不受硬件限制。
1 电路工作原理
本文所设计数字钟的基础功能是时、分、秒的计数与显示，为了贴近生活，秒与分位为60进制，小时位则设计了可以调整的“12翻1”和“23翻0”两种模式。其基本原理是以多谐振荡器产生1kHz的脉冲信号，并通过分频电路来生成1Hz的秒脉冲信号。脉冲信号输入到计数器中进行计数，并通过输出四位二进制数至译码器中，再由译码器所输出的七位信号传输至数码管中进行时、分、秒显示。
在基础功能之外，本设计还增添了校时功能、整点报时功能、闹钟功能三项拓展功能。其中，校时电路是通过手动触发单稳态电路产生脉冲信号直接触发小时位或分钟位的计数器进行计数，从而调整小时位或分钟位所显示的时间。整点报时电路是从每个小时的59min50s开始，指示灯交替闪烁直至整点时熄灭。闹钟功能是则当设定时间与数字钟时间一致时触发蜂鸣器发声。设计电路的原理框图如图1所示。
2 电路设计与仿真
该数字钟的由振荡电路、计数器、数码显示管、校时电路、整点报时电路、闹钟电路等几部分构成，所建立的数字钟计时显示仿真模型的总体电路图。
2.1 振荡电路
振荡电路是由555定时器构成的多谐振荡器电路，VCC接+5V直流电压，OUT输出频率为1kHz的矩形波。根据公式
计算可得λ的数值，进一步通过仿真微调可以使多谐振荡器输出频率为1kHz的矩形波。
2.2 分频电路
分频电路采用74LS90芯片，将输出端QA与时钟端INB相连，R01与R91相连，构成异步十进制增计数器，可以实现十分频的功能。为了得到1Hz的秒脉冲，需要将3块74LS90芯片进行级联的并行进位的连接方式，低位片的输出端QD与高位片的时钟端INA相连，通过3次十分频处理可以将振荡电路输出的1kHz分频得到1Hz的标准秒脉冲。
2.3 计数电路
本文采取了两块74LS160芯片进行级联来产生具有60进制和12/24进制逻辑功能的计数器。其中秒个位计数单元为10进制，无需进制转换;秒十位计数单元为6进制，需要进行进制转换，当秒十位计到5且秒个位计到9时，秒十位的置数端有效，且为同步置数，在下一个时钟脉冲到来时，秒十位被置0，从而实现6进制。最后，将秒十位和秒个位的计数器级联，可得到产生60进制的秒计数器。由于分钟计数器与秒计数器在逻辑设计基本一致，便不再赘述。
时计数器为12/24可切换进制计数器，所以其十位和个位均需要进制转换，其中开关S1便是进制转化的开关。当开关S1闭合时，且当计数值为12时触发同步置数，在下一个时计数脉冲到来时将计数置为1，实现“12翻1”的12进制计数;当开关S1断开时，且当计数值为23时触发同步置数，在下一个时计数脉冲到来时将计数置为0，实现“23翻0”的24进制计数。12/24进制转换电路如图2所示。
2.4 校时电路
当数字钟需要校正时间时，按下开关使“时”或“分”计数器的个位计数器的两个计数控制端ENT、ENP都处于高电平，即计数器一直处于计时模式。此时由单稳态触发电路为“时”或“分”计数器的个位计数器提供时钟脉冲信号，当触发输入端施加触发信号时，单稳态触发电路输出由稳态翻转到暂稳态，经过极短的延时时间后，电路会自动返回到稳态，此时所产生下降沿触发计数器计数，从而改变数字钟的小时位或分钟位的时间。
2.5 译码和显示电路
本文中采用74LS48来进行译码，将秒、时、分计数器的输出端分别接74LS48译码器的输入端连接，74LS48的输出端通过上拉电阻分别于相应的7段译码器的输入端连接，在脉冲的作用下，便可进行不同的数字显示。将秒、分、时计数器输出的8421码进行编译，转换为数码管所需要的逻辑状态，驱动LED-14段数码管进行显示，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。
2.6 整点报时电路
整点报时功能为每当数字钟计时快到整点时，报时电路的LED灯开始闪烁，直至到每小时的59min59s。其中，由于74LS160为10进制芯片，可以用QD、QC、QB、QA的4位2进制数来表示秒计数器的个位（即0000-1001），Y为逻辑输出的结果，1表示灯亮，0表示灯灭，通过灯的亮灭来产生闪烁现象。若在50、52、54、56、59s时点亮LED灯，则可得到逻辑函数表达式为
2.7 可调闹钟电路
本文使用4片74LS160连接构成设置闹钟时间的模块，具体工作原理与计时电路里的分钟与小时部分、分钟部分一致。在该电路中，将闹钟电路中每个74LS160的输出与计时电路中相对应的74LS160芯片的4个输出（QA、QB、QC、QD）进行同或逻辑运算，再将各个同或运算结果进行与运算，得到的最终结果取决于两个电路的时间，只有当闹钟时间与计时时间一样（小时和分钟部分）时，最终结果为1，当两时间不一致时得到的结果为0。当判断电路结果为0时，蜂鸣器不响;当判断电路结果为1，蜂鸣器开始响，直到1min后，闹钟时间与计时时间不一致时，停止工作。
2.8 时间显示切换电路
本文采用6片74LS399的4位二选一数据选择器构成时间显示切换电路，其输入分别为时钟计数电路的输出和闹钟设置电路的输出。当位选为低电平时，其输出为闹钟设置电路的输出，此时译码显示电路显示的为闹钟设置时间;当位选为高电平时，其输出为时钟计数电路的输出，此时译码显示电路的时间为时钟计数时间。
3 结语
本文通过对多功能数字钟的设计与仿真，可以看出Multisim 12等电路仿真软件的仿真功能的强大。不同于以往传统的电子设计方法，Multisim 12的使用使得电子电路的设计上具有了更高的设计效率。在具有基础的电路仿真功能基础上，集成了PCB版图，原理图绘制等功能，令电路的设计、仿真、测试与改良等更加地便捷、高效，在一定程度上提高了实际问题的解决能力。
参考文献
[1] 吕念芝.基于Multisim12的数字钟设计与仿真[J].内蒙古科技与经济，2019（8）：69-71.
[2] 王迎勋，王香，黄家平，等.基于Multisim13的数字钟的设计与仿真[J].科技创新与应用，2017（9）：63-64.
[3] 赵兵文，毛莉萍.基于Multisim的多功能数字钟设计与仿真[J].数字技术与应用，2014（6）：135-136.
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