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11引言现代社会电子产品更新换代的速度越来越快，传统的自下而上的设计方法越来越适应不了这种挑战。随着可编程逻辑器件集成规模的迅速扩大，自身功能的不断完善，以及计算机辅助设计技术的不断发展，在现代电子系统设计领域，EDA（ElectronicDesignAutomation）技术便引起了人们的极大关注。EDA技术就是一种以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL（hardwareDescriptionLanguage）完成的设计文件、自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真。直至对特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式完成对系统硬件功能的描述。本设计利用MULTISIM2001对数字钟进行仿真。随着电子技术的发展，大规模、超大规模集成电路设计技术和制造工艺的进一步提高，特别是EDA技术地不断发展和完善，为数字钟的研究和设计提供了一个广阔的平台。出现了多种数字钟。它们不仅具有时、分、秒显示，手动校时、校分以及整点报时等功能，而且有测试温度、电网频率、电压等功能。譬如用单片机制作的多功能数字钟，在低功耗下具有实时时钟功能，并且让掉电保护电流降低到仅仅只有5～6uA。时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，人们对它的功能又提出了新的要求。数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。数字钟除了传统的显示时间功能之外还可以测试温度、电网频率、电压、并提供了过压报警、非接触止闹等功能。它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。目前，数字钟的功能越来越强，并且有多种专门的大规模集成电路可供选择。数字钟由晶体振荡器电路、分频器电路、时间计数器电路、译码驱动电路、数码管构成。其工作原理是：振荡器产生的稳定的高频脉冲信号，作为数字钟的时间基准，再经分频器输出标准脉冲。秒计数器计满60后向分计数器进位，分计数器计满60后向小时计数器进位，小时计数器按照“12翻1”规律计数。计数器的输出经译码器送显示器。计时出现误差时可以用校时电路进行校时、校分、校秒。扩张电路必须在主体电路正常运行的情况下才能进行功能扩展。22数字钟的基本组成及工作原理2.1数字钟的构成数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。数码管显示数码管显示数码管显示数码管显示数码管显示数码管显示译码驱动译码驱动译码驱动译码驱动译码驱动译码驱动时十位计数时个位计数分十位计数分个位计数秒十位计数秒个位计数校时控制电路校分控制电路1HZ2-1数字钟的组成框图2.1.1晶体振荡器电路振荡器是数字钟的核心，振荡器的稳定度及频率的精确度决定了数字钟计时的准确程度，通常选用石英晶体构成振荡器电路。一般来说，振荡器的频率越高，计时精度越高。晶体振荡器电路常取晶振的频率为32768HZ的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。因其内部有15级2分频集成电路，所以输出端正好可得到1HZ的标准脉冲。晶体振荡器电路分频器电路2HZ分频器电路32.1.2分频器电路分频器的功能主要有两个：一是产生标准秒脉冲信号；二是提供功能扩展电路所需要的信号，如电台报时用的1KHZ的高音频信号和500HZ的低音频信号等。选用3片中规模集成电路计数器74LS90可以完成上述功能。因每片为1/10分频，3片级联则可获得所需要的频率信号，即第1片的Q端输出频率为500HZ，第2片的Q端输出频率为10HZ，第3片的Q端输出频率为1HZ。2.1.3时间计数器电路时间计数电路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，其计数规律为00—01------58—59—00—，选74LS92作十位计数器，74LS90作个位计数器，再将它们级联组成模数M=60的计数器。而根据设计要求，时个位和时十位计数器为12进制计数器。即当数字钟运行到12时59分59秒时，秒的个位计数器再输入一个脉冲时，数字钟应自动显示为01时00分00秒，实现日常生活习惯的计时规律。2.1.4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，并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流。译码器可分为两种类型，一种是将一系列代码转换成与之一一对应的有效信号。这种译码器可称为唯一地址译码器，它常用与计算机中对存储器单元地址的译码，即将每一个地址代码转换成一个有效信号，从而选中对应的单元。另一种是将一种代码转换成另一种代码，所以也称为代码变换器。2.1.5数码管计数器实现了对时间的累计以8421BCD码形式输出，为了将计数器输出的8421BCD码显示出来，需用显示译码电路将计数器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，一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。在数字测量仪表和各种数字系统中，都需要将数字量直观地显示出来，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。因此，数字显示电路是许多数字设备不可却少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器等部分组成。数码显示器是用来显示数字、文字、或符号的器件，4现在已有多种不同类型的产品，广泛应用于各种数字设备中，目前数码显示器件正朝着小型、低功耗、平面化方向发展。数码的显示方式一般有三种；第一种是字型重叠式，它是将不同字符的电极重叠起来，要显示某字符，只须使相应的电极发光即可，如辉光放电管、边光显示管等。第二种是分段式，数码是由分布在同一平面上若干段发光的笔画组成，如荧光数码管等。第三种是点阵式，它由一些按一定规律排列的可发光的点阵所组成，利用光点的不同组合便可显示不同的数码，如场致发光记分牌。数字显示方式目前以分段式应用最普遍，如七段式数字显示器利用不同发光段方式组合，显示0至15等阿拉伯数字。在实际应用中，10至15并不采用，而是用2个数字显示器进行显示。按发光物质不同，数码显示器可分为下列几类：（1）半导体显示器，亦称为发光二极管显示器(LED)；（2）荧光数字显示器，如荧光数码管、场致发光数字板等；（3）液体数字显示器(LCD)，如液晶显示器、电泳显示器等；（4）气体放电显示器，如辉光数码管、等离子体显示板等。本设计提供的为LED数码管。分段式数码管是利用不同发光段组合的方式显示不同数码的。因此，为了使数码管能将数码所代表的数显示出来，必须将数码经译码器译出，然后经驱动器点亮对应的段。例如，对于8421码的0011状态，对应的十进制数为3，则译码驱动器应使a、b、c、d、g各段点亮。即对应于某一组数码，译码器应有确定的几个输出段有信号输出，这是分段式数码管电路的主要特点。2.2数字钟的工作原理2.2.1晶体振荡器电路晶体振荡器是构成数字式时钟的核心，它保证了时钟的走时准确及稳定。一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用TTL门电路构成；另一类是通过CMOS非门构成的电路。本设计选用CMOS晶体振荡器。如图2-2所示，从图上可以看出其结构非常简单。该电路广泛使用于各种需要频率稳定及准确的数字电路，如数字钟、电子计算机、数字通信电路等。5图2-2CMOS晶体振荡器图2-2所示电路中，CMOS非门U1与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，U2实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻fR为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个180度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。2.2.2分频器电路通常，数字钟的晶体振荡器输出频率较高，为了得到1Hz的秒信号输入，需要对振荡器的输出信号进行分频。通常实现分频器的电路是计数器电路，一般采用多级2进制计数器来实现。例如，将32768HZ的振荡信号分频为1HZ的分频倍数为32768（152），即实现该分频功能的计数器相当于15级2进制计数器。常用的2进制计数器有74HC393等。2.2.3时间计数单元时间计数单元有时计数、分计数和秒计数等几个部分。时计数单元一般为12进制计数器或24进制计数器，其输出为两位8421BCD码形式；分计数和秒计数单元为60进制计数器，其输出也为8421BCD码。一般采用10进制计数器如74HC290、74HC390等来实现时间计数单元的计数6功能。欲实现12进制和60进制计数还需进行计数模值转换。2.2.4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，为了将计数器输出的8421BCD码显示出来，需用显示译码电路将计数器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，一般这种译码器通常称为7段译码显示驱动器。常用的7段译码显示驱动器有CD4511。2.2.5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。校时是数字钟应具备的基本功能。一般电子手表都有时、分、秒等校时功能。对校时电路的要求是，在小时校正时不影响分和秒的正常计数；在分校正时不影响秒和小时的正常计数。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。2.2.6整点报时电路一般时钟都应具备整点报时电路功能，即在时间出现整点前数秒内，数字钟会自动报时，以示提醒。其作用方式是发出连续的或有节奏的音频声波，较复杂的也可以是实时语音提示。报整点是数字电路的功能是：每当数字钟计时到整点时发出音响，且几点响几声。实现这一功能的电路主要由以下几部分组成：（1）减法计数器完成几点响几声的功能。即从小时计数器的整点前开始进行减法计数，直到零为止。（2）编码器将小时计数器的5个输出端Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照“12翻1”的编码要求转换为减法计数器的4个输入端D3、D2、D1、D0所需的BCD码。（3）逻辑控制电路控制减法计数器的清零与置数。控制音响电路的输入信号。73软件介绍Multisim2001是一个用于电路设计和仿真的EDA工具软件，它是加拿大InteractiveImagetechnologies(IIT)公司于1998年推出的电子线路仿真和设计EDA软件Electronicworkbench（简称EWB）的升级版。EWB以其强大的功能在我国得到广泛的推广应用，尤其是高等院校普遍将其作为电子线路的仿真平台和电子系统的仿真设计工具。Multisim2001与EWB相比在功能上有了较大的改进，提供了标准的实际元（器）件库、FR库、功能强大品种齐全的仿真仪器和能满足各种需求的分析方法。Multisim2001的开放式元件库和仿真结果的输出可与多种EDA软件匹配。Multisim2001的仿真器本身是一个完整的系统设计工具，结合Spice、VHDL、Verilog可对模拟、数字和RF电路进行仿真。Multisim2001应用于开发电子系统或IC设计时，可以降低产品的成本，缩短开发周期，提高系统的可靠性；另外，Multisim2001也跟广泛用作高等院校“电路分析”、“模拟电子线路”、“数字电路”和“通信电子线路”等课程的仿真设计平台。Multisim2001使得电子技术理论课的教学更加生动活泼，课堂的演示更加灵活方便其界面如下图所示：8Multisim2001是ElectronicsWo