555+74ls160+74LS20數(shù)電數(shù)字鐘Multisim仿真設(shè)計(jì)

  數(shù)字鐘電路的基本組成框架圖如圖一所示，它主要由多諧振蕩器、計(jì)數(shù)器、譯碼器和數(shù)碼顯示器4個(gè)部分組成。

圖一  數(shù)字鐘電路的基本組成（方框圖）

數(shù)字鐘是一個(gè)將“時(shí)”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)裝置。他的計(jì)時(shí)周期為24小時(shí)，顯示滿刻度為23時(shí)59分59秒。因此，一個(gè)基本的數(shù)字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時(shí)”，“分”，“秒”，計(jì)數(shù)器、校時(shí)電路和振蕩器組成。數(shù)字鐘實(shí)際上是一個(gè)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)電路，由于計(jì)數(shù)的起始時(shí)間不可能與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間一致，故需要在電路上加一個(gè)校時(shí)電路，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的1HZ時(shí)間信號(hào)必須做到準(zhǔn)確穩(wěn)定，通常使用石英晶體振蕩器電路。

1.1時(shí)鐘模塊

考慮到數(shù)字鐘對(duì)精度要求較高，故時(shí)鐘模塊是由555計(jì)時(shí)器組成的振蕩電路，其在電路中直接產(chǎn)生頻率為1HZ的脈沖信號(hào)。圖3.1.1為由555計(jì)時(shí)器所構(gòu)成的。

圖3.1.1時(shí)鐘模塊

1.2分頻計(jì)數(shù)器

設(shè)計(jì)的60和24進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器都大于一個(gè)74LS160N的計(jì)數(shù)范圍，所以需要級(jí)聯(lián)。當(dāng)且僅當(dāng)秒的個(gè)位計(jì)數(shù)到10的瞬間，即輸出為1010時(shí)，向本位發(fā)送一個(gè)清零信號(hào)，并同時(shí)向十位發(fā)送一個(gè)進(jìn)位脈沖。但由于74LS160N的清零方式為異步清零，這種清零方式會(huì)導(dǎo)致清零的不可靠。所以必須要把脈沖調(diào)整到一個(gè)較低的周期，才會(huì)產(chǎn)生有效地清零和進(jìn)位信號(hào)。兩片74LS160N的預(yù)置是同步的，利用預(yù)置端的ABCD四個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)清零。把A-D接地后，當(dāng)置入控制器LOAD為低電平時(shí)，在CLK上升沿作用下，輸出端QA-QD會(huì)與數(shù)據(jù)輸入端A-D相一致。通過采用預(yù)置的方式，可以確保清零的穩(wěn)定。但為了使清零和進(jìn)位同步進(jìn)行，在清零的輸出端需要引出一根線，加上非門引入下一級(jí)計(jì)數(shù)器的輸入端。這種可以實(shí)現(xiàn)多重清零的方式，也可以實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制用10進(jìn)制顯示，而且清零和進(jìn)位的可靠性與同步性得到了極大地提高。

1.3秒計(jì)數(shù)器

由于時(shí)鐘模塊分頻后可直接產(chǎn)生1Hz的標(biāo)準(zhǔn)脈沖時(shí)鐘信號(hào)，所以可以直接把所得的1Hz信號(hào)作為秒位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。使用兩片同步加法計(jì)數(shù)器74LS160N構(gòu)成60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器作為秒計(jì)時(shí)器，同時(shí)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，也應(yīng)用到了74LS20N這個(gè)雙4輸入與非門集成電路，其在電路中充當(dāng)與非門的作用。在秒的個(gè)位計(jì)數(shù)到10的瞬間，向十位發(fā)送一個(gè)進(jìn)位脈沖。秒的十位加法計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)到6的瞬間，向74LS20N發(fā)送清零信號(hào)。這樣就構(gòu)成了一個(gè)級(jí)聯(lián)而形成的60進(jìn)制帶進(jìn)位與清零的加法計(jì)數(shù)器。圖3.1.3為秒計(jì)時(shí)器的電路圖。

圖3.1.3秒計(jì)數(shù)器

1.4分計(jì)數(shù)器

按照同樣的方法，可以構(gòu)成分位的計(jì)數(shù)器。圖3.1.4為秒計(jì)時(shí)器的電路圖。

圖3.1.4分計(jì)數(shù)器

1.5時(shí)計(jì)數(shù)器

秒分頻計(jì)數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字，計(jì)數(shù)完成后自動(dòng)清零，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_qyYvd" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?011的同時(shí)高位的變?yōu)?010時(shí)，將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中，此時(shí)74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計(jì)數(shù)器的同步置零。

圖3.1.5為秒計(jì)時(shí)器的電路圖。

圖3.1.5時(shí)計(jì)數(shù)器

1.6校時(shí)電路

當(dāng)數(shù)字鐘走時(shí)出現(xiàn)誤差時(shí)，需要校正時(shí)間。校時(shí)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)“時(shí)”“分”“秒”的校準(zhǔn)。在電路中設(shè)有正常計(jì)時(shí)和校對(duì)位置。本實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)“時(shí)”“分”“秒”的校對(duì)。

對(duì)校時(shí)的要求是，在小時(shí)校正時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)；在分校正時(shí)不影響秒和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)，在秒校正時(shí)不影響分和小時(shí)的正常計(jì)數(shù)。圖3.1.6為校時(shí)電路。

圖3.1.6校時(shí)電路

1.7顯示模塊

現(xiàn)在的許多電器設(shè)備上都有顯示十進(jìn)制字符的字符顯示器，以直觀的顯示出電器設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器，或稱七段數(shù)碼管。常見的七段數(shù)碼管有液晶顯示數(shù)碼管和半導(dǎo)體數(shù)碼管兩種。 半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七段發(fā)光二極管（Light Emitting Diode）組成，簡稱LED。圖3.1.7是

LED的引腳及其等效電路。

圖3.1.7LED的引腳及其等效電路

顯示計(jì)數(shù)結(jié)果需要用到顯示譯碼器DCD_ HEX，如圖3.1.7.1

圖3.1.7顯示譯碼器DCD_ HEX

2.1時(shí)鐘模塊

555定時(shí)器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器和、簡單SR鎖存器、放電三極管T以及緩沖器G組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.1所示。

圖3.2.1　555定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

555定時(shí)器的功能表如下表所示

555定時(shí)器功能表

用555定時(shí)器組成多諧振蕩器時(shí)，在接通電源后，電容C被充電，當(dāng)上升到時(shí)，使為低電平，同時(shí)放電三極管導(dǎo)通，此時(shí)電容C通過和放電，下降�！‘�(dāng)下降到時(shí)，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為

當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，將通過、向電容器C充電，由上升到所需要的時(shí)間為

　　當(dāng)上升到時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。其振蕩頻率為

當(dāng)我們要在電路中由555振蕩電路直接產(chǎn)生頻率為1Hz的脈沖信號(hào)時(shí)，555振蕩器的參數(shù)確定:T=0.7（R1+R2）C=500ms，f=1/t=2HZ，所以參數(shù)可以確定為:C1=47uF，C2=10nF，R1=10KΩ，R2=10KΩ。

2.2秒計(jì)數(shù)器

秒分頻計(jì)數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字，計(jì)數(shù)完成后自動(dòng)清零，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_ZdZH5" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?010的同時(shí)高位的變?yōu)?101時(shí)，將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中，此時(shí)74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計(jì)數(shù)器的同步置零。

2.3分計(jì)數(shù)器

分的個(gè)位和十位計(jì)數(shù)單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和秒的是一樣的，只是它要把進(jìn)位信號(hào)傳輸給時(shí)的個(gè)位計(jì)數(shù)單元。

2.3時(shí)計(jì)數(shù)器

秒分頻計(jì)數(shù)器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也就是說只能記住十個(gè)數(shù)字，計(jì)數(shù)完成后自動(dòng)清零，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，而74LS20內(nèi)部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制的計(jì)數(shù)器當(dāng)?shù)臀坏?img id="aimg_RyQy2" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="105" height="31" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/g/160/160.004.jpg" border="0" alt="" />變?yōu)?011的同時(shí)高位的變?yōu)?010時(shí)，將高位和低位各置1的引腳接入到74LS20的一組四輸入與非門中，此時(shí)74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計(jì)數(shù)器的同步置零。

2.4校時(shí)電路

剛接通電源或走時(shí)不準(zhǔn)時(shí)，都需要進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。理論上校時(shí)電路是可以通過直接與脈沖源相接而獲得脈沖頻率。但是因?yàn)閷?shí)物電路的硬件緣故。在按下和彈開按鈕的瞬間，數(shù)碼管的數(shù)字會(huì)因?yàn)榘粹o的接觸原因而抖動(dòng)。這就導(dǎo)致了在較好之間后想結(jié)束校時(shí)，因?yàn)榘粹o抖動(dòng)的原因，時(shí)間又改變了。相當(dāng)于無校時(shí)功能。實(shí)現(xiàn)校時(shí)電路的方法有很多，采用基本R-S觸發(fā)器構(gòu)成單脈沖發(fā)生器是其中的一種。RS觸發(fā)器具有置位、復(fù)位和保持（記憶）的功能，可以消除抖動(dòng)，所以決定用這個(gè)比較簡單的校時(shí)電路。

總原理圖如圖4.1所示

圖4.1總原理圖

1.1總體仿真電路1

1.2總體仿真電路2

2.1秒計(jì)數(shù)器仿真分析

圖5.2.1為秒計(jì)數(shù)器仿真分析

圖5.2.1秒計(jì)數(shù)器仿真分析

分析結(jié)果為秒計(jì)數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

2.2分計(jì)數(shù)器仿真分析

圖5.2.2為分計(jì)數(shù)器仿真分析

圖5.2.2分計(jì)數(shù)器仿真分析

分析結(jié)果為分計(jì)數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

2.3時(shí)計(jì)數(shù)器仿真分析

圖5.2.3為時(shí)計(jì)數(shù)器仿真分析

圖5.2.3時(shí)計(jì)數(shù)器仿真分析

分析結(jié)果為時(shí)計(jì)數(shù)器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

2.4555振蕩器仿真分析

圖5.2.4為555振蕩器仿真分析

圖5.2.4　555振蕩器仿真分析

分析結(jié)果為555振蕩器的功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

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