數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、計數器、譯碼器和數碼顯示器4個部分組成。

圖一  數字鐘電路的基本組成（方框圖）

數字鐘是一個將“時”，“分”，“秒”顯示于人的視覺器官的計時設計裝置。他的計時周期為24小時，顯示滿刻度為23時59分59秒。因此，一個基本的數字鐘電路主要由譯碼顯示器、“時”，“分”，“秒”，計數器、校時電路和振蕩器組成。數字鐘實際上是一個對標準頻率進行計數的計數電路，由于計數的起始時間不可能與標準時間一致，故需要在電路上加一個校時電路，同時標準的1HZ時間信號必須做到準確穩定，通常使用石英晶體振蕩器電路。

1.1時鐘模塊

考慮到數字鐘對精度要求較高，故時鐘模塊是由555計時器組成的振蕩電路，其在電路中直接產生頻率為1HZ的脈沖信號。圖3.1.1為由555計時器所構成的。

圖3.1.1時鐘模塊

1.2分頻計數器

設計的60和24進制加法計數器都大于一個74LS160N的計數范圍，所以需要級聯。當且僅當秒的個位計數到10的瞬間，即輸出為1010時，向本位發送一個清零信號，并同時向十位發送一個進位脈沖。但由于74LS160N的清零方式為異步清零，這種清零方式會導致清零的不可靠。所以必須要把脈沖調整到一個較低的周期，才會產生有效地清零和進位信號。兩片74LS160N的預置是同步的，利用預置端的ABCD四個端口來實現清零。把A-D接地后，當置入控制器LOAD為低電平時，在CLK上升沿作用下，輸出端QA-QD會與數據輸入端A-D相一致。通過采用預置的方式，可以確保清零的穩定。但為了使清零和進位同步進行，在清零的輸出端需要引出一根線，加上非門引入下一級計數器的輸入端。這種可以實現多重清零的方式，也可以實現24進制用10進制顯示，而且清零和進位的可靠性與同步性得到了極大地提高。

1.3秒計數器

由于時鐘模塊分頻后可直接產生1Hz的標準脈沖時鐘信號，所以可以直接把所得的1Hz信號作為秒位計數器的時鐘信號。使用兩片同步加法計數器74LS160N構成60進制加法計數器作為秒計時器，同時在設計的時候，也應用到了74LS20N這個雙4輸入與非門集成電路，其在電路中充當與非門的作用。在秒的個位計數到10的瞬間，向十位發送一個進位脈沖。秒的十位加法計數器在計數到6的瞬間，向74LS20N發送清零信號。這樣就構成了一個級聯而形成的60進制帶進位與清零的加法計數器。圖3.1.3為秒計時器的電路圖。

圖3.1.3秒計數器

1.4分計數器

按照同樣的方法，可以構成分位的計數器。圖3.1.4為秒計時器的電路圖。

圖3.1.4分計數器

1.5時計數器

秒分頻計數器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進制計數器，也就是說只能記住十個數字，計數完成后自動清零，同時產生一個進位信號，而74LS20內部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計數器是60進制的計數器當低位的變為0011的同時高位的變為0010時，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74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計數器的同步置零。

圖3.1.5為秒計時器的電路圖。

圖3.1.5時計數器

1.6校時電路

當數字鐘走時出現誤差時，需要校正時間。校時電路實現對“時”“分”“秒”的校準。在電路中設有正常計時和校對位置。本實驗實現“時”“分”“秒”的校對。

對校時的要求是，在小時校正時不影響分和秒的正常計數；在分校正時不影響秒和小時的正常計數，在秒校正時不影響分和小時的正常計數。圖3.1.6為校時電路。

圖3.1.6校時電路

1.7顯示模塊

現在的許多電器設備上都有顯示十進制字符的字符顯示器，以直觀的顯示出電器設備的運行數據。目前廣泛使用的字符顯示器是七段字符顯示器，或稱七段數碼管。常見的七段數碼管有液晶顯示數碼管和半導體數碼管兩種。 半導體數碼管是由七段發光二極管（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

顯示計數結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時鐘模塊

555定時器的內部電路由分壓器、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，其內部結構圖如圖3.2.1所示。

圖3.2.1　555定時器內部結構圖

555定時器的功能表如下表所示

555定時器功能表

用555定時器組成多諧振蕩器時，在接通電源后，電容C被充電，當上升到時，使為低電平，同時放電三極管導通，此時電容C通過和放電，下降。　當下降到時，翻轉為高電平。電容器C放電所需的時間為

當放電結束時，T截止，將通過、向電容器C充電，由上升到所需要的時間為

　　當上升到時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。其振蕩頻率為

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

2.2秒計數器

秒分頻計數器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進制計數器，也就是說只能記住十個數字，計數完成后自動清零，同時產生一個進位信號，而74LS20內部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計數器是60進制的計數器當低位的變為1010的同時高位的變為0101時，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74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計數器的同步置零。

2.3分計數器

分的個位和十位計數單元的狀態轉換和秒的是一樣的，只是它要把進位信號傳輸給時的個位計數單元。

2.3時計數器

秒分頻計數器采用兩片74LS160和一片74LS20組成，74LS160是十進制計數器，也就是說只能記住十個數字，計數完成后自動清零，同時產生一個進位信號，而74LS20內部由兩組4輸入與非門組成；秒分頻計數器是60進制的計數器當低位的變為0011的同時高位的變為0010時，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74LS20輸出低電平，將其接入兩片74LS160的置零端從而完成兩片計數器的同步置零。

2.4校時電路

剛接通電源或走時不準時，都需要進行時間校準。理論上校時電路是可以通過直接與脈沖源相接而獲得脈沖頻率。但是因為實物電路的硬件緣故。在按下和彈開按鈕的瞬間，數碼管的數字會因為按鈕的接觸原因而抖動。這就導致了在較好之間后想結束校時，因為按鈕抖動的原因，時間又改變了。相當于無校時功能。實現校時電路的方法有很多，采用基本R-S觸發器構成單脈沖發生器是其中的一種。RS觸發器具有置位、復位和保持（記憶）的功能，可以消除抖動，所以決定用這個比較簡單的校時電路。

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秒計數器仿真分析

圖5.2.1為秒計數器仿真分析

圖5.2.1秒計數器仿真分析

分析結果為秒計數器的功能能夠正常實現。

2.2分計數器仿真分析

圖5.2.2為分計數器仿真分析

圖5.2.2分計數器仿真分析

分析結果為分計數器的功能能夠正常實現。

2.3時計數器仿真分析

圖5.2.3為時計數器仿真分析

圖5.2.3時計數器仿真分析

分析結果為時計數器的功能能夠正常實現。

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

分析結果為555振蕩器的功能能夠正常實現。

本人初學,僅供參考,存在錯誤和不足之處,請大家回帖多多指教,切勿照搬,文件下載:

數字鐘Multisim仿真和文檔.7z (1.91 MB, 下載次數: 108)