基于Proteus仿真軟件的數(shù)字電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李菲 張曉榮

摘要：數(shù)字電子時(shí)鐘是一種常見的電子設(shè)備，在介紹數(shù)字電子時(shí)鐘基本工作原理和功能要求的基礎(chǔ)上，使用Proteus仿真軟件對(duì)數(shù)字電子時(shí)鐘電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，通過選擇合適的中規(guī)模集成電路芯片、外圍元器件和連線方式，設(shè)計(jì)了一款計(jì)時(shí)電路，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電子時(shí)鐘的時(shí)、分和秒的計(jì)數(shù)、顯示以及時(shí)、分電路的校時(shí)功能。通過仿真驗(yàn)證，確保了數(shù)字電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)的正確性和可靠性，同時(shí)加深了對(duì)數(shù)字電路理論知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電子時(shí)鐘；Proteus；計(jì)數(shù)器；反饋?zhàn)R別碼；校時(shí)

中圖分類號(hào)：TP331.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）34-0041-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

數(shù)字電子時(shí)鐘在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著不可或缺的角色，廣泛應(yīng)用于個(gè)人家庭、公共場(chǎng)所、工業(yè)生產(chǎn)等各種領(lǐng)域，便于人們更好地掌握時(shí)間、提高工作效率，為日常生活帶來便利和舒適。數(shù)字電子時(shí)鐘是一種以數(shù)字形式顯示時(shí)間的時(shí)鐘裝置，既可以通過數(shù)字顯示方式，以小時(shí)、分鐘和秒為單位，清晰直觀地展示當(dāng)前的時(shí)間信息，又可以對(duì)時(shí)、分、秒進(jìn)行校時(shí)，獲取準(zhǔn)確的時(shí)間[1]。

數(shù)字電子時(shí)鐘一般由時(shí)鐘源、計(jì)數(shù)器、譯碼器、顯示器及校時(shí)等部分組成，其工作原理不僅涵蓋了數(shù)字電路的基本組成部分，還可以將零散的數(shù)字電路知識(shí)有機(jī)、系統(tǒng)地聯(lián)系起來，既有助于培養(yǎng)綜合分析和調(diào)試電路的能力，又可將理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中，提升電路設(shè)計(jì)和調(diào)試方面的技能 [2]。

1 Proteus仿真軟件介紹

Proteus仿真軟件是由英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，是一款常用的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA） 軟件，它主要用于電路設(shè)計(jì)、仿真和PCB布局設(shè)計(jì)。Proteus提供了一個(gè)強(qiáng)大的圖形化界面，允許用戶設(shè)計(jì)和模擬各種電子電路，包括模擬電路、數(shù)字電路和混合信號(hào)電路，用戶可以添加和連接各種電子元件，并進(jìn)行仿真分析以驗(yàn)證電路的功能和性能。

Proteus軟件的用戶界面主要由標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、預(yù)覽窗口、元件選擇按鈕、元件列表、模式工具欄、仿真調(diào)試按鈕、工作區(qū)等部分組成，如圖1所示。點(diǎn)擊元件選擇按鈕中的放置元件按鈕“P”，則會(huì)彈出元件選擇窗口，在左上角“Keywords”元件關(guān)鍵字處輸入需要的元件的英文名稱或英文關(guān)鍵字，如想要搜索電阻可輸入電阻的英文關(guān)鍵字“res”，界面的正中間則會(huì)出現(xiàn)元件搜索結(jié)果，選中需要的元件，右側(cè)上方則會(huì)出現(xiàn)該元件預(yù)覽圖，右側(cè)下方則會(huì)出現(xiàn)該元件封裝圖，點(diǎn)擊“確定”按鈕，則選中的元件將會(huì)出現(xiàn)在用戶界面的元件列表區(qū)。在進(jìn)行原理圖繪制時(shí)，可將元件列表區(qū)中的元件選中并放置在原理圖用戶界面的工作區(qū)，進(jìn)行相關(guān)屬性設(shè)置并完成相應(yīng)的連線，便可進(jìn)行仿真調(diào)試，觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)?；赑roteus仿真軟件的電路設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義，可為電路的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供有效的工具和指導(dǎo)。

2 數(shù)字電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字電子時(shí)鐘結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字電子時(shí)鐘能夠以小時(shí)、分鐘、秒為單位進(jìn)行數(shù)字符號(hào)顯示，同時(shí)為了確保時(shí)間的準(zhǔn)確性和一致性，具有“時(shí)”和“分”的校正功能[3]。數(shù)字電子時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，計(jì)數(shù)器是數(shù)字電子時(shí)鐘的核心器件，時(shí)計(jì)數(shù)器是24進(jìn)制，分計(jì)數(shù)器和秒計(jì)數(shù)器是60進(jìn)制，而計(jì)數(shù)器的工作又離不開時(shí)鐘信號(hào)，晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過分頻后，可得到1Hz的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，送入秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行秒計(jì)數(shù)。在秒計(jì)數(shù)器完成一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)時(shí)，秒計(jì)數(shù)器可向分計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)秒進(jìn)位信號(hào)，使分計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；在分計(jì)數(shù)器完成一個(gè)計(jì)數(shù)循環(huán)時(shí)，分計(jì)數(shù)器可向時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一個(gè)分進(jìn)位信號(hào)，使時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。所有的計(jì)數(shù)結(jié)果可通過譯碼器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示出數(shù)字符號(hào)。當(dāng)數(shù)字電子時(shí)鐘顯示異常時(shí)，可通過秒信號(hào)對(duì)分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行校正。故可通過數(shù)據(jù)選擇器選擇分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器的功能，若數(shù)據(jù)選擇器選中秒或分進(jìn)位信號(hào)進(jìn)行輸出，則數(shù)字電子時(shí)鐘正常走時(shí)；若數(shù)據(jù)選擇器選中秒信號(hào)進(jìn)行輸出，則對(duì)數(shù)字電子時(shí)鐘的分計(jì)數(shù)電路或者時(shí)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.2 譯碼顯示電路的設(shè)計(jì)

譯碼顯示電路采用譯碼器來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示管，將時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為七段數(shù)碼管所需的電信號(hào)來顯示十進(jìn)制的數(shù)字符號(hào)，一個(gè)譯碼器驅(qū)動(dòng)一個(gè)數(shù)碼顯示管顯示一位數(shù)字符號(hào)。七段數(shù)碼顯示管由a、b、c、d、e、f、g七段發(fā)光二極管構(gòu)成，有共陽極連接方式和共陰極連接方式。在本設(shè)計(jì)中，采用共陽極數(shù)碼顯示管，即七段發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接高電平信號(hào)，若某一段發(fā)光二極管的陰極接低電平信號(hào)，則二極管導(dǎo)通，有電流流過，該段發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，如圖4所示。

低電平輸出的譯碼器可以驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù)碼管，本設(shè)計(jì)選用74LS247譯碼器。74LS247是一款集成4線—7段譯碼器，其中A、B、C、D為譯碼地址輸入端，為BCD碼輸入；QA～QG為7段輸出，低電平有效，與共陽極數(shù)碼管相連；/BI為消隱輸入端、/RBO為脈沖消隱輸出端、/RBI為脈沖消隱輸入端、/LT為測(cè)試輸入端，均為低電平有效，在不使用時(shí)可接高電平信號(hào)。輸入端的BCD碼信號(hào)可通過74LS247譯碼器驅(qū)動(dòng)共陽極數(shù)碼管顯示數(shù)字符號(hào)，譯碼顯示電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2.3 計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用場(chǎng)合較多的時(shí)序邏輯電路，常用于對(duì)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。隨著集成電路的發(fā)展，使用集成計(jì)數(shù)器芯片可構(gòu)建任何進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，這可以通過兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)，一種是反饋清零法，另一種是反饋置數(shù)法[4]。本設(shè)計(jì)采用反饋清零法，通過控制計(jì)數(shù)器的清零端口，在計(jì)數(shù)過程中截取某個(gè)特定的中間狀態(tài)，將計(jì)數(shù)器從該狀態(tài)返回到清零端口并重新進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)清零操作，并使計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)。

數(shù)字電子時(shí)鐘的計(jì)時(shí)電路由時(shí)計(jì)數(shù)電路、分計(jì)數(shù)電路、秒計(jì)數(shù)電路三部分組成，秒計(jì)數(shù)和分計(jì)數(shù)電路是60進(jìn)制計(jì)數(shù)，時(shí)計(jì)數(shù)電路則是24進(jìn)制計(jì)數(shù)。一般采用兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)便可構(gòu)成60進(jìn)制或24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。采用不同型號(hào)的集成電路芯片，連線方式也不盡相同。本設(shè)計(jì)采用74LS90集成計(jì)數(shù)器芯片來實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒的計(jì)數(shù)。

1） 74LS90芯片介紹

74LS90是一款二-五-十進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器，具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能。該芯片具有14個(gè)管腳，其中CKB、CKA端為脈沖輸入端；R0（1）、R0（2）為清零端口；R9（1）、R9（2）為置數(shù)端口；Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端口，用以連接譯碼器74LS247的輸入端口；4號(hào)管腳和13號(hào)管腳懸空；5號(hào)管腳接電源VCC；10號(hào)管腳接地GND，如圖6所示。當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)從CKA端口輸入，Q0輸出為二進(jìn)制計(jì)數(shù)；當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)從CKB端口輸入，Q3、Q2、Q1輸出為五進(jìn)制計(jì)數(shù)；當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)從CKA端口輸入，且Q0與CKB相連，則輸出Q3、Q2、Q1、Q0為十進(jìn)制計(jì)數(shù)。由于74LS90是一款異步計(jì)數(shù)器，采用反饋清零法進(jìn)行級(jí)聯(lián)使用，若構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，則其有效循環(huán)狀態(tài)為0～N-1，產(chǎn)生清零信號(hào)的狀態(tài)，即反饋?zhàn)R別碼為N，當(dāng)計(jì)數(shù)至N時(shí)，將N反饋至R0（1）、R0（2）清零端口，計(jì)數(shù)器將被復(fù)位，N狀態(tài)有一個(gè)極短暫的過程，一旦計(jì)數(shù)器復(fù)位，該狀態(tài)便消失了，計(jì)數(shù)器則從零再次開始計(jì)數(shù)。

2） 六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

數(shù)字電子時(shí)鐘的“分”和“秒”均采用的是60進(jìn)制計(jì)數(shù)，可采用兩片74LS90級(jí)聯(lián)成60進(jìn)制。首先需要將兩片74LS90連接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，將Q0接至CKB端口，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制輸出。U1為十位計(jì)數(shù)，U2為個(gè)位計(jì)數(shù)，當(dāng)來一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)器加1，故U2芯片的14號(hào)引腳CKA接外部脈沖信號(hào)，U2芯片為十進(jìn)制計(jì)數(shù)，當(dāng)從0計(jì)數(shù)至9時(shí)，再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，需要向高位進(jìn)1，故需要將U2的最高位輸出Q3連接至U1芯片的脈沖信號(hào)輸入端CKB。十位計(jì)數(shù)芯片U1需要實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制計(jì)數(shù)，故6個(gè)輸出有效狀態(tài)為0000～0101，當(dāng)反饋?zhàn)R別碼為0110時(shí)，U1需被強(qiáng)制清零，即當(dāng)Q2=1且Q1=1時(shí)，U1清零，可將Q2和Q1分別與U1清零端R0（1）、R0（2）相連，從而實(shí)現(xiàn)六進(jìn)制計(jì)數(shù)，60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)原理圖如圖7所示。

3） 二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

數(shù)字電子時(shí)鐘的“時(shí)”采用的是24進(jìn)制計(jì)數(shù)，故也需要兩片74LS90芯片級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)原理圖如圖8所示。首先需要將兩片74LS90連接成十進(jìn)制計(jì)數(shù)，將Q0接至CKB端口，實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制輸出。U1為高位，U2為低位，低位U2的最高位輸出Q3連接至U1的脈沖輸入端口CKA；當(dāng)反饋?zhàn)R別碼為“0010 0100”時(shí)，即U1計(jì)數(shù)至“0010”且U2計(jì)數(shù)至“0100”時(shí)，計(jì)數(shù)器將被清零，故可將芯片U1的Q1和芯片U2的Q2分別與U1、U2清零端R0（1）、R0（2）相連，當(dāng)計(jì)數(shù)至“0010 0100”時(shí)，瞬間將計(jì)數(shù)器清零，計(jì)數(shù)器則從零開始再次進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.4 校時(shí)電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)字電子時(shí)鐘剛開啟使用或者出現(xiàn)時(shí)間誤差時(shí)，需要對(duì)數(shù)字電子時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。時(shí)間校準(zhǔn)包括對(duì)小時(shí)和分鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)也可以對(duì)秒進(jìn)行校準(zhǔn)。若對(duì)秒電路進(jìn)行校準(zhǔn)，則校準(zhǔn)的脈沖頻率必須大于秒電路的脈沖頻率，秒電路正常走時(shí)的脈沖頻率為1Hz，則校準(zhǔn)頻率必須大于1Hz，校準(zhǔn)脈沖頻率較快，故一般情況下不對(duì)秒電路進(jìn)行校準(zhǔn)[5]。

分計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)是秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)，即60秒進(jìn)位一次；時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)是分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)，即60分鐘進(jìn)位一次，若想對(duì)分計(jì)數(shù)器和時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行校時(shí)，需要改變兩個(gè)計(jì)時(shí)電路的時(shí)鐘信號(hào)，讓它們的計(jì)數(shù)頻率變得很快，在這里可以選用秒脈沖信號(hào)作為時(shí)鐘信號(hào)，來一次秒脈沖信號(hào)，分計(jì)數(shù)器或時(shí)計(jì)數(shù)器加1，直至跳變到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，然后再切換到原來的脈沖信號(hào)進(jìn)行正常計(jì)時(shí)。需要在秒信號(hào)和進(jìn)位信號(hào)之間進(jìn)行選擇，故可采用數(shù)據(jù)選擇器來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用集成電路芯片74LS153，74LS153為雙4選1數(shù)據(jù)選擇器，其作用相當(dāng)于兩個(gè)單刀四擲開關(guān)，其中X0～X3為數(shù)據(jù)輸入端，/E為選通輸入端，B、A為地址輸入端，兩路數(shù)據(jù)選擇器共用地址輸入端。當(dāng)/E為低電平信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器正常工作，Y輸出被選數(shù)據(jù)；當(dāng)/E為高電平信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)選擇器無法工作。

校時(shí)電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖9所示，第1路數(shù)據(jù)選擇器用來校驗(yàn)分計(jì)數(shù)器，第2路數(shù)據(jù)選擇器用來校驗(yàn)時(shí)計(jì)數(shù)器。當(dāng)?shù)刂份斎攵薆、A為“11”時(shí)，1X3和2X3有效，1路輸出1Y=1X3，輸出秒向分的進(jìn)位信號(hào)，2路輸出2Y=2X3，輸出分向時(shí)的進(jìn)位信號(hào)，計(jì)數(shù)器正常走時(shí)。當(dāng)?shù)刂份斎攵薆、A為“10”時(shí)，1X2和2X2有效，1路輸出1Y=1X2，輸出秒脈沖信號(hào)，2路輸出2Y=2X2，輸出分向時(shí)的進(jìn)位信號(hào)，時(shí)計(jì)數(shù)器正常走時(shí)，分計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)功能。當(dāng)?shù)刂份斎攵薆、A為“01”時(shí)，1X1和2X1有效，1路輸出1Y=1X1，輸出秒向分的進(jìn)位信號(hào)，2路輸出2Y=2X1，輸出秒脈沖信號(hào)，分計(jì)數(shù)器正常走時(shí)，時(shí)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)功能。

3 基于Proteus軟件的數(shù)字電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)

基于數(shù)字電子時(shí)鐘的設(shè)計(jì)原理，在Proteus軟件中進(jìn)行原理圖的搭建并進(jìn)行仿真，仿真電路如圖10所示。芯片U11和U12兩片74LS90計(jì)數(shù)器連接成24進(jìn)制計(jì)數(shù)，從而與兩片74LS247譯碼器相連，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)共陽極數(shù)碼管顯示小時(shí)計(jì)時(shí)；芯片U9、U10兩片74LS90計(jì)數(shù)器連接成60進(jìn)制計(jì)數(shù)，從而與兩片74LS247譯碼器相連，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)共陽極數(shù)碼管顯示分鐘計(jì)時(shí)；芯片U7、U8兩片74LS90計(jì)數(shù)器連接成60進(jìn)制計(jì)數(shù)，從而與兩片74LS247譯碼器相連，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)共陽極數(shù)碼管顯示秒計(jì)時(shí)，秒電路的時(shí)鐘脈沖信號(hào)為外部輸入的標(biāo)準(zhǔn)1Hz脈沖信號(hào)。U13為雙路四選一數(shù)據(jù)選擇器74LS153，參考圖9所示的接法分別與時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)電路進(jìn)行相連。

機(jī)械開關(guān)SW1和SW2將產(chǎn)生電平信號(hào)從而控制數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，但機(jī)械開關(guān)通常都會(huì)存在一個(gè)抖動(dòng)問題，即機(jī)械開關(guān)的一次閉合有可能產(chǎn)生兩個(gè)及以上的有效脈沖信號(hào)，這將不利于時(shí)間的校正。故為了消除機(jī)械開關(guān)的抖動(dòng)問題，選用一顆74LS175集成D觸發(fā)器芯片U14，將機(jī)械開關(guān)的輸出經(jīng)過D觸發(fā)器連接至數(shù)據(jù)選擇器的地址輸入端，從而確保數(shù)據(jù)選擇器U13的地址輸入端S1和S2有且僅有一個(gè)有效脈沖信號(hào)，從而對(duì)數(shù)字電子時(shí)鐘進(jìn)行準(zhǔn)確的校時(shí)。

4 結(jié)論

數(shù)字電子時(shí)鐘是一種計(jì)時(shí)裝置，具有時(shí)、分、秒計(jì)時(shí)功能和顯示時(shí)間功能。本文在Proteus仿真軟件中，利用中小規(guī)模集成電路74LS247譯碼器、74LS90計(jì)數(shù)器、74LS153數(shù)據(jù)選擇器、74LS175 D觸發(fā)器等芯片以及外圍電路設(shè)計(jì)了一款數(shù)字電子時(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)正常走時(shí)以及時(shí)間校準(zhǔn)功能，具有更高的準(zhǔn)確性和直觀性。同時(shí)通過Proteus軟件仿真電路，可以更加直觀、深刻地理解組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路在實(shí)際應(yīng)用中的工作原理，有助于理解數(shù)字電子時(shí)候的設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行過程，并對(duì)電路的功能和準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

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【通聯(lián)編輯：梁書】