数字钟的设计与仿真

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1 绪论

1.1 课题研究的意义

古往今来，时间，是一个任何物种都无法避开的话题。植物生长需要时间，人类成长需要时间，完成作业需要时间，上班要准时，开会需要有时间限制，工业生产中，每一道工序都需要有严格的时间限制，才能够做到井然有序，严谨的科技研究中，时间更是重中之重。然而时间的存在必须要有度量的仪器，才能让主宰世界的人类更加直观的看到时间的流逝，因此人类发明了时钟，使得各项生产和生活得以度量和持续。

古时科技落后，但人类也可以根据日照的变化来计量时间的流逝；随着人类科技文明的发展，时钟的变革被加快，人类不再仅仅满足于日出而作、日落而息的生活，在日常生活中对时钟的要求也不断提高。在公元1300年以前，人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。例如，日晷是利用日影的方位计时；漏壶和沙漏是利用水流和沙流的流量计时。东汉张衡制造漏水转浑天仪，用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来，漏壶滴水推动浑象均匀地旋转，一天刚好转一周，这是最早出现的机械钟。1350年，机械打点塔钟被设计出来，设计者是意大利的丹蒂，这款时钟实现了日差从15到30分钟，但是只有时针，缺少分针和秒针；从1500年到1510年，一直使用的重锤被钢发条取代，使用冕状轮擒纵机构的小型机械钟被创造出来，创造者是德国的亨莱思；1582年前后，重力摆被发明出来；1657年，通过把重力引入机械时钟，摆钟被一名荷兰人惠更斯设计出来。18～19世纪，钟表制造业已逐步实现工业化生产，并达到相当高的水平。20世纪，随着电子工业的迅速发展，电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字式石英电子钟表相继问世，钟表的日差已小于0.5秒，钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期。

从古代的滴漏更鼓到近代的机械钟，从电子表到目前的数字时钟，为了适应生活、科技等领域对时间准确的测量和记录的要求，人类一直在努力改进计时工具。

数字化的电子技术已经成为几乎所有电子技术的应用及发展趋势，数字信号在与模拟信号相比时，体现出了其对信号处理方面的优势，为研究及应用电路逻辑、器件集成上发挥着无可替代的作用。在实际应用中，各行各业的数字电子技术已深入研究应用的各个领域。比如，20世纪中叶，开始随着微电子和信息产业的发展，新技术有力的支持电能表的革新，先是有高精度电子式标准电能表的出现满足了校验技术的要求，继而70年代已开始商业化应用电子式电能表于大工业用户电能计量。

数字跑表，是一种现代计时装置，采用了数字电路设计技术，实现了“时”、

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“分”、“秒”显示功能，更值得一提的是其“百分秒”功能，具有更改的精度，而且与机械秒表相比，可靠性更高、显示也直观，没有类似机械秒表的机械磨损，因而被应用与生活中的方方面面，比如工作、体育运动等方面。目前，数字跑表的功能越来越强大，已经发展为使用单片机进行控制跑秒，或者使用更复杂的可编程逻辑器件进行控制，比如可编程逻辑控制器（PLC）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等可编程器件。

数字时钟则是以数字电路为基础，综合了模拟电路和电路基础知识设计出来的一种对时、分、秒进行时间数字显示的装置。它是以不同的计数器为基本单元构成的，用途十分广泛，只要有计时、计数的存在，便要用到数字钟的原理及结构，由于数字集成电路的发展和石英晶体振荡器的广泛应用，使得数字钟的精度远远超过老式钟表，在给人们生活带来了极大的方便之外，大大的扩展了钟表原先的报时功能。目前，数字钟的功能越来越强，不仅仅是一个数字电路，它在其他领域也有相当大的发展空间，诸如按时自动闹铃、定时启闭电路、定时自动报警器、定时开关烘箱、通断动力设备、时间程序自动控制、定时广播，甚至各种定时电气的自动启用等。所有这些都是以钟表数字化为基础的。因此研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。

1.2 国内外研究现状、水平和发展趋势

现今，OrCAD、Protel、Saber、Multisim等电路仿真软件的功能越来越强大，在电子技术中的应用越来越广泛。采用软件仿真的方法，在计算机上虚拟出元器件品种齐全、含有丰富测试仪器的电子工作台，可以克服条件限制，避开实验室的不良实验条件，减少了物理实验时的物理损坏等不利情况。使用基于计算机平台的电路设计和仿真软件，可以完成电路的性能分析、功能设计、时序测试，甚至完成PCB自动元器件排序、布线，这样大大提高了工作效率，也提高了电路设计的准确率，减少出错，这是人工实验和设计所无法比拟的。

有关专家分析指出，我国电子商务的基础设施日益完善，三网合一潮流势不可挡，高速宽带互联网将扮演越来越重要的角色，移动通讯将成为进行电子商务的主要媒介。而今，我们已进入了数字时代，数字钟的使用将会越来越受欢迎。数字钟未来将呈现出个性化、专业化的趋势，而且每个网站在资源方面总是有限的，客户的需求又是全方位的，所以不同类型的网站以战略联盟的形式进行相互协作也是必然趋势，数字钟的实现，更体现了这一点。数字钟正在快步的走进千家万户，给人们带来方面。

由于人们生活环境在不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用的LED数字电子钟已经成为一种时尚。但目前市场上各式各样的LED数字电子钟大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂，功率损耗大等缺点。因此有必要对数字电子钟进行改进。钟表的

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数字化给人们生产生活带来了极大的方便，深受广大消费者的喜爱，而且大大的扩展了钟表原先的报时功能，与机械钟相比具有更高的准确性和直观性，具有更长的寿命。

随着科学技术的发展，电子产品更新速度越来越快，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向迅速发展，电子技术的发展有力的推动社会生产力的发展。

在高科技快速发展的当下，人们对电子产品的要求更是越来越高，其中，时钟被赋予了新的内容和含义，其所表现出来的形式和功能也不尽相同。具有基础计时功能的时钟，被设计成闹钟、手表、怀表、电子时钟、电子秒表、数字式智能时钟、LED显示时钟等等，外形有桌面式、手表式、挂式、液晶显示式等等不一而足，甚至当前所有的电子设备把计时功能作为最基础的产品功能点；大众化的时钟均具备了计时、闹钟、正点报时、日历显示、待办事务提醒等功能，这些功能的实现均以数字化为导向，并不断推进时钟的发展。

目前国内外已有多种数字时钟设计成果：

（1）采用规范的硬件描述语言VHDL语言设计的多功能数字钟； （2）运用低成本数字集成电路和配套的LED显示器组成的数字钟； （3）利用汇编语言编程、单片机为中心控制单元，设计的数码管或液晶显示时、分、秒的时钟等等；

数字时钟具有走时准确、校时方便、设计和使用简单的特点，同时能实现定时和报时功能，它已经成为人们生活中必不可少的一种工具，尤其是在这个讲究效率的年代，时钟更是在人类生产、生活、学习等多个领域得到广泛的应用。通过Multisim软件对数字时钟设计和仿真具有很好的实际意义，为了满足生活中存在的各式各样的需求，设计出更多更丰富的时钟形式也成为科研人员不断努力的方向，可以预见先进的电子钟的研究有着良好的发展前景和市场潜力。

1.3 本文设计目的和研究内容

1.3.1 本文设计目的

本文是以数字电路为设计基础，探究多功能数字钟的设计方法。数字钟由组合逻辑电路和时序电路组成，通过对数字钟的设计，可以更好的了解、学习和掌握组合逻辑电路和时序电路的原理知识和使用方法，同时，本设计是基于Multisim软件实现电路设计和仿真，使用Altium Designer软件完成原理图绘制和PCB制板，在电路设计的过程中，采用由简入深、由原理框图到实际电路图的模式，明确设计步骤，理清设计的各个环节，将各个电路功能模块化，使得整体的电路更加清晰易懂。

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1.3.2 本文研究内容

本课题主要是根据数字电子钟的工作原理和经典基本电路，实现数字钟基本功能，使用Multisim仿真软件完成调试和仿真，利用Altium Designer完成原理图绘制和PCB制板。同时，添加整点报时和手动校时功能模块，完善数字钟功能，增强其实用性。课题主要完成一个小时从00到23（24小时制）或从00到11（12小时制），具有时、分、秒的十进制数字显示的计数器，同时，这个计数器具有一些功能，比如:具有自动校时、校分的功能、在每个整点完成相应点数的报时功能，另外，利用Multisim软件完成电路设计的同时进行电路逻辑分析，进而得到仿真波形。

在实现电路设计和仿真的过程中，加深对设计所用中等规模集成电路的理解，包括从功能上、设计逻辑上以及电路设计上。在电路设计时，由于同一个功能的实现可以采用不同的集成电路芯片实现，因此，了解几个常用的逻辑电路的引脚功能和设计方法是非常有必要的。经过此次电路设计和仿真，不仅仅提高了自己对基础知识的掌握能力，还进一步加深了对电路设计的理解。根据以往的电路设计经验，在电路设计和搭建过程中会遇到各种各样的问题，而如何较好的解决这些问题，是一个电路设计人员必须具备的能力。本次实验收获足够的电路设计和调试经验也是研究内容之一。

2 EDA软件和数字电路设计

这里介绍一下仿真软件Multisim、电路设计软件Altium Designer以及它们的使用方法，重点介绍电路设计的方法和在使用软件进行电路设计时需要注意的问题。

2.1 仿真软件Multisim

Multisim以Windows操作系统为基础，是由美国国家仪器有限公司（National Instrument，简称NI公司）推出的仿真工具。Multisim软件是迄今为止在电路级仿真上表现最为出色的软件，相对于其他EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，并且提供更加丰富的元件库、仪表库和各种分析方法，有了Multisim软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真和分析工作。当然，Multisim软件不仅仅局限于电子电路的虚拟仿真，其在LabVIEW虚拟仪器、单片机仿真等技术方面都有更多的创新和提高，属于EDA技术的更高层次范畴。

本次试验使用的Multisim版本主要为NI Multisim 10版本，其主要性能特性如下：

（1）NI Multisim 10从一定程度来说，实现了软件与物理元器件特性的结合，根据实际使用的元器件特性虚拟出对应的电子元器件，甚至电工仪器和仪表，完