基于Multisim的数字时钟的设计及仿真

基于Multisim的数字时钟的设计及仿真 摘  要 随着电子设计自动化(EDA)技术的发展，开创了利用“虚拟仪器”、“虚拟器件”在计算机上进行电子电路设计和实验的新方法。Multisim就是一种能够运用这种新方法的软件，因它直观、便捷的特点使其在电子设计中具有广泛的应用。可以在Multisim软件中进行模拟仿真，避免了实际操作的繁杂和不便，同时节约了实验器材，有助于边学边用，从而学以致用。而数字时钟具有走时精确、校时方便、设计和使用简单的特点，能实现定时和报时功能，得到了广泛使用。通过这个数字时钟的仿真，帮助认识其软件作用，深入分析其原理，帮助了解数字时钟工作原理。 对于Multisim软件进行数字时钟的设计和仿真。我们首先在Multisim软件中创建好数字时钟的总电路图。然后用该软件中的仿真功能进行仿真。正确仿真的数字时钟应具有“秒”、“分”、“时”的十进制数字显示，能够随时校正分钟和小时，当时钟到整点时能够进行整点报时，还能够进行定时设置。 关键词：EDA，Multisim，模拟仿真，数字时钟 Simulation Discussion of Digital Clock Based on Multisim  Author: Huang Sheng Tutor: Si Xiao--ping Abstract Along with the development of Electronic Design Automation(EDA)，a new way of  the electronic circuit design and experiments is created by using virtual instruments and components on computers．Multisim is a software to be able to use this way, because of its intuitive and convenient features of its electronic design with a wide range of applications. Multisim software can be carried out in the simulation, the actual operation to avoid the inconvenience of the complicated and, at the same time to save the experimental equipment, help to learn, and thus apply what they have learned. And go figure, when the clock has precision, school and convenient design and easy to use features, to achieve timing and time functions, have been widely used. Through this figure the simulation clock to help recognize the role of its software, in-depth analysis of its principles, to help understand the working principle of the digital clock. For design and simulation with Multisim software in the digital clock. We first created Multisim software digital clock circuit diagram of the total. And then use the software's simulation features in the simulation. Correct simulation of the digital clock should have "seconds", "sub", "when" the decimal figures, can be corrected at any time minutes and hours, when the bell when the whole point to carry out the whole time, but also can be set from time to time. Key word: EDA，Multisim，Simulation，Digital Clock 目    录 1绪论    1 1.1  课题背景及目的    1 1.2  国内外研究状况    2 1.3  论文的构成及研究内容    2 2设计    4 3 Multisim 10软件介绍    6 3.1  Multisim 10软件简介    6 3.2  Multisim 10软件功能    6 3.3  Multisim 10软件发展    6 3.4  Multisim 10软件分析工具    7 3.5  Multisim 10仿真的基本步骤    7 3.6  Multisim 10意义    8 4数字时钟设计及仿真分析    9 4.1  数字时钟设计概况    9 4.2  数字时钟设计    9 4.2.1 小时计时电路    9 4.2.2 分钟计时电路    11 4.2.3 校时选择电路    12 4.2.4 整点译码电路    13 4.2.5 定时比较电路    14 4.2.6 脉冲产生和分频电路    15 4.2.7 整点报时电路    16 4.3  总体电路设计和仿真分析    17 4.3.1 总体电路设计    17 4.3.2 仿真分析    17 结    论    19 致    谢    20 参考文献    21 1绪论 1.1  课题背景及目的  EDA就是（Electronic Design Automation，电子设计自动化）的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段[1]。 Multisim软件就是EDA中最普遍实用的一种软件。它是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进[2]。 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，尤其是在现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[3]。 1.2  国内外研究状况 Multisim软件在国外应用非常普遍了，各种电子产品的设计基本上都是通过Multisim软件设计出来的。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。现实上的元器件在模拟计算机上都能找到，完全避免了实际操作的繁杂和不便。同时借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。目前在国外已成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。在国外对于电子专业学生来说，学Multisim软件是一门必修课。该软件有一点好处，就是可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学生可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在国外教学活动中已经得到了很好的体现。 近几年Multisim软件才引进中国，在各方面都不成熟，对电子产品的设计基本上还采用手工设计。对于手工设计来说，设计出一个完整的产品需要很长的时间，从中还得不断的修改，补充，很费精力。在国内各大高校，学习Multisim软件非常少见，很多学生都不知道有这么个软件。因此在国内外形成了鲜明的对比[4]。 1.3  论文的构成及研究内容 本论文首先介绍该课题的背景及目的、国内外研究状况、论文的构成及研究内容；其次详细的介绍Multisim 10软件的功能、发展、分析工具、仿真基本步骤和运用软件的意义；最后分析数字时钟各个模块，并且通过Multisim 10软件对数字时钟总体电路进行仿真，得出结果。 此次仿真的数字时钟具有“秒”、“分”、“时”的十进制数字显示，能够随时校正分钟和小时，当时钟到整点时能够进行整点报时，还能够进行定时设置。其涉及的电路由6部分组成。（1）能产生“秒脉冲”、“分脉冲”和“时脉冲”的脉冲产生和分频电路；（2）对“秒脉冲”、“分脉冲”和“时脉冲”计数的计数电路；（3）时间显示电路；（4）校时电路；（5）报时电路；（6）定时输入电路和时间比较电路。由脉冲发生器产生信号通过分频电路分别产生小时计数、分计数、秒计数。当秒计数满60后，分钟加1；当分满60后，时加1；当时计数器计满24时后，又开始下一个循环技术。同时，可以根据需要随时进行校时。把定时信号和显示信号通过比较电路确定能否产生定时报警信号。显示信号通过整点译码电路产生整点报警信号。 2设计方案 数字时钟设计与开发以及仿真分析： 系统具有“时”、“分”、“秒”的十进制数字显示，因此，应有计数电路分别对“秒脉冲”、“分脉冲”和“时脉冲”计数；同时应有时间显示电路，显示当前时间；还应有脉冲产生和分频电路，产生“秒脉冲”、“分脉冲”和“时脉冲” [5]。 系统具有校时功能，因此，应有校时电路，设定数字时钟的当前值。 系统具有整点报时功能，因此，应有译码电路将整点时间识别出来，同时应有报时电路。 系统具有定时功能，因此，应有定时输入电路和时间比较电路。 综上考虑，可如图2.1所示设计数字时钟的电路原理结构图。 图2.1  数字时钟的电路原理结构图 如图2.1所示，数字时钟电路有3个开关，它们的功能如下。 （1）S1：S1为瞬态开关，手动输入计数脉冲。 （2）S2：校时/定时/校时选择电路输入选择开关，当开关切换到上触点，为定时输入；当开关切换到中间触点，为校时输入；当开关切换到下触点，为校时选择电路输入。 （3）S3：为计时/校时选择开关，当开关切换到右边触点时，数字时钟为计时状态；当开关切换到左边触点时，数字时钟为校时状态。 左边两个计数器（小时计数、分计数）接收手动输入脉冲，为定时功能设定定时时间。 右边3个计数器（小时计数、分计数、秒计数）接收手动输入或计时脉冲，实现校时和计时功能。 比较电路是将设定的定时时间和当前的时间进行比较，当两者时间相同时，产生定时报警信号，驱动报警电路。 整点译码电路识别整点时间，以产生整点报时信号。 脉冲产生和分频电路产生数字时钟所需的秒脉冲、分脉冲和小时脉冲。 时间显示电路显示当前时间和定时时间。 3 Multisim 10软件介绍 3.1  Multisim 10软件简介 Multisim的前身是加拿大图像交互技术(IIT)公司生产的EWB，其以Windows为基础，适用于模拟、数字电路设计，随后有多种升级版本诞生，由于仿真功能更强大，因此更名为Multisim。后来，Multisim被美国国家仪器(NI)公司收购，与该公司生产的Labview结合，性能得到了极大的提升。  Multisim 10软件是EWB软件的最新版本，专门用于电路仿真，是迄今为止最易用、 最直观的仿真软件，增加了大量的VHDL元件模型，可以仿真更复杂的数字元件，并且可以对单片机做仿真运行，极大地方便了单片机初学者和单片机开发实验工作者，完全可以脱离实验箱、开发板的束缚，随意在计算机上模拟单片机固件(．hex)的“烧片”和运行结果，配合各种虚拟仪器的使用，可以快速准确地调试程序和硬件连接，而最终取得最佳方案。在保留了EWB形象直观等优点的基础上，大大增强了软件的仿真测试和分析功能，大大扩充了元件库中的元件数目，特别是增加了大量与实际元件对应的元件模型，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。  3.2  Multisim 10软件功能 (1)具有丰富的元件库；(2)类型齐全的仿真；(3)高度集成的操作界面；(4)强大的分析功能；(5)强大的虚拟仪器仪表功能；(6)具有VHDI／Verilog的设计和仿真功能；(7)提供多种输入输出接口(可以与其他EDA软件结合使用)；(8)新增加了对51系列单片机、PIC单片机的完美支持，可以把单片机的实验直接在计算机上模拟运行，得到高精度的仿真数据，使得大规模可编程逻辑器件的设计和仿真与模拟电路、数字电路的设计和仿真融为一体，突破了原来大规模可编程逻辑器件无法与普遍电路融为一体仿真的局限。 3.3  Multisim 10软件发展 EWB虚拟电子工作台软件自发布以来，从EWB4．0发展到现在的Multisim 10，经历了EWB5．0、EWB6．0、Multisim2001、Multisim 7、Multisim 8、Multisim 9等一系列不断升级和完善的过程。最新版本Multisiml0具有如下一些新特点： (1)提升了Multisim的易用性。Multisim软件以图形界面为主，采用菜单、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，设计者可以根据自己的习惯和熟悉程度自如使用。 (2)增加了丰富的电路元件库。扩充了MCU模块，提供了包括INTEL/Atmel 8051/8052和MicrochipPIC16F84a的单片机完整系统的仿真。 (3)增加了C语言和汇编语言的支持。设计者可以方便的使用这两种语言对MCU进行控制和仿真。 (4)提供了为SPICE和MCU的综合仿真环境。设计者可以在设计流程中提早对电路设计进行验证，使设计更为简洁。 (5)增加了MCU菜单对单片机进行调试和控制及断点跟踪，使单片机仿真更为容易和方便。 从Multisim 10的特性中可以看到，它集电路和编程仿真于一体，可以方便地在设计窗口进行电路器件的放置、连线和程序的编写并仿真，对于单片机教学更为方便和高效率[10]。 3.4  Multisim 10软件分析工具 Multisim 10有l8种分析工具，分别是直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅立叶分析、噪声分析、噪声系数分析、失真分析、直流扫描分析、灵敏度分析、参数扫描分析、温度扫描分析、零极点分析、传递函数分析、最坏情况分析、蒙特卡洛分析、线宽分析、批处理分析和用户自定义分析。用户利用这些分析工具，可以更快得到非常精确的分析电路的结果，也减少了实际硬件测试中的繁琐步骤和资金投人。  3.5  Multisim 10仿真的基本步骤 (1)利用Multisim 10提供的元器件及虚拟器件在工作区中建立电路； (2)设定元件的工作模式、参数和标号； (3)激活电路进行逻辑仿真； (4)分析仿真结果； (5)结果不正确时重新调整元器件及虚拟仪器的参数； (6)保存电路图，打印仿真结果 [6]。 3.6  Multisim 10意义 Multisim 10用于电子类相关课程的辅助教学，不仅可以弥补实验仪器和元器件缺乏带来的不足，而且排除了原消耗和仪器损坏等不良因素，同时，也使实验室搬进课堂成为可能。教师在课堂教学中通过软件设计电路，模拟各种电路的功能，并根据需要随意控制，使电路功能可以分层次展现，实现逐层深入的效果。通过在屏幕上进行功能展示，可使一些抽象的概念形象化，帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容，加深对概念、原理的理解，弥补课堂理论教学的不足。在教学过程中，学生也能够保持极高的学习兴致， 这样的教学模式形象生动，可以充分调动学生学习的积极性。提高课堂教学效果。学生通过电路仿真，可以熟悉常用电子仪器的测量方法，这对进一步培养学生的综合分析能力，排除故障能力和开发、创新能力都具有重要意义[7]。 4数字时钟设计及仿真分析 4.1  数字时钟设计概况 在Multisim环境中设计数字时钟，包括单元电路设计和总体电路设计。单元电路为小时计时模块、分钟计时模块、秒钟计时模块、整点译码电路、比较电路、时钟产生电路、校时/定时选择电路以及报警电路等。待单元电路设计完成以后，将单元电路进行封装连接得到总体电路。这样可进行总体电路的仿真、调试，最终完成数字时钟的设计。 4.2  数字时钟设计 4.2.1 小时计时电路 小时计时电路如图4.1所示。 图4.1  小时计时电路 该电路用两片74LS160（二–十进制加计数器）构成二十四进制计数器，与门74LS08和反向器74LS04组成译码电路，该译码电路能识别代码“24”，输出信号使～CLR=0，计数器的计数值被置0.所以，整个计数器的计数状态图为00→01→02…→23→24（暂态）→00→…，共有24个稳定状态[8]。小时计时电路的封装模块如图4.2所示，其引脚功能如表4.1所示。 图4.2  小时计时电路的封装模块 表4.1  小时计时电路的封装模块引脚功能表 引脚 信号流向 信号连接 引脚 信号流向 信号连接 HOURSET 输入 校时选择输入，正常工作为高电平 L04 输出 接LED数码管，显示计时时间（小时）低位 CLOCK 输入 接小时计数脉冲 L03 输出 H04 输出 接LED数码管，显示计时时间（小时）高位 L02 输出 H03 输出 L01 输出 H02 输出       H01 输出                   4.2.2 分钟计时电路 分钟计时电路如图4.3所示。 图4.3  分钟计时电路 该电路用两片74LS160（二–十进制加计数器）构成六十进制计数器，与非门74LS00组成译码电路，该译码电路能识别代码59（是对代码59的特征进行译码）。整个计数器的计数状态图为00→01→02…→58→59→00→…，共有60个稳定的状态。器封装引脚童小时计时电路。另外，单元电路中的秒计时电路同分钟计时电路。分钟计时电路的封装模块如图4.4所示，其引脚功能如表4.2所示。 图4.4  分钟计时电路的封装模块 表4.2  分钟计时电路的封装模块引脚功能表 引脚 信号流向 信号连接 引脚 信号流向 信号连接 MINSET 输入 校时选择输入，正常工作为高电平 CLR 输入 接清零输入，系统未用，接高电平 CLOCK 输入 接小时计数脉冲 L04 输出 接LED数码管，显示计时时间（小时）低位 H04 输出 接LED数码管，显示计时时间（小时）高位 L03 输出 H03 输出 L02 输出 H02 输出 L01 输出 H01 输出                   4.2.3 校时选择电路 校时选择电路如图4.5所示。 图4.5  校时选择电路 校时选择电路用计数器74LS160和译码器74LS138组成，计数器74LS160设计为三进制计数器，译码器的输出为反变量，其输出要接反向器。校时选择电路的封装模块如图4.6所示，器对应的封装引脚如表4.3所示。 图4.6  校时选择电路的封装模块 表4.3  校时选择电路的封装模块引脚功能表 引脚 信号流向 信号连接 引脚 信号流向 信号连接 TIMEDET 输入 接瞬态开关 MIN 输出 接分钟计时电路的MINSET输入 HOUR 输出 接小时计时电路的HOURSET输入端 SEC 输出 接秒计时电路的SECCSET输入端