74ls160數(shù)字鐘仿真電路（一）

數(shù)字鐘是計(jì)數(shù)電路的一種典型應(yīng)用，其構(gòu)成原理框圖如下圖所示。它主要由三部分組成：

（1）秒脈沖發(fā)生電路

它由32768Hz的石英晶體振蕩器和若干級(jí)分頻電路構(gòu)成，振蕩器產(chǎn)生32768Hz的方波，由于使用了晶體，振蕩頻率準(zhǔn)確且穩(wěn)定，經(jīng)過216=65536分頻后，再經(jīng)過2倍頻，得到秒脈沖信號(hào)，該秒脈沖信號(hào)經(jīng)過控制門進(jìn)入秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

（2）時(shí)間校準(zhǔn)電路

時(shí)間調(diào)整由3個(gè)開關(guān)AN1、AN2、AN3以及3個(gè)R-S觸發(fā)器構(gòu)成。當(dāng)3個(gè)開關(guān)都撥到右邊時(shí)，R-S觸發(fā)器的輸出Q1、Q2、Q3都為1，因此控制門的3個(gè)右邊門開啟，秒、分、時(shí)脈沖可以正常進(jìn)入相應(yīng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)某開關(guān)撥到左邊時(shí)，R-S觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，例如當(dāng)“秒調(diào)整”開關(guān)撥到左邊，Q1-0、，控制門的右門關(guān)、左門開，秒脈沖不能通過，而0．5s的脈沖信號(hào)卻可以進(jìn)入秒計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)“秒調(diào)整”。分、時(shí)的調(diào)校原理與此相同，使用R—S觸發(fā)器的目的是為了消除開關(guān)抖動(dòng)產(chǎn)生的影響。

（3）時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)電路

采用兩片74LS160按下圖所示連接，可以構(gòu)成作60分頻計(jì)數(shù)，用于數(shù)字鐘中的秒計(jì)數(shù)器。

標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖經(jīng)過控制門進(jìn)入秒計(jì)數(shù)器，并顯示其計(jì)數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)滿60時(shí)得到一個(gè)進(jìn)位“分”脈沖，同時(shí)秒計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零?！胺帧泵}沖經(jīng)控制門送入“分計(jì)數(shù)器”又作60分頻計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)滿后得到進(jìn)位“時(shí)”脈沖。“時(shí)”脈沖再經(jīng)控制門送入“時(shí)計(jì)數(shù)器”計(jì)數(shù)?！胺钟?jì)數(shù)器”與“時(shí)計(jì)數(shù)器”的計(jì)數(shù)、復(fù)零和顯示原理與“秒計(jì)數(shù)器”相同，可以自行設(shè)計(jì)。

74ls160數(shù)字鐘仿真電路（二）

電子鐘計(jì)時(shí)分為小時(shí)、分鐘和秒，其中小時(shí)為二十四進(jìn)制，分鐘和秒均為六十進(jìn)制，輸出可以用數(shù)碼管顯示，所以要求二十四進(jìn)制為00000000~00100100計(jì)數(shù)，六十進(jìn)制為00000000~01100000計(jì)數(shù)，并且均為8421碼編碼形式。

（1）小時(shí)計(jì)數(shù)——二十四進(jìn)制電路仿真

用兩片74LS160N（分A片、B片）設(shè)計(jì)一個(gè)一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，在24（00100100）處直接取出所有為1的端口，經(jīng)過輸入與非門74LS00D，再給兩個(gè)清零端CLR。使用74LS160N異步清零功能完成二十四進(jìn)制循環(huán)，計(jì)數(shù)范圍為0~23。然后用七段顯示譯碼器74LS47D將A、B兩片74LS160N的輸出譯碼給LED數(shù)碼管。仿真電路如圖九所示。：

圖九24進(jìn)制——時(shí)計(jì)數(shù)器仿真電路

（2）分鐘、秒計(jì)數(shù)——六十進(jìn)制電路仿真

此電路類似于二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，采用74LS160N設(shè)計(jì)出一百進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，在60（01100000）處直接取出所有為1的端口，經(jīng)過輸入與非門74LS00D，再給兩個(gè)清零端CLR。使用74LS160N異步清零功能完成六十進(jìn)制循環(huán)，計(jì)數(shù)范圍為0~59。然后用七段顯示譯碼器74LS47D將A、B兩片74LS160N的輸出譯碼給LED數(shù)碼管。仿真電路如圖所示：

圖十60進(jìn)制——秒計(jì)數(shù)器仿真電路

圖十一60進(jìn)制——分計(jì)數(shù)器仿真電路

（四）校時(shí)校分（秒）電路。

數(shù)字鐘應(yīng)具有分校正和時(shí)校正功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€(gè)位和時(shí)個(gè)位的直接計(jì)數(shù)通路，并采用正常計(jì)時(shí)信號(hào)與校正信號(hào)可以隨時(shí)切換的電路接入其中。這里利用兩個(gè)與非門加一個(gè)單刀雙擲開關(guān)來實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。第一個(gè)74LS00D與非門的輸入端一端接清零信號(hào)，另一端接第二個(gè)與非門的輸入端，第二個(gè)74LS00D的輸入端一端接計(jì)數(shù)脈沖，另一端接一個(gè)單刀雙擲開關(guān)。開關(guān)接通的一段接地，另一端接高電平。當(dāng)開關(guān)打到另一端時(shí)，時(shí)或分的個(gè)位就單獨(dú)開始計(jì)數(shù)，這樣就能實(shí)現(xiàn)校時(shí)功能。其電路圖如圖所示：

圖十二校分仿真電路

數(shù)字時(shí)鐘仿真電路圖如下圖所示，在Multisim11.0中進(jìn)行仿真，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)鐘的顯示功能、校時(shí)功能。顯示功能中，小時(shí)實(shí)現(xiàn)的是24進(jìn)制，分和秒實(shí)現(xiàn)的是60進(jìn)制，通過校時(shí)電路能夠分別校對(duì)時(shí)和分。

圖十三數(shù)字時(shí)鐘仿真電路

74ls160數(shù)字鐘仿真電路（三）

振蕩器

本系統(tǒng)的振蕩器采用由555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)，如圖2所示即為產(chǎn)生1kHz時(shí)鐘信號(hào)的電路圖。此多諧振蕩器雖然產(chǎn)生的脈沖誤差較大，但設(shè)計(jì)方案快捷、易于實(shí)現(xiàn)、受電源電壓和溫度變化的影響很小［4］。

分頻器

由于振蕩器產(chǎn)生的頻率高，要得到標(biāo)準(zhǔn)的秒信號(hào)，就需要對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行分頻。在此電路中，分頻器的功能主要有兩個(gè)：1）產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)；2）提供電路工作需要的信號(hào)，比如擴(kuò)展電路需要的信號(hào)。通常實(shí)現(xiàn)分頻器的電路是計(jì)數(shù)器電路，選擇74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來完成上述功能［5］。如圖3所示，555定時(shí)器產(chǎn)生1kHz的信號(hào)，經(jīng)過3次1/10分頻后得到1Hz的脈沖信號(hào)，為秒個(gè)位提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(hào)。

時(shí)間計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是一種計(jì)算輸入脈沖的時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，被計(jì)數(shù)的輸入信號(hào)就是時(shí)序網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘脈沖，它不僅可以計(jì)數(shù)而且還可以用來完成其它特定的邏輯功能，如測(cè)量、定時(shí)控制、數(shù)字運(yùn)算等等。

本部分的設(shè)計(jì)仍采用74LS160作為時(shí)間計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)功能。時(shí)間計(jì)數(shù)器由秒個(gè)位和秒十位計(jì)數(shù)器、分個(gè)位和分十位計(jì)數(shù)器、時(shí)個(gè)位和時(shí)十位計(jì)數(shù)器構(gòu)成。數(shù)字鐘的計(jì)數(shù)電路的設(shè)計(jì)可以用反饋清零法，當(dāng)計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)時(shí)反饋門不起作用，只有當(dāng)進(jìn)位脈沖到來時(shí)，反饋信號(hào)將計(jì)數(shù)電路清零，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模的循環(huán)計(jì)數(shù)。

分（秒）計(jì)數(shù)器

分（秒）計(jì)數(shù)器均為60進(jìn)制計(jì)數(shù)，如圖4所示。它們的個(gè)位用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成，無需進(jìn)制轉(zhuǎn)換，信號(hào)輸入端CLK與1Hz秒信號(hào)相連，進(jìn)位輸出作為十位的計(jì)數(shù)輸入信號(hào)。十位采用反饋清零法將十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS160變成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因?yàn)榍辶愣藶榈碗娖接行А⑺詫B、QC與非后連接到清零端，即計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)為“0110”時(shí)QB、QC輸出高電平與非后為低電平實(shí)現(xiàn)有效清零并對(duì)下一級(jí)進(jìn)位。兩級(jí)電路組成一位60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)規(guī)律為00→01→…→58→59→00.當(dāng)秒計(jì)數(shù)滿60后向分個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，同理當(dāng)分計(jì)數(shù)滿60后向時(shí)個(gè)位提供一個(gè)進(jìn)位信號(hào)。

時(shí)計(jì)數(shù)器

時(shí)計(jì)數(shù)器為24進(jìn)制計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)規(guī)律是00→01→…→23→00，即當(dāng)數(shù)字運(yùn)行到23時(shí)59分59秒時(shí)，在下一個(gè)秒脈沖的作用下，數(shù)字鐘顯示00時(shí)00分00秒。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

由表可知，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)要發(fā)生兩次跳躍：一是計(jì)數(shù)到9，即個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為1001后，在下一計(jì)數(shù)脈沖的作用下向十位計(jì)數(shù)器進(jìn)位；二是計(jì)數(shù)到23后，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的作用下，整個(gè)計(jì)數(shù)器歸零。

用兩片74LS160可實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，如圖5所示。把時(shí)個(gè)位的QC與時(shí)十位的QB與非后送入到時(shí)個(gè)位和時(shí)十位的計(jì)數(shù)清零端，當(dāng)時(shí)十位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)為“0010”時(shí)個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)“0100”時(shí)，時(shí)個(gè)位的QC與時(shí)十位的QB輸出高電平，它們與非后為低電平分別對(duì)時(shí)個(gè)位和十位進(jìn)行清零。

校時(shí)電路

校時(shí)是數(shù)字鐘應(yīng)具備的基本功能，當(dāng)數(shù)字鐘接通電源或者計(jì)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)都需要對(duì)時(shí)間進(jìn)行校正。一般數(shù)字鐘都具有時(shí)、分、秒等校正功能。為使電路簡(jiǎn)單，這里只進(jìn)行分和時(shí)的校正。校正電路的要求在校正時(shí)位時(shí)不影響分和秒的正常計(jì)數(shù)，在校正分位時(shí)不影響秒和時(shí)的正常計(jì)數(shù)。校正電路的方式有快校正和慢校正兩種。由于快校正電路復(fù)雜，成本高，而慢校正更經(jīng)濟(jì)一些，所以設(shè)計(jì)采用慢校正對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行校正，如圖6所示。慢校正是用手動(dòng)產(chǎn)生單脈沖做校正脈沖。電路由74LS08及電阻、電容、開關(guān)等組成，其中J為校分開關(guān)，H為校時(shí)開關(guān)。

顯示部分

顯示部分采用74LS48來進(jìn)行譯碼，用于驅(qū)動(dòng)LED-7段共陰極數(shù)碼管。由74LS48和LED-7段共陰極數(shù)碼管組成數(shù)碼顯示電路，如圖7所示。

譯碼驅(qū)動(dòng)電路是將“秒”、“分”、“時(shí)”計(jì)數(shù)器輸出的8421BCD碼進(jìn)行編譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管需要的邏輯狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)LED-7段數(shù)碼管顯示，并且為保證數(shù)碼管正常工作提供足夠的工作電流。若將秒、分、時(shí)計(jì)數(shù)器的每位輸出分別與相應(yīng)七段譯碼器的輸出端連接，在脈沖的作用下，便可進(jìn)行不同的數(shù)字顯示。由于使用的譯碼器74LS48輸出端高電平有效，所以選擇共陰極的數(shù)碼管來與之搭配。