应用Multism实现数字时钟电路的设计

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【摘要】时钟电路属于典型的时序逻辑电路设计，能够综合锻炼学生时序逻辑电路设计以及分析的方法能力。Multism软件为NI公司推出的全功能电子设计仿真平台，能够对模拟电路、数字电路、混合信号电路进行完整的设计与仿真分析，在数字电路的教学中有重要的作用。阐述了仿真软件的基本功能，分析了时钟电路的基本工作原理以及设计方案，提出了电路的改进方案。

【关键词】Multism；数字电路；时钟；仿真分析；教学

在职业学校应用电子等相关专业的课程体系中，数字电路对于学生专业能力的形成具有极为重要的作用。数字电路主要讨论了时序逻辑电路、组合逻辑电路的设计与分析方案。其中组合逻辑电路主要侧重研究电路的输入与输出的逻辑关系，其电路的设计与分析较为简单；时序逻辑电路由于同时考虑到系统的初始状态以及输入状态，因此设计难度较大。为了能够使得在教学过程中，学生能够对于时序逻辑电路具有较好的掌握，可以应用时钟电路的设计作为一个教学项目，并使用multism仿真软件，加强学生的直观理解，并有效提升数字电路的教学效果。

1.Multism简介

Multism是美国NI公司开发的全功能电子设计平台，又被称为虚拟实验室。软件为电子工程师以及所有的电子爱好者提供了完整的电子设计工作平台（EWB）。软件具有丰富的电子元器件库，包含常见的基本元件以及集成芯片，同时软件具备多种常见的分析测试仪器，主要包含万用表、示波器、逻辑分析仪、字信号发生器、信号源等。目前软件具备了直流分析、交流特性分析、逻辑状态分析、傅立叶分析、噪声分析等多种分析方案，能够为电路性能分析提供重要的参考。由于其功能强大，能够直观反映所设计电路的工作效果，因此在数字电路的教学过程中采用软件仿真的方案可以有效加强学生对电路的认识，提升教学效果。

2.时钟电路的设计与仿真

时钟电路设计中涉及到秒脉冲电路的设计、秒计时电路、分钟电路以及小时电路的设计。综合应用了555时基电路、计数器电路以及电路级联等方面的知识。对于学生的时序逻辑电路的设计与分析能力是一个比较综合的锻炼。

2.1 基于555时基电路的秒脉冲发生电路的设计

时钟电路计时主要是应用了74LS162计数器芯片的级联实现，计数器芯片需要标准的秒脉冲电路作为工作的CP脉冲实现精准的计时。产生秒脉冲的实现方案较多，可以采用振荡电路、555时基电路、晶振等多种方案实现。在本例中主要侧重对于数字电路知识的掌握，因此采用了555时基电路构建秒脉冲发生器。555时基电路的电路原理图以及工作波形如图1所示。

2.2 秒计时电路、分钟电路以及小时电路的设计

应用两片同步十进制计数器74LS162级联，并改变进制可以实现60进制的秒计时电路以及分钟计时电路，小时电路则使用二十四进制的方式。电路采用同步时序进行控制。秒、分钟计时电路的电路原理图如图2所示，小时电路的电路原理图如图3所示。

在时钟电路的分钟以及秒计时电路中，采用了60进制的方案，以秒计时电路为例，当计数值达到60的时候，与非门电路输出低电平控制计数器芯片的清零端，计数器清零，重新开始计数，同时秒计时电路还必须给分钟计时电路提供一个脉冲，使得分钟计时加一。分钟电路的工作原理与秒基本相同，在计时满60分钟的时候需要自身清零，同时向小时电路提供一个高电平脉冲。小时计时电路采用二十四进制，因此计数电路清零方式也与秒、分钟电路不同。整体电路采用了同步的时序，电路工作性能较为稳定。

2.3 各模块电路之间的连接

要能够完成整体时钟电路的仿真分析，需要将各个单元电路进行级联。在模拟电子产品的设计过程中单元电路级联的时候要充分考虑到阻抗特性以及耦合方式对于电路整体工作性能的影响。在数字电子产品的设计过程中，一般单元电路工作正常的前提下，只要单元电路之间连接正确都可以正常工作。各个模块之间的连接方式如图4所示。

3.数字时钟电路的功能拓展以及改进方案

本时钟电路采用了数字时序逻辑电路的方案进行了设计，能够完成对于时、分、秒的计时。但是同时也存在较多可以进一步优化的方案。主要包含以下几个方面，首现是功能的进一步拓展，可以在加上星期以及天数的计数模块，实现万年历的功能，添加温度、湿度等传感器实现温度、时间等共同显示，需要的时候还可以添加闹钟模块等；其次电路的性能也可以进一步优化，比如可以采用频率准确度更高的晶振电路提供秒脉冲信号，提升计时的精确度，可以使用DS1302计时芯片简化电路的结构等。在实际的教学过程中可以为学生提供一定的思路，指导学生在掌握本种设计方案的基础上，进行研究性学习，提升学习的积极性以及学习的实际效果。

4.结论

时钟电路是一个复杂度较小，但是较为综合的时序逻辑电路。在目前职业学校进行专业课程教学过程中，普遍存在着学生对于理论知识学习的兴趣不高，学习效果较差的现象。作为应用电子技术等相关专业的专业基础课程，数字电路在教学的过程中就要能够吸收教学改革的先进理念，应用现代化的教学手段，为学生的专业课程学习提供直观的教学方式。应用Multism软件进行时钟电路的设计，能够直观体现电路工作的性能，有效提升学生学习的积极性与主动性，改善课程的教学效果。

参考文献

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[2]夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel 99SE[M].北京：北京希望电子出版社，2002.

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[4]清华大学通信教研组高频电路[M].北京人民邮电出版社，1979.

[5]张凤言.模拟乘（除）法器，分析、参数与应用[M].北京科学出版社，1990.

作者简介：陈琴（1982―），女，江苏江都人，江都职教集团电子信息工程系助教，南京理工大学在读硕士研究生，主要研究方向：电子产品的设计、职业教育研究。