簡易數字鍾設計
一、摘要
信息時代，時間觀念深入人心，所以掌握數字鍾的設計具有一定的時代意義，並且使用Multisim進行分立元件設計數字鍾，可以大大提升個人數字電路的素養。
設計思路是從上至下，先進行數字鍾整體框架的設計，考慮各個子芯片的預留端口，再逐個設計各個子電路模塊。最終完成了時鍾顯示，調時，鬧鍾，定點報時以及萬年歷的功能。並且總的控制點預留了新功能的接入口，這樣子就可以十分方便的進行新功能的加入。
目錄
二、前期准備
1、數電知識的復習
門電路，計數器，觸發器，555觸發器以及卡諾圖等相關知識。
2、Multisim相關知識的學習
除基本操作之外，還應該學習兩個設計大型電路的相關知識。
（1）總線技術：
圖2-2-1 總線功能選擇
A、 點擊總線按鈕，然后進行繪制，便可以得到總線。
圖2-2-2 總線圖樣。
B、 雙擊總線進行總線端口的添加：
圖2-2-3 總線端口添加圖
C、 單擊添加后，可以進行端口的添加，有2種方式，第一種便是一次只能加一種端口，第二種是可以加入前綴相同，但是標號不同的多個端口
圖2-2-4 總線端口方式二添加圖
D、 之后選擇連線確認即可
圖2-2-5 總線連線圖
（2）子電路技術：
A、新建一個子模塊
圖2-3-1 子電路添加方法圖示
B、添加管腳
圖2-3-2 子電路管腳添加圖示
三、電路總設計思路
圖3-1 電路總設計思路圖示
首先考慮數字鍾所有的功能：有時鍾顯示，調時，秒表，萬年歷，定點報時和鬧鍾一共6個功能，所以切換電路要預留6個以上的功能切換項。（切換鍵設為“=”）
其次，對於數字鍾必須要有精確的秒發生器作為基礎，由於Multisim本身軟件的刷新頻率問題，所以只好使用信號發生器作為數字鍾的秒發生器。
最后，考慮顯示功能，由於只能使用4個數碼管，所以需要一個顯示切換功能，然后再接入數碼管。（切換鍵設為“E”）。
四、子電路設計
1、控制電路（切換功能電路）
圖4-1-1 控制電路搭建圖
（1）使用的是CD4017十路十節拍順序脈沖發生器，由於暫時只有6個功能，所以改接為六路六節拍順序脈沖發生器。這樣還可以方便新功能的擴展。
（2）通過按下功能切換按鈕（“=”）進行功能的選擇。
（3）功能端口如下：
| 輸出端 |
功能 |
| Q0 |
時鍾顯示 |
| Q1 |
時鍾調時 |
| Q2 |
秒表 |
| Q3 |
鬧鍾 |
| Q4 |
萬年歷 |
| Q5 |
定點報時開關 |
表4-1-1 切換電路端口功能表
2、基本計數功能的實現：
（1）總體構想
圖4-2-1 基本計數功能總體構想
首先，根據現實因素，采用8421BCD碼進行編制，然后按照生活習慣分離成7個計數片，采用片內同步，片間異步的設計方法。
其次，星期計數有兩種模式，模式一為正常時鍾計數所使用的，即24小時后星期數進一，模式二為萬年歷查詢模式，即需要查詢相應日期對應的星期時所使用的模式。
最后，預留出調時所需要的端口。
（2）秒、分和時計數的設計：
圖4-2-2-1 秒（分）計數器的設計
圖4-2-2-2 秒（分）計數器封裝芯片圖
| 端口 |
功能 |
| Q7-Q0 |
數值輸出，用於接入到數碼管 |
| CTEN |
片選開關 |
| CVON |
片內計數器級聯開關 |
| Co |
進位輸出 |
| GND |
接地端 |
| CLOCK0-1 |
片內計數器時鍾端 |
表4-2-2-1 秒（分）計數器封裝芯片功能表
需要注意的地方是：
A、由於調時功能需要每一位都進行調節，所以必須預留每一位的時鍾端進行調時。
B、由於片內為了避免競爭冒險而使用同步級聯，所以必須有級聯的開關端口（CVON）。
C、 由於時計數器和分（秒）計數器只是進制的不同，所以不再詳細敘述時計數器電路圖。
（3）年計數器的設計
同樣采用片內同步級聯的設計思路，預留調時所需的CVON和CLOCK0-3端口。
圖4-2-3-1 年計數器的級聯電路圖
為了日計數的正確需要判斷閏年的預留端口。
A、 計算閏年的方法為：能被4整除且不能被100整除與能被400整除的是閏年。
B、 考慮使用邏輯電路來實現此邏輯。
① 被400整除可以拆成被4且被100整除，所以需要實現的功能為能被4和能被100整除的功能的判斷。
② 能被100整除，只要滿足Q0到Q7都為0就可以被100整除。
③ 能被4整除的實現：
首先觀察能被4整除的數字規律，總結為：
定義一個數字的十位和各位組成的數字為AB，Y=1定義為能被4整除，Y=0不可以。則有
| A |
B |
Y |
| 奇數 |
2,6 |
1 |
| 偶數 |
0,4,8 |
1 |
| 其他 |
0 |
表4-2-3-1 能被4整除的規律
然后列真值表，化簡卡諾圖，得到的控制電路如下：
圖4-2-3-2 能被4整除電路圖
③ 判斷能被400整除，首先由能被100整除，且設千位和百位為A和B，同樣符合上述規律時，即可被400整除。
年計數器總電路如下：
圖4-2-3-3 年計數器總電路圖和芯片封裝圖
年計數器功能表如下
| 端口 |
功能 |
| Q15-Q0 |
數值輸出，用於接入到數碼管 |
| CTEN |
片選開關 |
| CVON |
片內計數器級聯開關 |
| Vcc |
電源端 |
| GND |
接地端 |
| CLOCK0-3 |
片內計數器時鍾端 |
| Leapyear |
閏年判斷端口 |
表4-2-3-2 年計數功能表
（4）月計數器的設計
同樣采用片內同步級聯的設計思路，預留調時所需的CVON和CLOCK0-1端口。
圖4-2-4-1 月計數器的級聯電路圖
為了日計數的正確需要判斷擁有不同月份天數的預留端口。
A、 統計不同月份天數：
| 月份 |
天數 |
| 1、3、5、7、8、10、12 |
31 |
| 4、6、9、11 |
30 |
| 2 |
閏年為29，平年為28 |
表4-2-4-1 月份天數統計表
B、 對月份采用8421BCD碼進行編制，通過列真值表，卡諾圖化簡，得到控制邏輯電路為：
圖4-2-4-2 月份分類電路圖
月計數器總電路如下：
圖4-2-4-3 月計數器總電路圖和芯片封裝圖
月計數器功能表如下：
| 端口 |
功能 |
| Q17-Q0 |
數值輸出，用於接入到數碼管 |
| CTEN |
片選開關 |
| CVON |
片內計數器級聯開關 |
| Vcc |
電源端 |
| GND |
接地端 |
| CLOCK0-3 |
片內計數器時鍾端 |
| Y31 |
天數為31的月份輸出為1 |
| Y30 |
天數為30的月份輸出為1 |
| Y2829 |
天數為28、29的月份輸出為1 |
表4-2-4-2 月計數器統計表
（5）日計數器的設計
日計數器設計思路一樣是級聯，再但是由於每個月的天數不同，所以我們需要使用預留的閏年，Y31，Y30和Y2829端口進行置數。
通過列真值表，卡諾圖化簡得下面電路設計圖：
圖4-2-5 日計數器電路設計圖
（6）星期計數的設計：
圖4-2-6 星期計數電路設計圖
先設計一個8421BCD的加計數器，選0到6作為一個循環，這是為了后面的萬年歷查詢方便。
（7）基本計數功能總電路：
圖4-2-7 基本計數功能總電路
注意的地方是，如何切換正常計數和調時，我們需要斷開原來片選端輸入的時鍾，改為手動輸入時鍾。因此，加級聯端需要加入一個級聯開關，這樣子就可以斷開原來異步級聯的片，進行手動調時。
3、時鍾調時設計
（1）思路總括：
圖4-3-1 時鍾調時的設計思路
首先需要做一個11位的環形計數器對應年、月、日、星期、時、分和秒的每一位，當某一位為“1”時，便對其進行調時。
其次，便是加入手動調時的方法，需要引入一個按鈕“W”，按一下計數加一。
（2）環形計數器的實現：
使用四片74194四位移位寄存器構成11位環形移位寄存器。電路圖如下：
圖4-3-2-1 11位環形移位寄存器電路設計：
如何使之一開始有一個且只有一個“1”進入有效環形是一個關鍵問題。這里提供2鍾解決方法：
A、首先由74194的功能表得到，當S0=1，S1=1時，並行輸入，當S0=1，S0=0時，向右移動。所以我們使用一個積分電路，使得在切換到這個功能的時候產生一個短暫的脈沖，進行並行輸入。
圖4-3-2-2 積分電路設計：
B、另一種方法是使用一個RS觸發器。
圖4-3-2-3 采用RS觸發器實現並行輸入設計：
通過Vcc在供電的瞬間使得R端口產生一個1-0的越變，這樣子，置入一個有效數字“1”，再進入右移功能。
（3）手動調時功能
以秒的個位為例：
當CTEN（功能切換輸入）為“0”時，表示沒有進入此功能，Q0輸出為時鍾信號。
當CTEN（功能切換輸入）為’’1’’時，表示進入手動調試功能，Q0輸出的是手動調時信號。在此情況下，若D0（環形移位寄存器輸入）為’’1’’時，則允許按鈕“W”產生的脈沖通過Q0輸出，否則只能輸出為低電平，即無法調時。
其余位也是相同的連接方法。
圖4-3-3 手動調時
（4）手動調時功能子芯片連接
圖4-3-4 手動調時功能子芯片連接圖
4、秒表功能設計
（1）設計總思路
首先根據要求“能夠為馬拉松長跑計時”，所以需要能夠計數到小時以上，然后選擇計數器設計小時-分鍾-秒鍾設計計數器。
其次，需要預留一個CLR和一個STOP的端口進行秒表的清零和暫停。
圖4-4-1 秒表設計總思路
（2）電路設計：
圖4-4-2 秒表電路設計圖
5、定點報時功能設計
（1）設計思路：
圖4-5-1 定點報時功能設計圖
根據要求“需要報時的時間五短一長，不需要報時的時間不報時”，所以需要進入時鍾的一些輸出端進行一些邏輯判斷。做出在需要報時的時段59分55秒到59秒輸出一段高電平的一個輸出端，還有在00分00秒輸出一個高電平。
然后將其輸入到2個不同頻率的蜂鳴器中，就可以實現定點報時的功能。
（2）電路設計圖：
圖4-5-2 定點報時電路搭接圖
其中CTEN為功能輸入，左邊的端口為時鍾對應輸入，Switch表示定點報時功能的開關，CIO表示秒表的進位端。
6、鬧鍾功能設計
（1）設計思路：
圖4-6-1 鬧鍾功能設計思路
首先需要搭建一個計數器能夠儲存設定的報鬧時間，做出一個比較電路進行比較，如果相同的話構建一個鬧鍾響一分鍾。
（2）計數功能搭建：
圖4-6-2 計數功能搭建圖
跟基礎的計數器級聯相同，但是做了一個小改變，就是在調節計數時，當時的十位為2時，個位只是4進制計數器。
（3）比較電路搭建：
圖4-6-3 比較電路搭建
采用74LS85四位比較器芯片，將時鍾和設定的時間進行比較，如果相同就輸出為“1”，不同就輸出為“0”。
（4）調整設定時間電路設計：
圖4-6-4 設定時間電路設計
與調整始終時間的電路相同，只不過將三態門構建的時鍾切換控制改成了用與門來進行搭建的。
7、萬年歷查詢功能：
（1）思路設計：
圖4-7-1 萬年歷查詢星期設計思路
首先，再每次進入萬年歷查詢星期功能時，需要把當前日期導入萬年歷子芯片，考慮的方法就是在沒有進入此功能時，直接置數，一但進入此功能關閉置數端功能即可。
其次，查詢分為3鍾情況，調節日，調節月，調節年，在進行對應調節的時候，星期要進行相應的改變。
最后，要加入顯示功能的匹配輸出口。
（2）年查詢設計：
首先搭建一個年計數器，直接重用原來在時鍾使用的年計數器，然后以加一年為例子：
A、 分析情況：
| 情況 |
結果 |
| 閏年的3月1號之后到平年的對應日期 |
星期加一 |
| 閏年的3月1號之前到平年的對應日期 |
星期加二 |
| 平年的3月1號之后到閏年的對應日期 |
星期加二 |
| 平年的3月1號之前到閏年的對應日期 |
星期加一 |
| 平年到平年對應的日期 |
星期加一 |
表4-7-2 年對應星期規律總結
B、 通過卡諾圖化簡，可以得到電路設計為：
圖4-7-2 年對應星期設計電路圖
即使用加計器，通過控制電路，控制在不同情況下，B4B3B2B1端口對應的是數值。
（3）月對應日期查詢
首先搭建一個月計數器，直接重用原來在時鍾使用的月計數器，然后以加一個月為例子：
A、 分析情況：
| 情況 |
結果 |
| 上個月是31天的 |
加3天 |
| 上個月是30天的 |
加2天 |
| 上個月是29天的 |
加1天 |
| 上個月是28天的 |
加0天 |
| 從12月跳到1月（同31天） |
加3天 |
表4-7-3 月對應星期規律總結
B、 通過卡諾圖化簡，可以得到電路設計如下：
圖4-7-3 月對應星期查詢電路查詢設計
（4）日對應日期查詢：
首先搭建一個日計數器，直接重用原來在時鍾使用的日計數器，然后以加一個日為例子：
A、 分析情況：
| 分類 |
情況 |
結果 |
| 從31號跳到1號 |
上個月是31天的 |
加2天 |
| 上個月是30天的 |
加1天 |
|
| 上個月是29天的 |
加0天 |
|
| 上個月是28天的 |
加6天 |
|
| 其他 |
加一天 |
加1天 |
表4-7-4 日對應星期查詢規律總結
B、 通過卡諾圖化簡可得電路設計圖如下：
圖4-7-4 日對應星期查詢電路設計圖
（5）3種查詢方式的切換：
首先同調時電路一樣，需要有相應的調整切換按鈕，並且還需要選擇運算輸出的結果：
圖4-7-5 運算輸出的結果電路設計圖
選擇輸出的數值，且如果超過6的時候，進行減7的操作。保證輸出的星期都在0到6（即星期一到星期日之中）。
（6）閥值開關：
圖4-7-6 閥值開關設計圖
假如不加入一個閥值開關，就會形成一個閉環，變成一個環形計數器，但是我們可以通過假如一個計數器來做一個開關，當置數端打開時，才會進行置數輸出，否則不會繼續輸出。而置數端的開啟則是由調時按鈕觸發的脈沖得到的。
8、顯示功能設計
圖4-8-1 顯示功能預覽圖
（1）顯示功能及設計思路
圖4-7-1-2 顯示功能介紹圖
A、 左上角：表示鬧鍾和定點報時的開關，燈亮表示有開，否則則沒有打開。
B、 上方：表示在時鍾顯示和調時功能下，數碼管所顯示的內容是：
1：表示分和秒
2：表示時和分
3：表示月和日
4：表示年和月
C、 右邊：表示功能選擇，哪一個燈亮說明在哪一個功能下。
D、 中間：數顯，直接顯示數字
E、 下方：星期輸出，星期幾就是哪一個燈亮
（2）切換顯示功能
A：分析：
由於只有4個數碼管，所以必須進行數據的選擇輸出，顯而易見應該采用數據選擇器來完成，更好的是可以采用74AS157N進行數據選擇。
B：以年月日時分秒的切換作為例子：
圖4-7-2 年月日時分秒功能選擇輸出
左邊的方框：又一個順序脈沖發生器構成，當按下按鈕時會進行不同路脈沖的輸出。我們通過不同路賣出的輸出，進行對數據選擇控制端的編程。
上面的方框：三態門，控制端為相應功能切換電路使能，表示只有在當前功能時，才會輸出這個芯片內的數據，意味着每個需要接數碼管的子電路都需要有這個電路。
數據搭建的選擇電路：主要是使用順序脈沖發生器的輸出進行編程，對數據選擇器進行編程，這樣子的話可以選擇輸出相應的所需值。
（3）調時位閃爍功能：
圖4-7-3 調時位閃爍功能電路設計圖
A、 首先判斷需要閃爍的位要滿足的條件：
① 必須在當前顯示頁
② 調時所用的順序脈沖發生器輸出端對應有效
③ 進入調時功能選項
B、 因此，分塊完成對應功能
從下往上分別為第1,2,3,4模塊
模塊一：對應A所提的功能項所設計的邏輯電路來作為模塊二的控制端
模塊二：當輸入的控制端為1，則輸出閃爍信號，否則輸出不閃爍信號（接地）。
模塊三：當在時鍾顯示功能時無論如何不閃爍，只有在調試功能下才閃爍。
模塊四：只有當進入此功能時，才會有輸出。
五、心得體會
1、更深刻更熟練的掌握數電技術進行設計，熟練掌握各種基本電路，比如說計數器，觸發器，寄存器，555以及單穩多諧等等知識的總和運用。
2、巧妙使用微積分電路，可以造出一個所需的脈沖，化簡電路。
3、所有的仿真都忽略了實際器件的參數，其實很多地方需要加入電阻，電容，這樣子才可以使電路正常工作，例如七段數碼管，需要在輸入端口加入電阻，否則會發生閃爍不同步的問題。
4、Multisim軟件的局限性很大，刷新頻率不夠大，每次改變都要完全遍歷數組，如此不科學的方法實在讓大型電路的設計難以進行。但是在我們沒有辦法改變規則的情況下，只好自己做出妥協：
（1）每個子電路都在一個新的設計中設計，這樣子不會產生連線卡頓的問題。
（2）當出現邏輯功能對卻沒有產生對應的效果，例如進位，這樣的時候是因為器件的參數沒匹配，但是Multisim不會進行報錯提示，需要我們自己進行解決，一種是加入電阻電容使之匹配，另一種方法是加入探針，它會進行自適配。
（3）在進行端口連接時，一次性盡量連接多個口，因為遍歷一次數組就可以將所有的加入。所以必須如此。
5、設計電路的時候最好先構思，從上而下先宏觀布局，從下而上修改布局。然后反復幾遍，確認思路可行之時，開始從基礎搭起，預留端口。做好備注。
6、電路設計是一件耗時的事情，需要大家一起討論，每個人的想法都不同，大家討論，互相改進，最后就會使得效率提高。