基于EWB的N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真設(shè)計(jì)

喬琳君

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710089）

計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的基本邏輯器件。它不僅能記錄輸入時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。例如，計(jì)算機(jī)中的時(shí)序發(fā)生器、分頻器、指令計(jì)數(shù)器等都要使用計(jì)數(shù)器[1]。一般集成計(jì)數(shù)器的進(jìn)制都是固定的，像74LS160為十進(jìn)制，74LS161為十六進(jìn)制，但是實(shí)際中需要大量的任意進(jìn)制（N 進(jìn)制）的計(jì)數(shù)器，如：24進(jìn)制，60進(jìn)制等，可以通過對(duì)固定進(jìn)制的計(jì)數(shù)器改進(jìn)或者級(jí)聯(lián)來完成所需要的N 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。EWB 是加拿大Interactive Image Technologies 公司推出的一款電子電路仿真分析、設(shè)計(jì)軟件，它具有直觀的界面，用戶學(xué)習(xí)操作十分簡(jiǎn)便，該軟件與其升級(jí)版本Multisim 軟件相比，使用方式與實(shí)際更接近，同時(shí)它還帶有豐富齊全的元器件庫，根據(jù)需要可靈活改變各器件的參數(shù)，因此它能演示各種復(fù)雜電路系統(tǒng)，以查看結(jié)果[2]。

1 集成計(jì)數(shù)器74LS160介紹

74LS160是具有預(yù)置數(shù)功能的四位同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其內(nèi)部是由J-K 觸發(fā)器和附加門組成[3]。74LS160管腳功能見表1。74LS160邏輯功能見表2。

從表2看出，集成計(jì)數(shù)器74LS160具有以下4個(gè)功能：

（1）異步清零功能：功能。

當(dāng)復(fù)位端CLR/=O時(shí)，輸出QDQCQBQA全為零，實(shí)現(xiàn)異步清除

（2）同步預(yù)置數(shù)功能：

當(dāng)復(fù)位端CLR/=1，預(yù)置控制端LOAD/=0，并且有脈沖輸入即CLK=CP ↑時(shí)，輸出端QDQCQBQA=DCBA，實(shí)現(xiàn)同步預(yù)置數(shù)功能。

（3）保持功能：

當(dāng)CLR/=LOAD/=1且計(jì)數(shù)控制端ENP·ENT=O時(shí)，輸出QDQCQBQA保持不變。

（4）計(jì)數(shù)功能：

當(dāng)CLR/=LOAD/=ENP=ENT=1，并且有脈沖輸入即CLK=CP ↑時(shí)，計(jì)數(shù)器才開始加法計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。

2 反饋復(fù)零法設(shè)計(jì)原理

設(shè)現(xiàn)有M 進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器，要設(shè)計(jì)N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

反饋復(fù)零法[1]主要利用一個(gè)與非門，其輸入接在計(jì)數(shù)器的輸出端，其輸出接在計(jì)數(shù)器的復(fù)位端或預(yù)置數(shù)端。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到N時(shí)，反饋與非門的輸入端全部為1，輸出端則為0。由于與非門的輸出端與計(jì)數(shù)器的復(fù)位端或預(yù)置數(shù)端相連，使得計(jì)數(shù)器復(fù)位或輸出等于預(yù)置數(shù)（0000），從而使計(jì)數(shù)器重新回到起始狀態(tài)。與非門反饋到復(fù)位端的稱為清零法，與非門反饋到預(yù)置控制端的稱為預(yù)置數(shù)法。圖1給出了反饋復(fù)零法電路原理圖，（a）圖為異步清零法，（b）圖為同步置數(shù)法。

表1 74LS160管腳功能介紹

表2 74LS160邏輯功能表

圖1 反饋復(fù)零法電路原理

圖1中與非門的輸入端個(gè)數(shù)及連接位置由設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器進(jìn)制N 決定。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，如果M＞N，用一片M 集成集成計(jì)數(shù)器就可以完成N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)；如果M

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 異步清零法實(shí)現(xiàn)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)

74LS160為同步十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器，其最大計(jì)10個(gè)脈沖數(shù)。現(xiàn)在需要設(shè)計(jì)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過兩片74LS160級(jí)聯(lián)的方式擴(kuò)展成100進(jìn)制，設(shè)十位計(jì)數(shù)器的編號(hào)為2，個(gè)位計(jì)數(shù)器的編號(hào)為1。使用反饋復(fù)零法設(shè)計(jì)，步驟如下：

（1）寫出60對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼：01100000，即十位計(jì)數(shù)器的輸出Q2DQ2CQ2BQ2A=（6）D=（0110）B，個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出Q1DQ1CQ1BQ1A=（0）D=（0000）B

（3）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

①在EWB的數(shù)字集成電路庫選擇2片74LS160集成計(jì)數(shù)器，在邏輯門電路庫選擇與非門，在信號(hào)源庫選擇Vcc 電源、地和脈沖信號(hào)源，在指示器件庫選擇2個(gè)數(shù)碼顯示管將以上器件拖放在工作區(qū)的合適位置并設(shè)置參數(shù)。

②連接線路：電源、地分別接到兩片計(jì)數(shù)器的Vcc 和GND 端。脈沖信號(hào)源分別接到CLK 端。要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能則ENP=ENP=LOAD/=1，所以個(gè)位計(jì)數(shù)器的ENP=ENP=LOAD/=1，而十位計(jì)數(shù)器的接個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端RC0。由反饋復(fù)零邏輯表達(dá)式知反饋與非門輸入端接十位計(jì)數(shù)器的Q2CQ2B，輸出反饋到兩個(gè)計(jì)數(shù)器的復(fù)位清零端CLR/。

采用異步清零法實(shí)現(xiàn)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路圖如圖2所示。

（4）打開仿真開關(guān)，運(yùn)行仿真電路，觀查仿真結(jié)果。仿真時(shí)可以看到，從0開始計(jì)數(shù)時(shí)，來一個(gè)脈沖，個(gè)位計(jì)數(shù)器增1，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)脈沖來后，個(gè)位計(jì)數(shù)器進(jìn)位，個(gè)位計(jì)數(shù)器為0，十位計(jì)數(shù)器顯示1。即每計(jì)十個(gè)脈沖，十位計(jì)數(shù)器增1。整體看，當(dāng)計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)計(jì)到59時(shí)開始循環(huán)，說明圖3實(shí)現(xiàn)了60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。

3.2 同步置數(shù)法實(shí)現(xiàn)的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)

同步置數(shù)法原理和異步清零法原理相同，區(qū)別在于與非門的輸出端接在74LS160的預(yù)置數(shù)端LOAD/。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到N-1時(shí)，反饋與非門的輸入端全部為1，則輸出端為0，此時(shí)預(yù)置控制端有效，當(dāng)再來一個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出端數(shù)據(jù)等于預(yù)置數(shù)，使計(jì)數(shù)器重新回到起始狀態(tài)。所以要實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，應(yīng)寫出23對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼。

（1）寫出23對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼：00100011，即十位計(jì)數(shù)器的輸出Q2DQ2CQ2BQ2A=（2）D=（0010）B，個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出Q1DQ1CQ1BQ1A=（3）D=（0011）B

圖2 異步清零法實(shí)現(xiàn)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真原理圖

圖3 同步預(yù)置數(shù)法實(shí)現(xiàn)的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真原理圖

（3）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

①拖放元器件同異步清零法實(shí)現(xiàn)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)。

②連接線路：電源、地、技術(shù)控制端ENP/ENP、脈沖信號(hào)源接法不變。與異步清零法仿真設(shè)計(jì)區(qū)別在于此時(shí)CLR/=1；十位計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入端D=C=B=A=0；由反饋復(fù)零邏輯表達(dá)式知與非門輸入端接十位計(jì)數(shù)器的Q2CQ2B，而輸出反饋到兩個(gè)計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)端。

采用同步預(yù)置數(shù)法實(shí)現(xiàn)的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路圖如圖3所示。

（4）打開仿真開關(guān)，運(yùn)行仿真電路，觀查仿真結(jié)果。仿真時(shí)可以看到，從0開始計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)到23時(shí)開始循環(huán)，說明圖3實(shí)現(xiàn)了24進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。

3.3 仿真問題分析

在設(shè)計(jì)60進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)十位計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)，檢查后發(fā)現(xiàn)十位計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)端虛接，改正后仿真結(jié)果正確。另外以下幾點(diǎn)：

（1）正確求取復(fù)零邏輯表達(dá)式，異步清零法為N 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼為1的輸出項(xiàng)的與非表達(dá)式，同步預(yù)置數(shù)法為（N-1）對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼為1的輸出項(xiàng)的與非表達(dá)式。

（2）如果設(shè)計(jì)10進(jìn)制以上的計(jì)數(shù)器時(shí)，個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端要連到十位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端ENP 和ENT 端。

（3）注意不同方法時(shí)，反饋與非門的輸出端連接位置不同，異步清零法連到計(jì)數(shù)器復(fù)位端，而同步預(yù)置數(shù)法連到計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)端，并且此時(shí)數(shù)據(jù)輸入端應(yīng)為0。

4 小結(jié)

本文主要以74LS160為例，介紹了采用反饋復(fù)零法實(shí)現(xiàn)的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法及仿真步驟。并以異步清零法設(shè)計(jì)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和同步置數(shù)法實(shí)現(xiàn)的24進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟。應(yīng)用EWB 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

[1]黃建華.汽車電工電子技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006

[2]蔡娟娟.任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)在EWB中的仿真實(shí)驗(yàn)[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，9

[3]胡錦.數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2011

[4]趙家松.基于集成計(jì)數(shù)器的N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)與仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，2

[5]李耐根電工電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011

[6]楊頌華，馮毛官，孫萬蓉，等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.