基于Multisim的大容量N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)

王長江

(四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程系，四川 遂寧 629000）

0 引言

計(jì)數(shù)器不僅可以用來計(jì)數(shù)，而且還可以用來實(shí)現(xiàn)定時(shí)、分頻、測量和控制等功能，例如，計(jì)算機(jī)的時(shí)序發(fā)生器、分頻器、指令計(jì)數(shù)器等。在集成計(jì)數(shù)器中，常用的二進(jìn)制和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的進(jìn)制一般都是固定的，如74LS190為10進(jìn)制，74LS193為16進(jìn)制。在實(shí)際中應(yīng)用中，如數(shù)字鐘電路中，卻需要24進(jìn)制和60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因此，這就要利用現(xiàn)有的固定進(jìn)制計(jì)數(shù)器來設(shè)計(jì)需要的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

Multisim是美國國家儀器（National Instruments，NI）公司推出的一款電路仿真分析與設(shè)計(jì)軟件，該軟件能夠激發(fā)電子設(shè)計(jì)愛好者的設(shè)計(jì)靈感，廣泛用于電子技術(shù)教學(xué)、設(shè)計(jì)和科研中。下面以集成同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS192為基礎(chǔ)，基于Multisim軟件實(shí)現(xiàn)大容量N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與仿真。

1 74LS192邏輯功能

74LS192是雙時(shí)鐘輸入的同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，其邏輯符號(hào)如圖1所示。圖中，UP為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，DOWN為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CLR為清零端（高電平有效），～LOAD為預(yù)置數(shù)端（低電平有效），～CO為進(jìn)位輸出端（1001狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出），～BO為借位輸出端（0000狀態(tài)后負(fù)脈沖輸出），A～D為并行數(shù)據(jù)輸入端，QA～QD為計(jì)數(shù)器狀態(tài)輸出端（計(jì)數(shù)狀態(tài)為0000～1001）。

74LS192的邏輯功能如圖2所示，表明它具有如下主要的邏輯功能：

（1）異步清零。當(dāng)CLR=1時(shí)，計(jì)數(shù)器立即清零，即 QDQCQBQA=0000。

（2）異步置數(shù)。當(dāng)～LOAD=0，且CLR=0時(shí)，將A～D并行輸入端的輸入數(shù)據(jù)置入計(jì)數(shù)器，即QAQBQCQD=ABCD。

（3） 加法計(jì)數(shù) 。當(dāng) CLR=0，～LOAD=1，且DOWN=1時(shí)，UP端輸入計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制遞加計(jì)數(shù)。

（4）減法計(jì)數(shù)。當(dāng)CLR=0，～LOAD=1，且 UP=1時(shí)，DOWN端輸入計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)。

圖1 邏輯符號(hào)

圖2 邏輯功能

2 電路仿真設(shè)計(jì)

設(shè)現(xiàn)有M進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要設(shè)計(jì)一個(gè)N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。如果N小于M，需要用一片M進(jìn)制計(jì)數(shù)器就可以實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)；如果N大于M，需要用多片M進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)大容量N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)。

2.1 級(jí)聯(lián)法設(shè)計(jì)

級(jí)聯(lián)法是指先將大容量計(jì)數(shù)器模N分解為多個(gè)因數(shù)相乘（每個(gè)因數(shù)小于單片計(jì)數(shù)器模的最大值），即 N=N1·N2·N3…Nn，再用 n片計(jì)數(shù)器分別組成模值為N1、N2、…、Nn的計(jì)數(shù)器，最后采用串聯(lián)進(jìn)位或并行進(jìn)位方式級(jí)聯(lián)起來從而實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

例如，用兩片74LS192設(shè)計(jì)一個(gè)60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

要設(shè)計(jì)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器模N=6×10，個(gè)位片U1組成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（第一片低位）；十位片U2組成6進(jìn)制計(jì)數(shù)器（第二片高位），采用串行進(jìn)位級(jí)聯(lián)方式將兩片級(jí)聯(lián)起來，即將低位片計(jì)數(shù)器U1進(jìn)位端～CO的輸出信號(hào)作為高位片計(jì)數(shù)器U2的計(jì)數(shù)輸入脈沖。當(dāng)十位片計(jì)數(shù)器U2計(jì)到6時(shí)，異步置數(shù)端～LOAD=0，計(jì)數(shù)器被置數(shù)到0，從而實(shí)現(xiàn)了60進(jìn)制計(jì)數(shù)。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，利用Multisim 11軟件創(chuàng)建的設(shè)計(jì)仿真電路如圖3所示。運(yùn)行仿真開關(guān)，觀察到計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，計(jì)到59時(shí)開始循環(huán)，實(shí)現(xiàn)60進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能。

圖3 60進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路

2.2 整體清零法設(shè)計(jì)

整體清零法是指先將多片M進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)成大于N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后利用計(jì)數(shù)器的輸出狀態(tài)SN（同步清零為SN-1）譯碼輸出產(chǎn)生清零信號(hào)，同時(shí)加到多片計(jì)數(shù)器的清零端，使多片計(jì)數(shù)器同時(shí)清零，從而實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

例如，用兩片74LS192設(shè)計(jì)一個(gè)24進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

現(xiàn)在需要設(shè)計(jì)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器，應(yīng)先將兩片74LS192用串行進(jìn)位方式級(jí)聯(lián)構(gòu)成100進(jìn)制計(jì)數(shù)器；再將100進(jìn)制計(jì)數(shù)器采用整體清零法構(gòu)成24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

24進(jìn)制計(jì)數(shù)器對應(yīng)的二進(jìn)制代碼

反饋置零函數(shù)

計(jì)數(shù)器狀態(tài)S24經(jīng)非門輸出的高電平信號(hào)同時(shí)送到兩片計(jì)數(shù)器的清零端，使兩片計(jì)數(shù)器同時(shí)清零，從而實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制計(jì)數(shù)。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，利用Multisim 11軟件創(chuàng)建的設(shè)計(jì)仿真電路如圖4所示。運(yùn)行仿真開關(guān)，觀察計(jì)數(shù)器從0到23計(jì)數(shù)，計(jì)到23時(shí)開始循環(huán)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)24進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。

圖4 24進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器仿真電路

2.3 整體置數(shù)法設(shè)計(jì)

整體置數(shù)法是指先將多片M進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)成大于N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后根據(jù)設(shè)計(jì)選定的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)，確定計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)狀態(tài)，計(jì)數(shù)器從預(yù)置數(shù)狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，計(jì)滿N個(gè)狀態(tài)后譯碼產(chǎn)生置數(shù)信號(hào)，同時(shí)加到多片計(jì)數(shù)器的置數(shù)端，使計(jì)數(shù)器返回到預(yù)置數(shù)狀態(tài)，跳過剩余的不用狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

例如，用兩片74LS192設(shè)計(jì)一個(gè)殊12進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

在數(shù)字鐘里，對時(shí)位的計(jì)數(shù)序列是1、2、…11，12、1、…是12進(jìn)制的，且無0數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到13時(shí)，計(jì)數(shù)狀態(tài)QU2DQU2CQU2BQU2AQU1DQU1CQU1BQU1A=001001001產(chǎn)生置數(shù)信號(hào)，使計(jì)數(shù)器返回到計(jì)1，從而實(shí)現(xiàn)1－12計(jì)數(shù)。所以，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)狀態(tài)00000001，即十位片U2直接置0000，個(gè)位片U1直接置0001，計(jì)數(shù)器的反饋置數(shù)函數(shù)為

根據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，利用Multisim 11軟件創(chuàng)建的設(shè)計(jì)仿真電路如圖5所示。運(yùn)行仿真開關(guān)，觀察計(jì)數(shù)器從1到12計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到13時(shí)回到1，開始循環(huán)計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)12進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。

圖5 特殊12進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器仿真電路

在此設(shè)計(jì)案例中，置數(shù)信號(hào)～LOAD=0由計(jì)數(shù)器狀態(tài)經(jīng)過譯碼產(chǎn)生，有時(shí)也可以由進(jìn)位輸出端～CO（加計(jì)數(shù)）或借位輸出端～BO（減計(jì)數(shù)）輸出信號(hào)產(chǎn)生。

例如，用兩片74LS192設(shè)計(jì)一個(gè)30遞減計(jì)數(shù)器。

需設(shè)計(jì)30遞減計(jì)數(shù)器，應(yīng)先將兩片74LS192級(jí)聯(lián)構(gòu)成100進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器；再將100進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器構(gòu)成30遞減計(jì)數(shù)器。

計(jì)數(shù)器從30開始遞減計(jì)數(shù)，預(yù)設(shè)置數(shù)應(yīng)為30，相應(yīng)的計(jì)數(shù)狀態(tài)為00110000，即個(gè)位片U1置數(shù)0000，十位片U2置數(shù)0011。個(gè)位計(jì)數(shù)器U1（從9減計(jì)數(shù)到0時(shí)），～BO端（發(fā)出低電平信號(hào)，平時(shí)為高電平）發(fā)出一個(gè)負(fù)脈沖作為十位計(jì)數(shù)器U2減計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)，十位計(jì)數(shù)器U2減1計(jì)數(shù)；當(dāng)十位計(jì)數(shù)器U2和個(gè)位計(jì)數(shù)器U1都處于全0時(shí)，十位計(jì)數(shù)器U2的～BO=～LOAD=0，計(jì)數(shù)器完成置數(shù)作用，此后～BO=～LOAD=1，計(jì)數(shù)器在減計(jì)數(shù)脈沖作用下，進(jìn)入下一輪30遞減計(jì)數(shù)。

根據(jù)此設(shè)計(jì)原理，利用Multisim 11軟件創(chuàng)建的設(shè)計(jì)仿真電路如圖6所示。運(yùn)行仿真開關(guān)，觀察計(jì)數(shù)器從30到00遞減計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)到00時(shí)計(jì)數(shù)器置30，重新開始減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)30倒計(jì)數(shù)功能。

圖6 30進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器仿真電路

3 結(jié)束語

大容量N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)可以采用級(jí)聯(lián)法、整體清零法和整體置數(shù)法。Multisim軟件具有直觀的圖形界面、龐大的元器件庫、豐富的測試儀器和完備的分析工具，它能夠激發(fā)電子設(shè)計(jì)愛好者的設(shè)計(jì)靈感，是現(xiàn)代電子電路設(shè)計(jì)的有效方法。基于Multisim實(shí)現(xiàn)大容量N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與仿真，操作簡單，搭接電路方便，仿真結(jié)果清晰表明設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的N進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。