楊明，高春林（云南中醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，云南昆明，650500）

基于Multisim的集成計數(shù)器及應(yīng)用邏輯功能的仿真

楊明，高春林
（云南中醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，云南昆明，650500）

在數(shù)字電路的教學(xué)中，集成計數(shù)器是一個重點(diǎn)無疑也是一個教學(xué)難點(diǎn)。本文以典型的74LS161N 同步四位二進(jìn)制計數(shù)器為例，用Multisim12軟件對其進(jìn)行功能仿真，并運(yùn)用反饋清零法和反饋置數(shù)法設(shè)計十進(jìn)制計數(shù)器，用同步和異步級聯(lián)設(shè)計六十進(jìn)制計數(shù)器來講述任意進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計方法，該設(shè)計方法靈活直觀，可以非常直觀的將電路和輸出狀態(tài)展現(xiàn)在屏幕上。通過該方法的學(xué)習(xí)，可加深學(xué)生對計數(shù)器的理解，提高學(xué)生的電路設(shè)計和實(shí)踐動手能力。

Multisim12；計數(shù)器；設(shè)計；仿真

0 引言

數(shù)字電路是高校計算機(jī)及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。數(shù)字電路可基本分為組合邏輯電路和時序邏輯電路，而集成計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的時序邏輯電路[1]，其廣泛應(yīng)用于計數(shù)、分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍和脈沖序列及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算［2］。但在教學(xué)中計數(shù)器卻難于理解，并且在實(shí)驗室的條件下也難于實(shí)現(xiàn)，隨著教學(xué)方法的改革和教學(xué)手段多樣化的改善，可在教學(xué)中引入電路仿真軟件用于數(shù)字電路實(shí)驗課程，以減少實(shí)驗設(shè)備的損耗并降低實(shí)驗成本[3]。如利用Multisim12仿真軟件進(jìn)行仿真分析，可以將計數(shù)器的邏輯功能及計數(shù)過程展示給學(xué)生，既加深了學(xué)生的理解，又減輕了老師的負(fù)擔(dān)，提高了教學(xué)效果，有利于輔助教學(xué)[4]。本文以具有異步清零功能的集成4位同步2進(jìn)制計數(shù)器74LS161N為基礎(chǔ)，以Multisim12軟件進(jìn)行任意進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計，然后進(jìn)行仿真測試、分析。

1 集成計數(shù)器74LS161N的特性和功能仿真

1.1 同步集成計數(shù)器74LS161N的特性

4位二進(jìn)制計數(shù)器74LS161N是典型的常用中規(guī)模集成計數(shù)器，具有異步清零、同步并行預(yù)置數(shù)、加法計數(shù)和保持功能。74LS161N的特性表如表1所示。

1.2 同步集成計數(shù)器功能仿真設(shè)計

在Multisim12中構(gòu)建集成計數(shù)器74LS161N邏輯功能仿真電路，如圖1所示。選擇單刀雙擲開關(guān)產(chǎn)生時鐘脈沖輸入信號CLK、計數(shù)控制信號ENP及ENT、預(yù)置數(shù)控制信號~ LOAD、異步置零控制信號~ CLR及預(yù)置數(shù)輸入信號ABCD，采用指示燈或LED顯示狀態(tài)輸出信號QAQBQCQD、進(jìn)位輸出信號RCO的狀態(tài)，指示燈或LED亮顯示邏輯1、不亮顯示邏輯0。

表 1 74LS161N的特性表

Multisim12版本中，74LS161N的時鐘脈沖觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，圖1中的U2A非門74LS04N的作用是修正為和實(shí)際器件一致的上升沿觸發(fā)方式，本圖顯示了計數(shù)脈沖為5個時的情況。

2 任意進(jìn)制計數(shù)器的構(gòu)成方法

從降低成本的角度考慮，集成電路的定型產(chǎn)品必須有足夠大的批量。因此，目前常見的計數(shù)器芯片在計數(shù)進(jìn)制上只做成應(yīng)用較為廣泛的幾種類型,，如十進(jìn)制、十六進(jìn)制、7位二進(jìn)制、12位二進(jìn)制、14位二進(jìn)制等。在需要其他任意一種進(jìn)制的計數(shù)器時，就需要在單片或多片級聯(lián)的基礎(chǔ)上利用集成計數(shù)器的清零端或置數(shù)端, 讓電路跳過某些狀態(tài)就可以獲得任意 N 進(jìn)制計數(shù)器[5]。

圖1 集成計數(shù)器74LS161N邏輯功能仿真電路

假如已有的是N進(jìn)制計數(shù)器，而需要得到的是M進(jìn)制計數(shù)器。這時有M＜N和M＞N兩種可能的情況。

2.1 M＜N的情況

在N進(jìn)制計數(shù)器的順序計數(shù)過程中設(shè)法跳過N－M個狀態(tài)即可，就可以得到M進(jìn)制計數(shù)器了。實(shí)現(xiàn)跳躍的方法有置零法和置數(shù)法兩種。

置零法適用于有置零輸入端的計數(shù)器。對于有異步置零輸入端的計數(shù)器，在電路從全0狀態(tài)S0進(jìn)入SM狀態(tài)時譯碼產(chǎn)生置零信號加到計數(shù)器的異步置零輸入端，使計數(shù)器立刻返回S0狀態(tài)，這樣就跳過N－M個狀態(tài)而得到M進(jìn)制計數(shù)器，如圖2中虛線所示。對于有同步置零輸入端的計數(shù)器，在電路從全0狀態(tài)S0進(jìn)入SM-1狀態(tài)時譯碼產(chǎn)生置零信號加到計數(shù)器的同步置零輸入端，計數(shù)器在下一個時鐘信號達(dá)到后返回S0狀態(tài)，如圖2中實(shí)線所示。

置數(shù)法與置零法不同，它是通過給計數(shù)器重復(fù)置入某個數(shù)值的方法跳過N－M個狀態(tài)，從而獲得M進(jìn)制計數(shù)器，這種方法適用于有預(yù)置數(shù)功能的計數(shù)器電路。置數(shù)法可以在電路的任何一個狀態(tài)下進(jìn)行。對于同步式預(yù)置數(shù)的計數(shù)器，LD′＝0的信號應(yīng)從Si狀態(tài)譯出，待下一個CLK到來時才將要置入的數(shù)據(jù)置入計數(shù)器中，穩(wěn)定的狀態(tài)循環(huán)中包含有Si狀態(tài)，如圖3中實(shí)線所示。而對于異步式預(yù)置數(shù)的計數(shù)器，信號應(yīng)從Si+1狀態(tài)譯出，Si+1狀態(tài)只在極短的瞬間出現(xiàn)，如圖3中虛線所示。

圖2 置零法

圖3 置數(shù)法

2.2 M＞N的情況

這時必須用多片N進(jìn)制計數(shù)器組合起來，才能構(gòu)成M進(jìn)制計數(shù)器。各片之間的連接方式可分為串行進(jìn)位方式、并行進(jìn)位方式、整體置零方式和整體置數(shù)方式幾種。下面以兩級之間的連接為例說明四種方式的原理。若M可以分解為兩個小于N的因數(shù)相乘，即M＝N1╳N2 ，則可采用串行進(jìn)位方式或并行方式將一個N1進(jìn)制計數(shù)器和一個N2進(jìn)制計數(shù)器連接起來，構(gòu)成M進(jìn)制計數(shù)器。在串行進(jìn)位方式中，以低位片的進(jìn)位信號作為高位片的時鐘輸入信號。在并行進(jìn)位方式中，以低位片的進(jìn)位輸出信號作為高位片的工作狀態(tài)控制信號，兩片的CLK輸入端同時接計數(shù)輸入信號。

圖4 異步置零法構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器仿真電路

3 任意進(jìn)制計數(shù)器的仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 用74LS161N異步置零法構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器

如圖4所示為利用清零法設(shè)計的一個十進(jìn)制計數(shù)器。因為74LS161N是異步清零，所以，在QDQCQBQA=1010時產(chǎn)生清零信號～CLR。

圖5 同步置數(shù)法構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器仿真電路

3.2 用74LS161N同步置數(shù)法構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器

如圖5所示為利用置數(shù)法設(shè)計的一個十進(jìn)制計數(shù)器。因為74LS161N是同步置數(shù)，所以，在QDQCQBQA=1001時產(chǎn)生清零信號～LOAD。

3.3 用74LS161N同步級聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計數(shù)器

如圖6所示為兩片74LS161N通過同步級聯(lián)構(gòu)成的一個六十進(jìn)制計數(shù)器[6]。U1集成計數(shù)器74LS161N構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器，U2集成計數(shù)器74LS161N構(gòu)成六進(jìn)制計數(shù)器，U1、U2兩片共用一個時鐘脈沖信號，用U5A及U4B形成的進(jìn)位信號控制高位片U2的計數(shù)控制端EP及ET進(jìn)行同步級聯(lián)。因為74LS161N是同步置數(shù)，所以，在QDQCQBQA=1001時產(chǎn)生清零信號～LOAD。

圖6 74LS161N同步級聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計數(shù)器仿真電路

單擊仿真開關(guān)后計數(shù)器開始計數(shù)，在計數(shù)時鐘脈沖CP作用下從00～59等60個狀態(tài)的循環(huán)變化，進(jìn)行加法計數(shù)。

圖7 74LS161N異步級聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計數(shù)器仿真電路

3.4 用74LS161N異步級聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計數(shù)器

如圖7所示為兩片74LS161N通過異步級聯(lián)構(gòu)成的一個六十進(jìn)制計數(shù)器。U1集成計數(shù)器74LS161N構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器，U2集成計數(shù)器74LS161N構(gòu)成六進(jìn)制計數(shù)器，用U5A和U4B形成的進(jìn)位信號控制高位片U2的計數(shù)脈沖信號進(jìn)行異步級聯(lián)。

單擊仿真開關(guān)后計數(shù)器開始計數(shù)，在計數(shù)時鐘脈沖CP作用下從00～59等60個狀態(tài)的循環(huán)變化，進(jìn)行加法計數(shù)。

4 結(jié)論

計數(shù)器是一種典型而又應(yīng)用十分廣泛的時序電路[7]。它除用于計數(shù)、分頻外，還廣泛應(yīng)用于數(shù)字測量、運(yùn)算和控制, 是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分[8]。

然而在教學(xué)中學(xué)生對計數(shù)器卻難于理解，尤其是任意進(jìn)制計數(shù)器的構(gòu)成方法。將虛擬仿真軟件Multisim12引入到計數(shù)器電路應(yīng)用教學(xué)中，使電路設(shè)計和實(shí)現(xiàn)變得靈活多樣，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對相關(guān)概念的理解，提高了學(xué)生的電路設(shè)計能力和實(shí)踐動手能力，促進(jìn)了教學(xué)改革。

[1]楊志忠,衛(wèi)樺林.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].2 版.北京:高等教育出版社，2009．

[2]清華大學(xué)電子教學(xué)組，閻石．?dāng)?shù)字電子技基礎(chǔ)[M].5版.北京:高等教育出版社，2006．

[3]蔡娟娟.任意進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計在EWB中的仿真實(shí)驗[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011（9）:150－151.

[4]蒙樹森.基于Multisim10集成計數(shù)器的仿真分析[J].山西電子技術(shù),2013.（2）35－36.

[5]余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].第2版.北京:高等教育出版社,1999:303-306.

[6]任駿原等.數(shù)字邏輯電路Multisim仿真技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[7]丁業(yè)兵等.基于Multisim 的計數(shù)器設(shè)計仿真[J].電子設(shè)計工程,2013.(7):147－149.

[8]萬琰等.基于Multisim10的任意計數(shù)器的設(shè)計與仿真[J].世界科技研究與發(fā)展,2008.(4) 452-454.

楊明，副教授，主要從事通信與信息系統(tǒng)、單片機(jī)及數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘的研究。

高春林（通訊作者），工程師，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與工程、計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)的研究。

Based on the integrated counter and application logic function of Multisim simulation

Yang Ming，Gao Chunlin
(Yunnan University of Traditional Chinese Medicine，Kunming Yunnan，650500)

In the teaching of digital circuit, integrated counter is a key is, of course, a teaching difficulty.In this paper, four typical 74LS161N synchronous binary counter, for example, use Multisim12 simulation software to function, and using the method of feedback reset and feedback for design of decimal counter method, use synchronous and asynchronous cascade design 6 decimal counter to tell the arbitrary hexadecimal design methods, the design method of flexible intuitive, can be very intuitive to circuit and output state display on the screen.Through the study of the method, can deepen students’ understanding of counter, and the ability to practice and improve the students’ circuit design.

Multisim12; The counter; Design; The simulation