張學(xué)文,司佑全
(湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 黃石 435002)
計(jì)數(shù)器是最常用的時(shí)序電路之一,它不僅可用于對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),還可用于實(shí)現(xiàn)分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及其它時(shí)序信號[1]。常見的集成計(jì)數(shù)器為二進(jìn)制和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中,最常用的是二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,74LS90是異步二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,利用其清零端或預(yù)置數(shù)端,外加適當(dāng)?shù)拈T電路就可以組成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。
本文用Multisim9對中規(guī)模集成芯片74LS90通過適當(dāng)連接構(gòu)成7進(jìn)制計(jì)數(shù)器和15進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行仿真。
常用集成計(jì)數(shù)器分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(含同步、異步、加減和可逆)和非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(含同步、異步、加減和可逆),74LS90計(jì)數(shù)器是一種中規(guī)模二-五-十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器,管腳圖如圖1所示。
圖1 74LS90管腳圖
74LS90是異步二-五-十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,它既可以作二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,又可以作五進(jìn)制和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。通過不同的連接方式,74LS90可以實(shí)現(xiàn)四種不同的邏輯功能,而且還可借助R0(1)、R0(2)對計(jì)數(shù)器清零,借助S9(1)、S9(2)將計(jì)數(shù)器置9。其具體功能詳述如下:
1)計(jì)數(shù)脈沖從CPA輸入,QA作為輸出端,為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。
2)計(jì)數(shù)脈沖從CPB輸入,QDQCQB作為輸出端,為異步五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。(QD作為輸出時(shí),是十分頻電路,占空比為20%,QC作為輸出時(shí),也是十分頻電路,占空比為40%)
3)若將CPB和QA相連,計(jì)數(shù)脈沖由CPA輸入,QD、QC、QB、QA作為輸出端,則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。
4)若將CPA與QD相連,計(jì)數(shù)脈沖由CPB輸入,QA、QD、QC、QB作為輸出端,則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器[2]。(QA作為輸出時(shí),是十分頻電路,占空比為50%)
5)清零、置9功能。
a)異步清零
當(dāng)R0(1)、R0(2)均為“1”;S9(1)、S9(2)中有“0”時(shí),實(shí)現(xiàn)異步清零功能,即QDQCQBQA=0000.
b)置9功能
當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“1”;R0(1)、R0(2)中有“0”時(shí),實(shí)現(xiàn)置9功能,即QDQCQBQA=1001.
應(yīng)用N進(jìn)制的集成計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)任意模值M(M
2.1.1 7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(清零法)
1)從0開始計(jì)數(shù)
輸入端接入10Hz的時(shí)鐘脈沖,輸出端接入LED,通過觀察LED燈亮暗的狀態(tài)來觀察實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。輸入端接入1kHz的時(shí)鐘脈沖,輸出接入四蹤示波器觀察輸出端的時(shí)序波形。如圖2所示。
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QAQBQCQD)
CPA端輸入脈沖信號,CPB接QA端,2×5進(jìn)制計(jì)數(shù)器,8421BCD碼的10進(jìn)制計(jì)數(shù)器,再用脈沖反饋法,令R0(1)=R0(2)=QCQBQA實(shí)現(xiàn)。第N(7)個(gè)CP脈沖后,由輸出端的“1”去控制清零端。當(dāng)計(jì)數(shù)器出現(xiàn)0111狀態(tài)時(shí),計(jì)數(shù)器迅速復(fù)位到0000狀態(tài),然后又開始從0000狀態(tài)計(jì)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)0000~0110七進(jìn)制計(jì)數(shù)。利用清零功能將0111、1000、1001這3個(gè)狀態(tài)去掉。當(dāng)QDQCQBQA=0111時(shí),迅速復(fù)位到0000,然后又開始從0000狀態(tài)計(jì)數(shù)。0111狀態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間極短,通常只有10ns左右,并不能看到。因而我們認(rèn)為該電路是一個(gè)實(shí)現(xiàn)從0000-0110的七進(jìn)制計(jì)數(shù)器[3]。由圖2(b)可見,反饋清零法組成7進(jìn)制計(jì)數(shù)器有一個(gè)瞬態(tài)。
74LS90十進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 用Multisim9仿真時(shí)出現(xiàn)了開機(jī)亂碼現(xiàn)象, 電路在開始運(yùn)行時(shí),產(chǎn)生隨機(jī)數(shù),直到下一次脈沖信號到來,電路才從零開始計(jì)數(shù),所以需要設(shè)計(jì)電路進(jìn)行復(fù)位[4]。具體做法是增加上電清零功能,如圖3(a)所示,在電路中加入清零開關(guān)和閉合開關(guān),電路可在任意情況下清零;斷開開關(guān),計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。確保7進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路能從0開始計(jì)數(shù)。
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QAQBQCQD)
2)從1開始計(jì)數(shù)
單片74LS90能實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(從0計(jì)數(shù)到9), 似乎可用其實(shí)現(xiàn)“9翻1”計(jì)數(shù)器, 但因9之后的第一個(gè)無效狀態(tài)為0000,無為1的輸出端, 而其又是加計(jì)數(shù)器, 無法獲取反饋控制信號,故不能實(shí)現(xiàn)“9翻1”.74LS90并無置1端, 只有置9端和置0端,又該如何實(shí)現(xiàn)8以內(nèi)的翻1?因?yàn)?4LS90的十進(jìn)制實(shí)際上是由其內(nèi)部的二進(jìn)制和五進(jìn)制計(jì)數(shù)器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的,若在二進(jìn)制輸出端加一個(gè)非門,同樣還是一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 這時(shí)再將改造后的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出與其內(nèi)部的五進(jìn)制計(jì)數(shù)器級聯(lián),芯片的置0端,這時(shí)就轉(zhuǎn)變?yōu)橹?端。需注意的是,74LS10的輸出應(yīng)作為最低位, 而不是QA[5].如圖4所示。
圖4 7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(清零法)(8421 BCD碼接法)從1開始計(jì)數(shù)
2.1.2 7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(異步置數(shù)法)
1)異步置數(shù)法7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(未加門電路)
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QAQBQCQD)
因?yàn)?的BCD代碼為0111,所以只用兩個(gè)復(fù)位0輸入R0(1)、R0(2)來實(shí)現(xiàn)每7個(gè)輸入脈沖的一次復(fù)位是不可能的,利用復(fù)位9輸入R9(1)、R9(2)并使復(fù)位0輸入R0(1)、R0(2)接地,QC、QB輸出端分別接到R9(1)、R9(2)端(腳6、7)上,輸出為0110時(shí),QB=QC=1,S9(1)=S9(2)=1,置9(1001)。輸出QDQCQBQA依次為0000→0001→0010→0011→0100→0101→1001之后再從0000開始循環(huán)[6~8]。
2)異步置數(shù)法7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(加門電路)
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QAQBQCQD)
異步置數(shù)法7進(jìn)制計(jì)數(shù)器,當(dāng)計(jì)數(shù)器QDQCQBQA為0110(6)時(shí),立即產(chǎn)生“置9”信號,使R9(1)=R9(2)=1,將電路置成QDQCQBQA=1001,因此電路在0-1……5-9這七個(gè)狀態(tài)之間循環(huán),電路為7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。0110是過渡狀態(tài),0110、0111、1110、1111這4個(gè)狀態(tài)是過渡狀態(tài)[9]。
缺點(diǎn)0101→1001變化過程中轉(zhuǎn)換時(shí)間過短。改進(jìn)方法:在電路中加入一個(gè)RS觸發(fā)器延長時(shí)間,使其正常(圖7所示)。
圖7 異步置數(shù)法7進(jìn)制計(jì)數(shù)器改進(jìn)電路
3)異步置數(shù)法7進(jìn)制計(jì)數(shù)器改進(jìn)電路
利用與門產(chǎn)生清零信號,此信號隨著計(jì)數(shù)器清零而立即消失,持續(xù)時(shí)間極短,如果觸發(fā)器的復(fù)位速度有快有慢,則可能動作慢的觸發(fā)器還未來得及復(fù)0,清零信號已經(jīng)消失,導(dǎo)致電路產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤。因此,這種接法的電路可靠性不高。修正電路:反饋信號與清零端之間接一個(gè)基本RS觸發(fā)器。既保證了在第7個(gè)計(jì)數(shù)脈沖下降沿到來時(shí),R0(1)、R0(2)為高電平,亦提高了計(jì)數(shù)器置0復(fù)位時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的速率。使得清0復(fù)位信號有足夠的作用時(shí)間使計(jì)數(shù)器可靠地清“0”.
2.2.1 CPA與QD相連,清零法
1)不接門電路
CPB端輸入脈沖信號,CPA接QD端,5421碼輸出(QAQDQCQB),如圖8所示。
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QBQCQDQA)
2)接門電路
從上至下依次為QBQCQDQA,在0,1,2,3,4,5,6之間循環(huán),6(1001)之后出現(xiàn)了一個(gè)輸出端有短暫的過渡態(tài)(“毛刺”), 這是異步清零產(chǎn)生的。
CPB端輸入脈沖信號,CPA接QD端,5421碼輸出(QAQDQCQB),如圖9所示。
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QBQCQDQA)
2.2.2 CPA與QD相連,7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(置數(shù)法) 因?yàn)?的BCD代碼為0111,所以只用兩個(gè)復(fù)位0輸入R0(1)、R0(2)來實(shí)現(xiàn)每7個(gè)輸入脈沖的一次復(fù)位是不可能的,但利用復(fù)位9輸入R9(1)、R9(2),并使復(fù)位0輸入R0(1)、R0(2)接地,QC、QB輸出端分別接到R9(1)、R9(2)端(腳6、7)上,這時(shí)計(jì)數(shù)器就能對0、1、2、3、4、5、9、0…等等進(jìn)行計(jì)數(shù),由輸出端QC或QD就可以得到非對稱的7進(jìn)制輸出[6],如圖10所示。
(a)電路圖
(b)時(shí)序圖(從上至下依次為QBQCQDQA)
2.2.3 CPA與QC相連,7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(清零法) 從上至下依次為QBQCQDQA,CPB端輸入脈沖信號,CPA接QC端,5421碼(QAQDQCQB), 在0-1-2-3-9-5-6-0這七個(gè)狀態(tài)之間循環(huán),電路為7進(jìn)制計(jì)數(shù)器。6(1001)之后出現(xiàn)了一個(gè)輸出端有短暫的過渡態(tài)(“毛刺”),這是異步清零產(chǎn)生的,如圖11所示。
圖11 7進(jìn)制計(jì)數(shù)器(清零法)(CPA接QC端)
用74LS90實(shí)現(xiàn)模為15的計(jì)數(shù)器,有兩種方法。
1)方法一:反饋歸零法(復(fù)位法)
2)方法二:級聯(lián)法,M為15;15=3×5,用兩片74LS90,一片實(shí)現(xiàn)3進(jìn)制,一片實(shí)現(xiàn)5進(jìn)制,再將兩片進(jìn)行級聯(lián)即可。
3.1.1 百進(jìn)制計(jì)數(shù)器 用兩片74LS90構(gòu)成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器。每片74LS90芯片連接實(shí)現(xiàn)8421十進(jìn)制輸出,輸出狀態(tài)排列為QDQCQBQA輸出值為0000~1001,構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。(74LS90 為下降沿觸發(fā),低位清零時(shí),進(jìn)位信號由“1”到“0”,使高位進(jìn)位,不用外加其他電路。)用低位片的高位輸出QD作為高位片時(shí)鐘輸入,即當(dāng)?shù)臀黄敵鰻顟B(tài)由1001回到0000時(shí),讓高位片時(shí)鐘脈沖出現(xiàn)工作點(diǎn)(下降沿),則高位片同時(shí)計(jì)數(shù)一次。低位片計(jì)數(shù)一個(gè)周期,低位片QD發(fā)出進(jìn)位信號,高位片計(jì)數(shù)一次,計(jì)數(shù)起點(diǎn)8421碼為0000 0000,終點(diǎn)為1001 1001,轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制后為00~99,實(shí)現(xiàn)百進(jìn)制計(jì)數(shù)。如圖12所示。
圖12 百進(jìn)制計(jì)數(shù)器
圖13 15進(jìn)制計(jì)數(shù)器(級聯(lián))(整體清零法構(gòu)成15進(jìn)制計(jì)數(shù)電路)
3.1.2 15進(jìn)制計(jì)數(shù)器 兩個(gè)74LS90組成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器之后,將狀態(tài)“0001 0101”通過反饋與門輸出至異步清零端,從而實(shí)現(xiàn)15進(jìn)制計(jì)數(shù)器。如圖13所示。
兩個(gè)74LS90 芯片的清零端 R0(1)、R0(2)在出現(xiàn)15這個(gè)數(shù)時(shí)對其進(jìn)行納秒級的清零動作,所以查看計(jì)數(shù)過程中不會出現(xiàn) 15 這個(gè)數(shù)[10]。
個(gè)位片的R0(1)必須和十位片R0(1)連接在一起;個(gè)位片的R0(2)也要和十位片的R0(2)連接在一起;只有這么連接,才可能使兩片74LS90同時(shí)清零。
級聯(lián)法,M為15;15=3×5,用兩片74LS90,一片實(shí)現(xiàn)3進(jìn)制,一片實(shí)現(xiàn)5進(jìn)制,采用串行進(jìn)位級聯(lián)方式將兩片級聯(lián)起來。即將低位片計(jì)數(shù)器QC的輸出信號作為高位片計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入脈沖。
實(shí)際連接電路后發(fā)現(xiàn)圖14電路為20進(jìn)制計(jì)數(shù)器,而且0011、0111、1111這幾個(gè)狀態(tài)沒有出現(xiàn)。
設(shè)計(jì)電路時(shí),不能確定CP和QB哪個(gè)先改變狀態(tài),則不能正確確定電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。要保證CP的下降沿在QB的新狀態(tài)穩(wěn)定后才到達(dá),在QB到CP的傳輸通道增加延遲環(huán)節(jié),使總的延遲時(shí)間足夠長即可[11~12]。在圖14電路中增加一個(gè)RC延時(shí)電路,如圖15所示,0011、0111、1111這幾個(gè)狀態(tài)出現(xiàn)了,電路為20進(jìn)制計(jì)數(shù)器,但還不是15進(jìn)制計(jì)數(shù)器。
圖14 15進(jìn)制計(jì)數(shù)器(級聯(lián))
圖15 15進(jìn)制計(jì)數(shù)器(級聯(lián))(加RC延時(shí))
改進(jìn)電路如圖16所示。將圖16中X4、X3、X2、X1接4與非門74LS20的4個(gè)輸入端后接非門74LS04之后再接入5進(jìn)制的R01端。
圖16 15進(jìn)制計(jì)數(shù)器(級聯(lián))(改進(jìn)電路)
當(dāng)7進(jìn)制計(jì)數(shù)器BCD碼中高電平的輸出端不超過2個(gè)時(shí),可以直接將其相應(yīng)端接入74LS90的清零端或置數(shù)端,不需要另外接入門電路。
QD與CPA相連組成5421碼進(jìn)制外,QC與CPA相連同樣可以組成5421碼進(jìn)制輸出。
仿真中出現(xiàn)開機(jī)亂碼,在電路中加入清零開關(guān),閉合開關(guān),電路可在任意情況下清零;斷開開關(guān),計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。確保7進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路能從0開始計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器漏跳時(shí),可以加入RS觸發(fā)器、增加RC延時(shí)電路來解決。
15進(jìn)制級聯(lián)時(shí),按照電路原理,第一級3進(jìn)制,第二級5進(jìn)制,兩級相連,分別清零即可。但實(shí)際電路需要將1111狀態(tài)整體清零。
由此可見,使用集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí),需要結(jié)合芯片的功能表,并根據(jù)電路的實(shí)際應(yīng)用場合采用合適的連接方式。利用Multisim9仿真軟件進(jìn)行分析,有助于直觀地觀察電路運(yùn)行結(jié)果,利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,修改方便,便于驗(yàn)證,幫助熟練掌握任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法。
實(shí)踐證明,引入仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié),學(xué)生對任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的分析和設(shè)計(jì)理解更加清晰透徹,該方法有效地提高了教學(xué)效果和質(zhì)量[13~17]。
湖北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2020年2期