任駿原

（渤海大學 數(shù)理學院物理系，遼寧 錦州 121000）

Multisim仿真軟件是由加拿大InteractiveImageTechnologies公司開發(fā)的一種基于SPICE工業(yè)標準的EDA軟件，它就像一個真正的實驗工作臺，將電路原理圖的輸入、虛擬儀器的測試分析和結(jié)果的圖形顯示等集成到一個設計窗口[1－3]。

在用Multisim仿真軟件進行計數(shù)器狀態(tài)變化過程波形仿真分析時，用虛擬儀器中的字組產(chǎn)生器做實驗中的信號源產(chǎn)生所需的各種輸入信號，用四蹤示波器觀測輸入、輸出波形，可直觀描述計數(shù)器的工作特性，且解決了計數(shù)器工作波形無法用實際電子實驗儀器進行分析驗證的問題[1]。

1 74LS161的功能及異步置零法

74LS161是集成4位二進制加法計數(shù)器[1－2]，功能表如表1所示。其中CLK為時鐘脈沖輸入端、ENP及ENT為計數(shù)控制端、～LOAD為預置數(shù)控制端、～CLR異步置零控制端、DCBA為預置數(shù)輸入端、QDQCQBQA為狀態(tài)輸出端、RCO為進位輸出端，單片74LS161有從0000～1111共16個計數(shù)狀態(tài)。

利用74LS161的預置數(shù)控制端～LOAD或異步清零端～CLR在計數(shù)循環(huán)過程跳過2n～N個狀態(tài)，可構(gòu)成任意N（N＜2n）進制計數(shù)器，基本方法有置零法和置數(shù)法[1－2]。

用異步置零法將74LS161構(gòu)成任意進制計數(shù)器時，使用計數(shù)和異步清零功能：用計數(shù)功能完成0～過度狀態(tài)（最后一個有效狀態(tài) ＋1的狀態(tài)）的狀態(tài)轉(zhuǎn)換、將過渡狀態(tài)進行譯碼產(chǎn)生～CLR=0的異步置零信號在過渡狀態(tài)異步清零。

過渡狀態(tài)持續(xù)時間極短，～CLR=0的異步置零信號形成并完成置零后立刻消失。

過渡狀態(tài)非完全譯碼時，僅由過渡狀態(tài)中為1的Q端狀態(tài)產(chǎn)生～CLR=0 信號，～CLR 的邏輯表達式為[1－2]：

即～CLR等于過渡狀態(tài)中值為1狀態(tài)變量的與非。

74LS161的其他控制端、輸入端的邏輯表達式為[1－2]：

表1 74LS161功能表Tab.1 Function table for 74LS161

2 異步置零法Multisim仿真方案設計

2.1 異步置零法的狀態(tài)圖及仿真方案設計要求

用Multisim10版本以構(gòu)成10進制計數(shù)器為例，說明Multisim仿真方案設計。

異步置零法10進制計數(shù)器的狀態(tài)圖如圖1所示，其中0000～1001為正常計數(shù)的狀態(tài)，過渡態(tài)為QDQCQBQA=1001＋1=1010，1010過渡狀態(tài)形成～CLR=0信號完成置零后消失，作用10個時鐘脈沖完成一個計數(shù)周期的循環(huán)。

圖1 異步置零法的10進制計數(shù)器狀態(tài)圖Fig.1 State diagram of decimal counter using asynchronous reset method

仿真方案設計的要求是以時序波形圖方式直觀顯示計數(shù)過程、過渡狀態(tài)形成～CLR=0信號的過程，從而便于直觀理解過渡狀態(tài)的作用及計數(shù)原理。

其中，持續(xù)時間極短的過渡狀態(tài)及～CLR=0信號的形成過程的波形顯示是用Multisim軟件仿真的技術關鍵，在實際硬件實驗中是難以實現(xiàn)的，用Multisim軟件仿真亦需要對仿真方案進行正確的設計。

2.2 Multisim仿真實驗方法

構(gòu)建的仿真實驗電路如圖2所示。

1）時鐘信號選擇

選擇Multisim中的字組產(chǎn)生器產(chǎn)生計數(shù)器的時鐘脈沖信號。

字組產(chǎn)生器輸出10進制計數(shù)所需的10個時鐘脈沖信號，需在字組產(chǎn)生器的數(shù)據(jù)欄內(nèi)以16進制（Hex）依次輸入 0、1、0、1、0、1、0、1、0、1、0、1、0、1、0、1、0、1、0、1、0 共 21 個 字 組數(shù)據(jù)，并對最后一個字數(shù)據(jù)進行末地址設置 （Set Final Position），完成所有字組信號的設置[3－4]。并設置頻率為fCLK=1 kHz（周期 TCLK=1 ms）。

仿真實驗時，字信號發(fā)生器的輸出方式為全部（BURST）時剛好顯示一個計數(shù)周期的波形、字信號發(fā)生器的輸出方式為單步（STEP）時可逐個脈沖輸出便于觀察每個時鐘作用后計數(shù)器的狀態(tài)變化情況。

2）74LS161集成4位二進制計數(shù)器觸發(fā)方式修正

Multisim10版本中，集成4位二進制計數(shù)器74LS161的時鐘脈沖觸發(fā)方式有錯誤，為CLK為下降沿觸發(fā)，附加反相器74LS04（圖2中U3A）修正為和實際器件一致的上升沿觸發(fā)方式。

3）顯示儀器選擇

圖2 異步置零法十進制計數(shù)器仿真電路Fig.2 Simulation circuit of decimal counter using asynchronous reset method

實驗表明，Multisim中的邏輯分析儀可以同步顯示多路數(shù)字信號的波形，但對持續(xù)時間較短的～CLR信號及過渡狀態(tài)卻顯示不出來。因此圖2中選用Multisim中的2個四蹤示波器同步顯示時鐘脈沖信號CLK、異步置零信號～CLR及狀態(tài)輸出信號QAQBQCQD，其中四蹤示波器XSC1同步顯示CLK及～CLR信號，四蹤示波器XSC2同步顯示QAQBQCQD信號，兩個示波器的面板以部分重疊方式顯示，如圖3所示，且兩個面板的Timebase區(qū)中的Scale、X position要設置一致，顯示一個計數(shù)循環(huán)周期的波形。

4）過渡態(tài)及～CLR異步置零信號的延時

圖2中U2A與非門74LS00用于在過渡態(tài)形成～CLR=0的異步置零信號，為能明顯觀察過渡態(tài)、～CLR信號的形成過程，需對與非門74LS00的上升延遲時間及下降延遲時間進行增大設置，通過Edit Model設置成rise delay=0.05 ms，fall delay=0.05 ms，使74LS00的平均延遲時間tpd=0.05 ms，亦可大于或小于0.05 ms，以能明顯顯示過渡狀態(tài)及異步置零信號為原則，但不能大于時鐘信號的周期。

3 仿真結(jié)果分析

仿真顯示的時序波形圖如圖3所示。

圖3 仿真時序圖波形Fig.3 Timing diagram of simulation

圖3中，由上至下依次為時鐘脈沖信號CLK、異步置0信號～CLR、狀態(tài)輸出信號QA～QD的波形。

從左至右觀察圖3可看出：第1個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0001，～CLR=1；第2個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0010，～CLR=1；第3個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0011，～CLR=1；第4個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0100，～CLR=1；第5個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0101，～CLR=1；第6個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0110，～CLR=1；第7個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=0111，～CLR=1；第8個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1000，～CLR=1；第9個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1001，～CLR=1；第10個時鐘脈沖信號CLK上升沿到來后計數(shù)器進入QDQCQBQA=1010的過渡狀態(tài)，使～CLR=0，持續(xù)暫短時間后計數(shù)器異步置零，使QDQCQBQA=0000。

經(jīng)過10個時鐘脈沖信號作用后完成一個計數(shù)周期的循環(huán)，仿真實驗結(jié)果和圖1所示狀態(tài)圖的要求一致。

4 結(jié)束語

由于受實驗儀器的限制無法對計數(shù)器工作波形進行硬件實驗驗證，主要是，現(xiàn)有的信號發(fā)生器不能產(chǎn)生多路同步信號，現(xiàn)有的示波器多為雙蹤示波器無法同時觀測多路波形，用Multisim軟件仿真解決了這一問題。

本文的仿真電路，用2個四蹤示波器以時序波形圖形式顯示計數(shù)器輸出狀態(tài)，可直觀顯示計數(shù)過程、過渡狀態(tài)形成～CLR=0信號的過程及狀態(tài)變化與時鐘脈沖信號邊沿的對應關系。

所述方法具有實際應用意義。

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