基于Multisim的集成計數(shù)器及應用邏輯功能的仿真

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

基于Multisim的集成計數(shù)器及應用邏輯功能的仿真

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

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

Multisim12；計數(shù)器；設計；仿真

0 引言

數(shù)字電路是高校計算機及相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，具有很強的實踐性。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]，其廣泛應用于計數(shù)、分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍和脈沖序列及進行數(shù)字運算［2］。但在教學中計數(shù)器卻難于理解，并且在實驗室的條件下也難于實現(xiàn)，隨著教學方法的改革和教學手段多樣化的改善，可在教學中引入電路仿真軟件用于數(shù)字電路實驗課程，以減少實驗設備的損耗并降低實驗成本[3]。如利用Multisim12仿真軟件進行仿真分析，可以將計數(shù)器的邏輯功能及計數(shù)過程展示給學生，既加深了學生的理解，又減輕了老師的負擔，提高了教學效果，有利于輔助教學[4]。本文以具有異步清零功能的集成4位同步2進制計數(shù)器74LS161N為基礎，以Multisim12軟件進行任意進制計數(shù)器的設計，然后進行仿真測試、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、預置數(shù)控制信號~ LOAD、異步置零控制信號~ CLR及預置數(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)進制上只做成應用較為廣泛的幾種類型,，如十進制、十六進制、7位二進制、12位二進制、14位二進制等。在需要其他任意一種進制的計數(shù)器時，就需要在單片或多片級聯(lián)的基礎上利用集成計數(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進制計數(shù)器，而需要得到的是M進制計數(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進制計數(shù)器的順序計數(shù)過程中設法跳過N－M個狀態(tài)即可，就可以得到M進制計數(shù)器了。實現(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到后返回S0狀態(tài)，如圖2中實線所示。

置數(shù)法與置零法不同，它是通過給計數(shù)器重復置入某個數(shù)值的方法跳過N－M個狀態(tài)，從而獲得M進制計數(shù)器，這種方法適用于有預置數(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)下進行。對于同步式預置數(shù)的計數(shù)器，LD′＝0的信號應從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中實線所示。而對于異步式預置數(shù)的計數(shù)器，信號應從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進制計數(shù)器組合起來，才能構(gòu)成M進制計數(shù)器。各片之間的連接方式可分為串行進位方式、并行進位方式、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 ，則可采用串行進位方式或并行方式將一個N1進制計數(shù)器和一個N2進制計數(shù)器連接起來，構(gòu)成M進制計數(shù)器。在串行進位方式中，以低位片的進位信號作為高位片的時鐘輸入信號。在并行進位方式中，以低位片的進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)成十進制計數(shù)器仿真電路

3 任意進制計數(shù)器的仿真實現(xiàn)

3.1 用74LS161N異步置零法構(gòu)成十進制計數(shù)器

如圖4所示為利用清零法設計的一個十進制計數(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)成十進制計數(shù)器仿真電路

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

如圖5所示為利用置數(shù)法設計的一個十進制計數(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)成的一個六十進制計數(shù)器[6]。U1集成計數(shù)器74LS161N構(gòu)成十進制計數(shù)器，U2集成計數(shù)器74LS161N構(gòu)成六進制計數(shù)器，U1、U2兩片共用一個時鐘脈沖信號，用U5A及U4B形成的進位信號控制高位片U2的計數(shù)控制端EP及ET進行同步級聯(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，進行加法計數(shù)。

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

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

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

4 結(jié)論

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

然而在教學中學生對計數(shù)器卻難于理解，尤其是任意進制計數(shù)器的構(gòu)成方法。將虛擬仿真軟件Multisim12引入到計數(shù)器電路應用教學中，使電路設計和實現(xiàn)變得靈活多樣，激發(fā)了學生的學習興趣，加深了學生對相關(guān)概念的理解，提高了學生的電路設計能力和實踐動手能力，促進了教學改革。

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

[2]清華大學電子教學組，閻石．數(shù)字電子技基礎[M].5版.北京:高等教育出版社，2006．

[3]蔡娟娟.任意進制計數(shù)器設計在EWB中的仿真實驗[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學院學報，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)器設計仿真[J].電子設計工程,2013.(7):147－149.

[8]萬琰等.基于Multisim10的任意計數(shù)器的設計與仿真[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，主要從事計算機網(wǎng)絡與工程、計算機體系結(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