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(jì)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(jì)數(shù)器是一個(gè)重點(diǎn)無(wú)疑也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。本文以典型的74LS161N 同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例，用Multisim12軟件對(duì)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(jì)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用同步和異步級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)講述任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法靈活直觀(guān)，可以非常直觀(guān)的將電路和輸出狀態(tài)展現(xiàn)在屏幕上。通過(guò)該方法的學(xué)習(xí)，可加深學(xué)生對(duì)計(jì)數(shù)器的理解，提高學(xué)生的電路設(shè)計(jì)和實(shí)踐動(dòng)手能力。

Multisim12；計(jì)數(shù)器；設(shè)計(jì)；仿真

0 引言

數(shù)字電路是高校計(jì)算機(jī)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)專(zhuān)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(shí)序邏輯電路，而集成計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中常用的時(shí)序邏輯電路[1]，其廣泛應(yīng)用于計(jì)數(shù)、分頻、定時(shí)、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(jì)數(shù)器卻難于理解，并且在實(shí)驗(yàn)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(yàn)課程，以減少實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損耗并降低實(shí)驗(yàn)成本[3]。如利用Multisim12仿真軟件進(jìn)行仿真分析，可以將計(jì)數(shù)器的邏輯功能及計(jì)數(shù)過(guò)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(jì)數(shù)器74LS161N為基礎(chǔ)，以Multisim12軟件進(jìn)行任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行仿真測(cè)試、分析。

1 集成計(jì)數(shù)器74LS161N的特性和功能仿真

1.1 同步集成計(jì)數(shù)器74LS161N的特性

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

1.2 同步集成計(jì)數(shù)器功能仿真設(shè)計(jì)

在Multisim12中構(gòu)建集成計(jì)數(shù)器74LS161N邏輯功能仿真電路，如圖1所示。選擇單刀雙擲開(kāi)關(guān)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖輸入信號(hào)CLK、計(jì)數(shù)控制信號(hào)ENP及ENT、預(yù)置數(shù)控制信號(hào)~ LOAD、異步置零控制信號(hào)~ CLR及預(yù)置數(shù)輸入信號(hào)ABCD，采用指示燈或LED顯示狀態(tài)輸出信號(hào)QAQBQCQD、進(jìn)位輸出信號(hào)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(shí)鐘脈沖觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，圖1中的U2A非門(mén)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(jì)數(shù)脈沖為5個(gè)時(shí)的情況。

2 任意進(jìn)制計(jì)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(jiàn)的計(jì)數(shù)器芯片在計(jì)數(shù)進(jìn)制上只做成應(yīng)用較為廣泛的幾種類(lèi)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(jì)數(shù)器時(shí)，就需要在單片或多片級(jí)聯(lián)的基礎(chǔ)上利用集成計(jì)數(shù)器的清零端或置數(shù)端, 讓電路跳過(guò)某些狀態(tài)就可以獲得任意 N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器[5]。

圖1 集成計(jì)數(shù)器74LS161N邏輯功能仿真電路

假如已有的是N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而需要得到的是M進(jìn)制計(jì)數(shù)器。這時(shí)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(jì)數(shù)器的順序計(jì)數(shù)過(guò)程中設(shè)法跳過(guò)N－M個(gè)狀態(tài)即可，就可以得到M進(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器。對(duì)于有異步置零輸入端的計(jì)數(shù)器，在電路從全0狀態(tài)S0進(jìn)入SM狀態(tài)時(shí)譯碼產(chǎn)生置零信號(hào)加到計(jì)數(shù)器的異步置零輸入端，使計(jì)數(shù)器立刻返回S0狀態(tài)，這樣就跳過(guò)N－M個(gè)狀態(tài)而得到M進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖2中虛線(xiàn)所示。對(duì)于有同步置零輸入端的計(jì)數(shù)器，在電路從全0狀態(tài)S0進(jìn)入SM-1狀態(tài)時(shí)譯碼產(chǎn)生置零信號(hào)加到計(jì)數(shù)器的同步置零輸入端，計(jì)數(shù)器在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)達(dá)到后返回S0狀態(tài)，如圖2中實(shí)線(xiàn)所示。

置數(shù)法與置零法不同，它是通過(guò)給計(jì)數(shù)器重復(fù)置入某個(gè)數(shù)值的方法跳過(guò)N－M個(gè)狀態(tài)，從而獲得M進(jìn)制計(jì)數(shù)器，這種方法適用于有預(yù)置數(shù)功能的計(jì)數(shù)器電路。置數(shù)法可以在電路的任何一個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行。對(duì)于同步式預(yù)置數(shù)的計(jì)數(shù)器，LD′＝0的信號(hào)應(yīng)從Si狀態(tài)譯出，待下一個(gè)CLK到來(lái)時(shí)才將要置入的數(shù)據(jù)置入計(jì)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(xiàn)所示。而對(duì)于異步式預(yù)置數(shù)的計(jì)數(shù)器，信號(hào)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(xiàn)所示。

圖2 置零法

圖3 置數(shù)法

2.2 M＞N的情況

這時(shí)必須用多片N進(jìn)制計(jì)數(shù)器組合起來(lái)，才能構(gòu)成M進(jìn)制計(jì)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?xún)杉?jí)之間的連接為例說(shuō)明四種方式的原理。若M可以分解為兩個(gè)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(gè)N1進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)N2進(jìn)制計(jì)數(shù)器連接起來(lái)，構(gòu)成M進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在串行進(jìn)位方式中，以低位片的進(jìn)位信號(hào)作為高位片的時(shí)鐘輸入信號(hào)。在并行進(jìn)位方式中，以低位片的進(jìn)位輸出信號(hào)作為高位片的工作狀態(tài)控制信號(hào)，兩片的CLK輸入端同時(shí)接計(jì)數(shù)輸入信號(hào)。

圖4 異步置零法構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路

3 任意進(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器

如圖4所示為利用清零法設(shè)計(jì)的一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因?yàn)?4LS161N是異步清零，所以，在QDQCQBQA=1010時(shí)產(chǎn)生清零信號(hào)～CLR。

圖5 同步置數(shù)法構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器

如圖5所示為利用置數(shù)法設(shè)計(jì)的一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因?yàn)?4LS161N是同步置數(shù)，所以，在QDQCQBQA=1001時(shí)產(chǎn)生清零信號(hào)～LOAD。

3.3 用74LS161N同步級(jí)聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

如圖6所示為兩片74LS161N通過(guò)同步級(jí)聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器[6]。U1集成計(jì)數(shù)器74LS161N構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，U2集成計(jì)數(shù)器74LS161N構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，U1、U2兩片共用一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，用U5A及U4B形成的進(jìn)位信號(hào)控制高位片U2的計(jì)數(shù)控制端EP及ET進(jìn)行同步級(jí)聯(lián)。因?yàn)?4LS161N是同步置數(shù)，所以，在QDQCQBQA=1001時(shí)產(chǎn)生清零信號(hào)～LOAD。

圖6 74LS161N同步級(jí)聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路

單擊仿真開(kāi)關(guān)后計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖CP作用下從00～59等60個(gè)狀態(tài)的循環(huán)變化，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。

圖7 74LS161N異步級(jí)聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真電路

3.4 用74LS161N異步級(jí)聯(lián)構(gòu)成六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

如圖7所示為兩片74LS161N通過(guò)異步級(jí)聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。U1集成計(jì)數(shù)器74LS161N構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，U2集成計(jì)數(shù)器74LS161N構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用U5A和U4B形成的進(jìn)位信號(hào)控制高位片U2的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)進(jìn)行異步級(jí)聯(lián)。

單擊仿真開(kāi)關(guān)后計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖CP作用下從00～59等60個(gè)狀態(tài)的循環(huán)變化，進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。

4 結(jié)論

計(jì)數(shù)器是一種典型而又應(yīng)用十分廣泛的時(shí)序電路[7]。它除用于計(jì)數(shù)、分頻外，還廣泛應(yīng)用于數(shù)字測(cè)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(duì)計(jì)數(shù)器卻難于理解，尤其是任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成方法。將虛擬仿真軟件Multisim12引入到計(jì)數(shù)器電路應(yīng)用教學(xué)中，使電路設(shè)計(jì)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(duì)相關(guān)概念的理解，提高了學(xué)生的電路設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)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(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)在EWB中的仿真實(shí)驗(yàn)[J].太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（9）:150－151.

[4]蒙樹(shù)森.基于Multisim10集成計(jì)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(jiǎn)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(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013.(7):147－149.

[8]萬(wàn)琰等.基于Multisim10的任意計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)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(cāng)庫(kù)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與工程、計(jì)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