摘要：計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的基本邏輯器件。本文主要介紹了以同步十進(jìn)制計數(shù)器74LS160 為基礎(chǔ)，應(yīng)用反饋復(fù)零法實現(xiàn)的N 進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計方法。并應(yīng)用EWB 軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明設(shè)計的計數(shù)器能實現(xiàn)所要求的N 進(jìn)制技術(shù)功能。

　　0 引言

　　計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的基本邏輯器件。它不僅能記錄輸入時鐘脈沖的個數(shù)，還可以實現(xiàn)分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。例如，計算機(jī)中的時序發(fā)生器、分頻器、指令計數(shù)器等都要使用計數(shù)器。一般集成計數(shù)器的進(jìn)制都是固定的，像74LS160 為十進(jìn)制，74LS161 為十六進(jìn)制，但是實際中需要大量的任意進(jìn)制（N 進(jìn)制）的計數(shù)器，如：24 進(jìn)制，60 進(jìn)制等，可以通過對固定進(jìn)制的計數(shù)器改進(jìn)或者級聯(lián)來完成所需要的N 進(jìn)制的計數(shù)器。EWB 是加拿大Interactive Image Technologies 公司推出的一款電子電路仿真分析、設(shè)計軟件，它具有直觀的界面，用戶學(xué)習(xí)操作十分簡便，該軟件與其升級版本Multisim 軟件相比，使用方式與實際更接近，同時它還帶有豐富齊全的元器件庫，根據(jù)需要可靈活改變各器件的參數(shù)，因此它能演示各種復(fù)雜電路系統(tǒng)，以查看結(jié)果。

　　1 集成計數(shù)器74LS160 介紹

　　74LS160 是具有預(yù)置數(shù)功能的四位同步十進(jìn)制計數(shù)器，其內(nèi)部是由J-K 觸發(fā)器和附加門組成。74LS160 管腳功能見表1.

　　74LS160 邏輯功能見表2.

　　從表2 看出， 集成計數(shù)器74LS160 具有以下4 個功能：

　　（1）異步清零功能：

　　當(dāng)復(fù)位端CLR/ =O 時，輸出 QD QC QB QA 全為零，實現(xiàn)異步清除功能。

　?。?）同步預(yù)置數(shù)功能：

　　當(dāng)復(fù)位端CLR/ =1,預(yù)置控制端LOAD/ =0,并且有脈沖輸入即CLK =CP ↑時，輸出端QD QC QB QA=DCBA,實現(xiàn)同步預(yù)置數(shù)功能。

　　（3）保持功能：

　　當(dāng)CLR/ = LOAD/ =1 且計數(shù)控制端ENP·ENT =O 時，輸出QD QC QB QA 保持不變。

　?。?）計數(shù)功能：

　　當(dāng) CLR/ = LOAD/ = ENP = ENT =1,并且有脈沖輸入即CLK =CP ↑時，計數(shù)器才開始加法計數(shù)，實現(xiàn)計數(shù)功能。

　　2 反饋復(fù)零法設(shè)計原理

　　設(shè)現(xiàn)有M 進(jìn)制集成計數(shù)器，要設(shè)計N 進(jìn)制計數(shù)器。

　　反饋復(fù)零法 主要利用一個與非門，其輸入接在計數(shù)器的輸出端，其輸出接在計數(shù)器的復(fù)位端或預(yù)置數(shù)端。當(dāng)計數(shù)器計到N 時，反饋與非門的輸入端全部為1,輸出端則為0.由于與非門的輸出端與計數(shù)器的復(fù)位端或預(yù)置數(shù)端相連，使得計數(shù)器復(fù)位或輸出等于預(yù)置數(shù)（0000），從而使計數(shù)器重新回到起始狀態(tài)。與非門反饋到復(fù)位端的稱為清零法，與非門反饋到預(yù)置控制端的稱為預(yù)置數(shù)法。圖1 給出了反饋復(fù)零法電路原理圖，（a）圖為異步清零法，（b）圖為同步置數(shù)法。

　　圖1 中與非門的輸入端個數(shù)及連接位置由設(shè)計的計數(shù)器進(jìn)制N 決定。

　　實際設(shè)計時，如果M>N,用一片M 集成集成計數(shù)器就可以完成N 進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計；如果M<N,需要用多個M 進(jìn)制集成計數(shù)器級聯(lián)，擴(kuò)展成大容量計數(shù)器，如兩片74LS160 可以擴(kuò)展成100 進(jìn)制，再使用反饋復(fù)零法設(shè)計N 進(jìn)制計數(shù)器。

　　3 設(shè)計實例

　　3.1 異步清零法實現(xiàn)的60 進(jìn)制計數(shù)器的仿真設(shè)計

　　74LS160 為同步十進(jìn)制集成計數(shù)器，其計10 個脈沖數(shù)。

　　現(xiàn)在需要設(shè)計60 進(jìn)制計數(shù)器，通過兩片74LS160 級聯(lián)的方式擴(kuò)展成100 進(jìn)制，設(shè)十位計數(shù)器的編號為2,個位計數(shù)器的編號為1.

　　使用反饋復(fù)零法設(shè)計，步驟如下：

　　（1）寫出60 對應(yīng)的二進(jìn)制代碼：01100000,即十位計數(shù)器的輸出Q2D Q2C Q2B Q2A=（6）D=（0110）B,個位計數(shù)器的輸出Q1D Q1C Q1BQ1A=（0）D=（0000）B（2）求反饋復(fù)零邏輯表達(dá)式：采用異步清零法設(shè)計，所以：

　?。?）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

　?、僭贓WB 的數(shù)字集成電路庫選擇2 片74LS160 集成計數(shù)器，在邏輯門電路庫選擇與非門，在信號源庫選擇Vcc 電源、地和脈沖信號源，在指示器件庫選擇2 個數(shù)碼顯示管將以上器件拖放在工作區(qū)的合適位置并設(shè)置參數(shù)。

　?、?連接線路：電源、地分別接到兩片計數(shù)器的Vcc 和GND 端。脈沖信號源分別接到CLK 端。要實現(xiàn)計數(shù)功能則ENP=ENP=LOAD/=1,所以個位計數(shù)器的ENP=ENP=LOAD/=1,而十位計數(shù)器的接個位計數(shù)器的進(jìn)位輸出端RC0.由反饋復(fù)零邏輯表達(dá)式知反饋與非門輸入端接十位計數(shù)器的Q2C Q2B,輸出反饋到兩個計數(shù)器的復(fù)位清零端CLR/.

　　采用異步清零法實現(xiàn)的60 進(jìn)制計數(shù)器仿真電路圖如圖2 所示。

　?。?）打開仿真開關(guān)，運行仿真電路，觀查仿真結(jié)果。仿真時可以看到，從0 開始計數(shù)時，來一個脈沖，個位計數(shù)器增1,當(dāng)?shù)谑畟€脈沖來后，個位計數(shù)器進(jìn)位，個位計數(shù)器為0,十位計數(shù)器顯示1.即每計十個脈沖，十位計數(shù)器增1.整體看，當(dāng)計數(shù)器從0 開始計數(shù)計到59 時開始循環(huán)，說明圖3 實現(xiàn)了60 進(jìn)制加法計數(shù)器功能。

　　3.2 同步置數(shù)法實現(xiàn)的24 進(jìn)制計數(shù)器的仿真設(shè)計

　　同步置數(shù)法原理和異步清零法原理相同，區(qū)別在于與非門的輸出端接在74LS160 的預(yù)置數(shù)端LOAD/.當(dāng)計數(shù)器計到N-1 時，反饋與非門的輸入端全部為1,則輸出端為0,此時預(yù)置控制端有效，當(dāng)再來一個脈沖時，計數(shù)器的輸出端數(shù)據(jù)等于預(yù)置數(shù)，使計數(shù)器重新回到起始狀態(tài)。所以要實現(xiàn)24 進(jìn)制的計數(shù)器，應(yīng)寫出23對應(yīng)的二進(jìn)制代碼。

　?。?）寫出23 對應(yīng)的二進(jìn)制代碼：00100011,即十位計數(shù)器的輸出Q2D Q2C Q2B Q2A=（2）D=（0010）B,個位計數(shù)器的輸出Q1D Q1C Q1BQ1A=（3）D=（0011）B

　　（2）求反饋復(fù)零邏輯表達(dá)式：采用異步清零法設(shè)計，所以：

　?。?）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

　?、偻戏旁骷惒角辶惴▽崿F(xiàn)的60 進(jìn)制計數(shù)器的仿真設(shè)計。

　?、谶B接線路：電源、地、技術(shù)控制端ENP/ENP、脈沖信號源接法不變。與異步清零法仿真設(shè)計區(qū)別在于此時CLR/=1 ;十位計數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入端D=C=B=A=0 ;由反饋復(fù)零邏輯表達(dá)式知與非門輸入端接十位計數(shù)器的Q2C Q2B,而輸出反饋到兩個計數(shù)器的預(yù)置數(shù)端。

　　采用同步預(yù)置數(shù)法實現(xiàn)的24 進(jìn)制計數(shù)器仿真電路圖如圖3所示。

　?。?）打開仿真開關(guān)，運行仿真電路，觀查仿真結(jié)果。仿真時可以看到，從0 開始計數(shù)時，計到23 時開始循環(huán)，說明圖3 實現(xiàn)了24 進(jìn)制加法計數(shù)器功能。

　　3.3 仿真問題分析

　　在設(shè)計60 進(jìn)制計數(shù)器仿真時，發(fā)現(xiàn)十位計數(shù)器不計數(shù)，檢查后發(fā)現(xiàn)十位計數(shù)器的預(yù)置數(shù)端虛接，改正后仿真結(jié)果正確。另外以下幾點：

　?。?）正確求取復(fù)零邏輯表達(dá)式，異步清零法為N 對應(yīng)的二進(jìn)制代碼為1 的輸出項的與非表達(dá)式，同步預(yù)置數(shù)法為（N-1）對應(yīng)的二進(jìn)制代碼為1 的輸出項的與非表達(dá)式。

　　（2）如果設(shè)計10 進(jìn)制以上的計數(shù)器時，個位計數(shù)器的進(jìn)位端要連到十位計數(shù)器的計數(shù)控制端ENP 和ENT 端。

　?。?）注意不同方法時，反饋與非門的輸出端連接位置不同，異步清零法連到計數(shù)器復(fù)位端，而同步預(yù)置數(shù)法連到計數(shù)器預(yù)置數(shù)端，并且此時數(shù)據(jù)輸入端應(yīng)為0.

　　4 小結(jié)

　　本文主要以74LS160 為例，介紹了采用反饋復(fù)零法實現(xiàn)的N進(jìn)制計數(shù)器的設(shè)計方法及仿真步驟。并以異步清零法設(shè)計的60進(jìn)制計數(shù)器和同步置數(shù)法實現(xiàn)的24 進(jìn)制計數(shù)器為例給出了詳細(xì)的設(shè)計步驟。應(yīng)用EWB 軟件對設(shè)計的計數(shù)器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計要求。