摘要：計(jì)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(jì)數(shù)器74LS160 為基礎(chǔ)，應(yīng)用反饋復(fù)零法實(shí)現(xiàn)的N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法。并應(yīng)用EWB 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器能實(shí)現(xiàn)所要求的N 進(jìn)制技術(shù)功能。

　　0 引言

　　計(jì)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(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。例如，計(jì)算機(jī)中的時(shí)序發(fā)生器、分頻器、指令計(jì)數(shù)器等都要使用計(jì)數(shù)器。一般集成計(jì)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(shí)際中需要大量的任意進(jìn)制（N 進(jìn)制）的計(jì)數(shù)器，如：24 進(jìn)制，60 進(jìn)制等，可以通過對(duì)固定進(jìn)制的計(jì)數(shù)器改進(jìn)或者級(jí)聯(lián)來完成所需要的N 進(jìn)制的計(jì)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(jì)軟件，它具有直觀的界面，用戶學(xué)習(xí)操作十分簡(jiǎn)便，該軟件與其升級(jí)版本Multisim 軟件相比，使用方式與實(shí)際更接近，同時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)數(shù)器74LS160 具有以下4 個(gè)功能：

　?。?）異步清零功能：

　　當(dāng)復(fù)位端CLR/ =O 時(shí)，輸出 QD QC QB QA 全為零，實(shí)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(shí)，輸出端QD QC QB QA=DCBA,實(shí)現(xiàn)同步預(yù)置數(shù)功能。

　?。?）保持功能：

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

　?。?）計(jì)數(shù)功能：

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

　　2 反饋復(fù)零法設(shè)計(jì)原理

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

　　反饋復(fù)零法 主要利用一個(gè)與非門，其輸入接在計(jì)數(shù)器的輸出端，其輸出接在計(jì)數(shù)器的復(fù)位端或預(yù)置數(shù)端。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到N 時(shí)，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(jì)數(shù)器的復(fù)位端或預(yù)置數(shù)端相連，使得計(jì)數(shù)器復(fù)位或輸出等于預(yù)置數(shù)（0000），從而使計(jì)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(gè)數(shù)及連接位置由設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器進(jìn)制N 決定。

　　實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，如果M>N,用一片M 集成集成計(jì)數(shù)器就可以完成N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)；如果M<N,需要用多個(gè)M 進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)，擴(kuò)展成大容量計(jì)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(jì)N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

　　3 設(shè)計(jì)實(shí)例

　　3.1 異步清零法實(shí)現(xiàn)的60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)

　　74LS160 為同步十進(jìn)制集成計(jì)數(shù)器，其計(jì)10 個(gè)脈沖數(shù)。

　　現(xiàn)在需要設(shè)計(jì)60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通過兩片74LS160 級(jí)聯(lián)的方式擴(kuò)展成100 進(jìn)制，設(shè)十位計(jì)數(shù)器的編號(hào)為2,個(gè)位計(jì)數(shù)器的編號(hào)為1.

　　使用反饋復(fù)零法設(shè)計(jì)，步驟如下：

　?。?）寫出60 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼：01100000,即十位計(jì)數(shù)器的輸出Q2D Q2C Q2B Q2A=（6）D=（0110）B,個(gè)位計(jì)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(jì)，所以：

　　（3）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

　　①在EWB 的數(shù)字集成電路庫選擇2 片74LS160 集成計(jì)數(shù)器，在邏輯門電路庫選擇與非門，在信號(hào)源庫選擇Vcc 電源、地和脈沖信號(hào)源，在指示器件庫選擇2 個(gè)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(jì)數(shù)器的Vcc 和GND 端。脈沖信號(hào)源分別接到CLK 端。要實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能則ENP=ENP=LOAD/=1,所以個(gè)位計(jì)數(shù)器的ENP=ENP=LOAD/=1,而十位計(jì)數(shù)器的接個(gè)位計(jì)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(jì)數(shù)器的Q2C Q2B,輸出反饋到兩個(gè)計(jì)數(shù)器的復(fù)位清零端CLR/.

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

　?。?）打開仿真開關(guān)，運(yùn)行仿真電路，觀查仿真結(jié)果。仿真時(shí)可以看到，從0 開始計(jì)數(shù)時(shí)，來一個(gè)脈沖，個(gè)位計(jì)數(shù)器增1,當(dāng)?shù)谑畟€(gè)脈沖來后，個(gè)位計(jì)數(shù)器進(jìn)位，個(gè)位計(jì)數(shù)器為0,十位計(jì)數(shù)器顯示1.即每計(jì)十個(gè)脈沖，十位計(jì)數(shù)器增1.整體看，當(dāng)計(jì)數(shù)器從0 開始計(jì)數(shù)計(jì)到59 時(shí)開始循環(huán)，說明圖3 實(shí)現(xiàn)了60 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。

　　3.2 同步置數(shù)法實(shí)現(xiàn)的24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)

　　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(jì)數(shù)器計(jì)到N-1 時(shí)，反饋與非門的輸入端全部為1,則輸出端為0,此時(shí)預(yù)置控制端有效，當(dāng)再來一個(gè)脈沖時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出端數(shù)據(jù)等于預(yù)置數(shù)，使計(jì)數(shù)器重新回到起始狀態(tài)。所以要實(shí)現(xiàn)24 進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，應(yīng)寫出23對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼。

　?。?）寫出23 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼：00100011,即十位計(jì)數(shù)器的輸出Q2D Q2C Q2B Q2A=（2）D=（0010）B,個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出Q1D Q1C Q1BQ1A=（3）D=（0011）B

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

　　（3）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

　　①拖放元器件同異步清零法實(shí)現(xiàn)的60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的仿真設(shè)計(jì)。

　?、谶B接線路：電源、地、技術(shù)控制端ENP/ENP、脈沖信號(hào)源接法不變。與異步清零法仿真設(shè)計(jì)區(qū)別在于此時(shí)CLR/=1 ;十位計(jì)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(jì)數(shù)器的Q2C Q2B,而輸出反饋到兩個(gè)計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)端。

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

　?。?）打開仿真開關(guān)，運(yùn)行仿真電路，觀查仿真結(jié)果。仿真時(shí)可以看到，從0 開始計(jì)數(shù)時(shí)，計(jì)到23 時(shí)開始循環(huán)，說明圖3 實(shí)現(xiàn)了24 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能。

　　3.3 仿真問題分析

　　在設(shè)計(jì)60 進(jìn)制計(jì)數(shù)器仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)十位計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)，檢查后發(fā)現(xiàn)十位計(jì)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(diǎn)：

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

　?。?）如果設(shè)計(jì)10 進(jìn)制以上的計(jì)數(shù)器時(shí)，個(gè)位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端要連到十位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端ENP 和ENT 端。

　　（3）注意不同方法時(shí)，反饋與非門的輸出端連接位置不同，異步清零法連到計(jì)數(shù)器復(fù)位端，而同步預(yù)置數(shù)法連到計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)端，并且此時(shí)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(shí)現(xiàn)的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法及仿真步驟。并以異步清零法設(shè)計(jì)的60進(jìn)制計(jì)數(shù)器和同步置數(shù)法實(shí)現(xiàn)的24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟。應(yīng)用EWB 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)要求。