十進(jìn)制計(jì)數(shù)與顯示電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、摘要：計(jì)數(shù)器的功能是記憶脈沖的個(gè)數(shù)，它是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用最 廣泛的基本時(shí)序邏輯構(gòu)件。計(jì)數(shù)器在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主要作用就 是為CPU和I/O設(shè)備提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)中斷、定時(shí)檢測(cè)、 定時(shí)掃描、定時(shí)顯示等定時(shí)控制，或者對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。一般的 微機(jī)系統(tǒng)和微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中均配置了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器電路，它既可當(dāng) 作計(jì)數(shù)器作用，又可當(dāng)作定時(shí)器使用，其基本的工作原理就是減1 計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器：CLK輸入脈沖是一個(gè)非周期事件計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)計(jì)算 單元為零時(shí)，OUT輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，以示計(jì)數(shù)完畢。以下是關(guān)于 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的幾種設(shè)計(jì)方法。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中用的較多的基本邏輯器件。它不僅能記錄輸 入時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)

2、，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。計(jì)數(shù)器的種類很多。按時(shí)序脈沖輸入方式的不同，可分為 同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器;按進(jìn)位體制不同可以分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)器的數(shù)字增減趨勢(shì)的不同，可分為加法計(jì)數(shù) 器，減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。同步計(jì)數(shù)器是指計(jì)數(shù)器內(nèi)所有的觸發(fā)器共同使用同一個(gè)輸入的 時(shí)鐘脈沖信號(hào)，在同一個(gè)時(shí)刻翻轉(zhuǎn)，有計(jì)數(shù)速度快的特點(diǎn)。異步計(jì)數(shù)器是指計(jì)數(shù)器內(nèi)各觸發(fā)器的輸入時(shí)鐘信號(hào)的來源不同， 各電路的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻也不一樣，因此計(jì)數(shù)速度較慢在非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，最常用的是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其他進(jìn)制計(jì)數(shù) 器習(xí)慣上稱為

3、任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器也有異步和同步，加 減和可逆計(jì)數(shù)器的各種類型。集成計(jì)數(shù)器集成計(jì)數(shù)器在一些簡(jiǎn)單小型數(shù)字系統(tǒng)中仍被廣泛有用，因?yàn)樗麄?具有體積小，功耗低，功能靈活等優(yōu)點(diǎn)。集成計(jì)數(shù)器的類型很多，表1列舉了若干集成計(jì)數(shù)器產(chǎn)品。表1幾種集成計(jì)數(shù)器CP脈 沖 引入 方式型號(hào)計(jì)數(shù)模式清零方式預(yù)置數(shù)方 式同步741614位二進(jìn)制加 法異步（低 電平）同步74HC1614位二進(jìn)制加 法異步（低 電平）同步74HCT1614位二進(jìn)制加 法異步（低 電平）同步74LS191單時(shí)鐘4位二 進(jìn)制可逆無異步74LS193雙時(shí)鐘4位二 進(jìn)制可逆異步（高 電平）異步74160十進(jìn)制加法異步（低 電平）同步74L

4、S190單時(shí)鐘十進(jìn)制 可逆無異步異步74LS293雙時(shí)鐘4位二 進(jìn)制加法異步無74LS290二-五-十進(jìn)制 加法異步異步3常用計(jì)數(shù)器74161的功能74161是4位二進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器。圖（a）、（b）分別是它的邏輯 電路圖和引腳圖，其中RD是異步清零端，LD是預(yù)置數(shù)控制端,D0、D1、 D2、D3是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端,EP和ET是計(jì)數(shù)使能端，C=ETQ0Q1Q2 Q3是進(jìn)位輸出端，它的設(shè)置為多片集成計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)提供了方便。表2是74161的功能表。由表可知，74161具有以下功能：異步清零當(dāng)RD=0時(shí)，不管其他輸入端的狀態(tài)如何（包括時(shí)鐘信號(hào)CP）, 計(jì)數(shù)器輸出將被直接置零，稱為異步清零。同步并行預(yù)

5、置數(shù)在RD=1的條件下，當(dāng)LD=0、且有時(shí)鐘脈沖CP的上升沿作用 時(shí),D0、D1、D2、D3輸入端的數(shù)據(jù)將分別被Q0Q3所接收。由于這個(gè)置數(shù)操作要與CP上升沿同步，且D0D3的數(shù)據(jù)同時(shí)置 入計(jì)數(shù)器，所以稱為同步并行置數(shù)。保持在RD=LD= 1的條件下，當(dāng)ETEP=0,即兩個(gè)計(jì)數(shù)使能端中有0時(shí), 不管有無CP脈沖作用，計(jì)數(shù)器都將保持原有狀態(tài)不變（停止計(jì)數(shù)）。 需要說明的是，當(dāng)EP=0,ET=1時(shí)，進(jìn)位輸出C也保持不變；而當(dāng)ET=0 時(shí)，不管EP狀態(tài)如何，進(jìn)位輸出C=0。計(jì)數(shù)當(dāng)RD=LD=EP=ET=1時(shí),74161處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，其狀態(tài)表如表3。表2 74161的功能表清零預(yù)置使能時(shí)鐘預(yù)置數(shù)據(jù)輸入

6、輸出RDLDEPETCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3LXXXXXXXXLLLLHLXXtD0D1D2D3D0D1D2D3HHLXXXXXX保持HHXLXXXXX保持HHHHtXXXX計(jì)數(shù)ld iGig(a)74LS161的邏輯電路圖(b)引腳圖(c)符號(hào)表3十進(jìn)制加法計(jì)數(shù) 器狀態(tài)表計(jì)數(shù)脈 沖數(shù)二進(jìn)制數(shù)Q3Q2Q1Q 000000100012001030011401005010160110701118100091001100000CLR_|LOAD1 1_l_l J 1Rr ata Inputs 1c J 1C 1匚CLKI |-TLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLTEhIPIr

7、ii-HHII lJENTkiL% _如二g 此一3-MM L 1_i i_iata , Outputs *11 Qd一 1jLRCO 1iI1111IB 90123 Count + InhibitSync Preset Clear74LS290的功能74LS290是異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其邏輯電路圖和引腳圖如下圖(a)、(b)所示，它由1個(gè)1位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和1個(gè)異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器 組成。如果計(jì)數(shù)脈沖由CP0端引入，輸出由Q0端引出，即得二進(jìn)制計(jì) 數(shù)器；如果計(jì)數(shù)脈沖由CP1端輸入，輸出由Q1Q3引出，即得五進(jìn) 制計(jì)數(shù)器；如果將Q0與CP1相連，計(jì)數(shù)脈沖由CP0輸入，輸出由Q0 Q3引出，即得8421

8、碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。因此，又稱此電路為二一五一 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。表4是74LS290的功能表。(a )R9(l)VCCNCRDR9(2)RO(1)QCCLKB when 0001= when 0010= when 0011= when 0100= when 0101= when 0110= when 0111= when 1000= when 1001= when 1010= when 1011= when 1100= when 1101= when 1110= when 1111=LED7 =0111111;LED7 =0000110;LED7 =1011011;LED7 =1001111;LED

9、7 =1100110;LED7 =1101101;LED7 =1111101;LED7 =0000111;LED7 =1111111;LED7 =1101111;LED7 =1110111;LED7 =1111100;LED7 =0111001;LED7 =1011110;LED7 =1111001;LED7 LED7 =0000000;end case;sn 0);Elsif CLKEvent and CLK=1 thenIf EN=1 thenIf Cqi 0);end If;end If;end If;IF Cqi=1110” Then Cy = 1;Dout = 0000;else C

10、y =0;Dout = Cqi;end If;END Process;End Cm;三.設(shè)計(jì)方案使用7490集成計(jì)數(shù)器，接上外圍譯碼顯示電路，組成一個(gè)可 顯示的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，譯碼顯示采用7447芯片和LED顯示。參照第 二段設(shè)計(jì)原理，在Electronics Workbench環(huán)境下了仿真電路圖。電路連接圖如下圖：使用同步加法計(jì)數(shù)器74160,連接外圍的譯碼顯示電路，亦可 組成十進(jìn)制顯示計(jì)數(shù)器，顯示譯碼采用7447譯碼芯片和LED顯示。 同1方案一樣，在EWB下的電路圖如下：7447仿真軟件的選擇EWB是一種電子電路計(jì)算機(jī)仿真軟件，它被稱為電子設(shè)計(jì)工 作平臺(tái)或虛擬電子實(shí)驗(yàn)室，英文全稱為Elec

11、tronics Workbench。EWB 是加拿大 Interactive Image Technologies 公司于 1988 年開 發(fā)的，自發(fā)布以來，已經(jīng)有35個(gè)國(guó)家、10種語言的人在使用EWB 以SPICE3F5為軟件核心，增強(qiáng)了其在數(shù)字及模擬混合信號(hào)方面的 仿真功能。SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以來， 已經(jīng)成為模擬集成電路設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)軟件。EWB建立在SPICE基礎(chǔ)上，它具有以下突出的特點(diǎn)：（1）采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路：在計(jì)算機(jī)屏幕上模仿真實(shí) 實(shí)驗(yàn)室的工作臺(tái)，繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測(cè)試 儀器均可直接從屏幕上選?。唬?）軟件儀器

12、的控制面板外形和操作方式都與實(shí)物相似，可以 實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。（3）EWB軟件帶有豐富的電路元件庫，提供多種電路分析方法。（4）作為設(shè)計(jì)工具，它可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制 板軟件交換數(shù)據(jù)。（5）EWB還是一個(gè)優(yōu)秀的電子技術(shù)訓(xùn)練工具，利用它提供的虛 擬儀器可以用比實(shí)驗(yàn)室中更靈活的方式進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，仿真電路的 實(shí)際運(yùn)行情況，熟悉常用電子儀器測(cè)量方法。四.仿真分析和體會(huì)仿真分析：若以74160為計(jì)數(shù)器則當(dāng)CLR，LOAD，EP，ET均接高電平時(shí)，時(shí)鐘CP端每來一 個(gè)上升沿，計(jì)數(shù)器在原來的基數(shù)上加1，并從QA，QB，QC，QD， 輸出相應(yīng)的十進(jìn)制BCD碼，7447為四線-七段譯碼器，可以用來驅(qū)

13、 動(dòng)七段共陽極數(shù)碼管，當(dāng)LT，RBI，BI，端接高電平時(shí)，從DCBA 端輸入BCD碼時(shí)，從abcdefg端輸出相應(yīng)的數(shù)碼管顯示碼。電路連 接后，按下仿真開關(guān)，可以看到數(shù)碼管數(shù)字從0-9跳動(dòng)，仿真成功。若以74290作為計(jì)數(shù)器由74LS290的功能表（表4）可以看出，當(dāng)復(fù)位輸入R01=R02=1, 且置位輸入R91*R92=0時(shí)，74LS290的輸入被直接置零；只要置位 輸入R91=R92=1,則74LS290的輸出將被直接置9，即 QdQcQbQa=1001;只有同時(shí)滿足 R01*R02=0 和 R91*R92=0 時(shí)，才 能在計(jì)數(shù)器脈沖作用下實(shí)現(xiàn)十進(jìn)制計(jì)數(shù)。體會(huì)：首先關(guān)于EWB軟件的使用，相對(duì)其它EDA軟件而言， 它是個(gè)較小巧的軟件，功能也比較單一，就是進(jìn)行模擬電路和 數(shù)字電路的混合仿真，但你絕對(duì)不可小瞧它，它的仿真功能十 分強(qiáng)大，可以幾乎100 %地仿真出真實(shí)電路的結(jié)果，有這樣的軟 件，做成這樣一個(gè)計(jì)數(shù)器，仿真可以達(dá)到很高的真