基于EWB的N 進制計數器仿真設計

喬琳君

（西安航空職業技術學院，710089）

計數器是數字系統中應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，還可以實現分頻、定時、產生節拍脈沖和脈沖序列等。例如，計算機中的時序發生器、分頻器、指令計數器等都要使用計數器[1]。一般集成計數器的進制都是固定的，像74LS160為十進制，74LS161為十六進制，但是實際中需要大量的任意進制（N 進制）的計數器，如：24進制，60進制等，可以通過對固定進制的計數器改進或者級聯來完成所需要的N 進制的計數器。EWB 是加拿大Interactive Image Technologies 公司推出的一款電子電路仿真分析、設計軟件，它具有直觀的界面，用戶學習操作十分簡便，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，根據需要可靈活改變各器件的參數，因此它能演示各種復雜電路系統，以查看結果[2]。

1 集成計數器74LS160介紹

74LS160是具有預置數功能的四位同步十進制計數器，其內部是由J-K 觸發器和附加門組成[3]。74LS160管腳功能見表1。74LS160邏輯功能見表2。

從表2看出，集成計數器74LS160具有以下4個功能：

（1）異步清零功能：功能。

當復位端CLR/=O時，輸出QDQCQBQA全為零，實現異步清除

（2）同步預置數功能：

當復位端CLR/=1，預置控制端LOAD/=0，并且有脈沖輸入即CLK=CP ↑時，輸出端QDQCQBQA=DCBA，實現同步預置數功能。

（3）保持功能：

當CLR/=LOAD/=1且計數控制端ENP·ENT=O時，輸出QDQCQBQA保持不變。

（4）計數功能：

當CLR/=LOAD/=ENP=ENT=1，并且有脈沖輸入即CLK=CP ↑時，計數器才開始加法計數，實現計數功能。

2 反饋復零法設計原理

設現有M 進制集成計數器，要設計N 進制計數器。

反饋復零法[1]主要利用一個與非門，其輸入接在計數器的輸出端，其輸出接在計數器的復位端或預置數端。當計數器計到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器的復位端或預置數端相連，使得計數器復位或輸出等于預置數（0000），從而使計數器重新回到起始狀態。與非門反饋到復位端的稱為清零法，與非門反饋到預置控制端的稱為預置數法。圖1給出了反饋復零法電路原理圖，（a）圖為異步清零法，（b）圖為同步置數法。

表1 74LS160管腳功能介紹

表2 74LS160邏輯功能表

圖1 反饋復零法電路原理

圖1中與非門的輸入端個數及連接位置由設計的計數器進制N 決定。

實際設計時，如果M＞N，用一片M 集成集成計數器就可以完成N 進制計數器的設計；如果M

3 設計實例

3.1 異步清零法實現的60進制計數器的仿真設計

74LS160為同步十進制集成計數器，其最大計10個脈沖數。現在需要設計60進制計數器，通過兩片74LS160級聯的方式擴展成100進制，設十位計數器的編號為2，個位計數器的編號為1。使用反饋復零法設計，步驟如下：

（1）寫出60對應的二進制代碼：01100000，即十位計數器的輸出Q2DQ2CQ2BQ2A=（6）D=（0110）B，個位計數器的輸出Q1DQ1CQ1BQ1A=（0）D=（0000）B

（3）在EWB 軟件里搭建仿真電路。具體如下：

①在EWB的數字集成電路庫選擇2片74LS160集成計數器，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個數碼顯示管將以上器件拖放在工作區的合適位置并設置參數。

②連接線路：電源、地分別接到兩片計數器的Vcc 和GND 端。脈沖信號源分別接到CLK 端。要實現計數功能則ENP=ENP=LOAD/=1，所以個位計數器的ENP=ENP=LOAD/=1，而十位計數器的接個位計數器的進位輸出端RC0。由反饋復零邏輯表達式知反饋與非門輸入端接十位計數器的Q2CQ2B，輸出反饋到兩個計數器的復位清零端CLR/。

采用異步清零法實現的60進制計數器仿真電路圖如圖2所示。

（4）打開仿真開關，運行仿真電路，觀查仿真結果。仿真時可以看到，從0開始計數時，來一個脈沖，個位計數器增1，當第十個脈沖來后，個位計數器進位，個位計數器為0，十位計數器顯示1。即每計十個脈沖，十位計數器增1。整體看，當計數器從0開始計數計到59時開始循環，說明圖3實現了60進制加法計數器功能。

3.2 同步置數法實現的24進制計數器的仿真設計

同步置數法原理和異步清零法原理相同，區別在于與非門的輸出端接在74LS160的預置數端LOAD/。當計數器計到N-1時，反饋與非門的輸入端全部為1，則輸出端為0，此時預置控制端有效，當再來一個脈沖時，計數器的輸出端數據等于預置數，使計數器重新回到起始狀態。所以要實現24進制的計數器，應寫出23對應的二進制代碼。

（1）寫出23對應的二進制代碼：00100011，即十位計數器的輸出Q2DQ2CQ2BQ2A=（2）D=（0010）B，個位計數器的輸出Q1DQ1CQ1BQ1A=（3）D=（0011）B

圖2 異步清零法實現的60進制計數器仿真原理圖

圖3 同步預置數法實現的24進制計數器仿真原理圖

（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現的60進制計數器的仿真設計。

②連接線路：電源、地、技術控制端ENP/ENP、脈沖信號源接法不變。與異步清零法仿真設計區別在于此時CLR/=1；十位計數器的數據輸入端D=C=B=A=0；由反饋復零邏輯表達式知與非門輸入端接十位計數器的Q2CQ2B，而輸出反饋到兩個計數器的預置數端。

采用同步預置數法實現的24進制計數器仿真電路圖如圖3所示。

（4）打開仿真開關，運行仿真電路，觀查仿真結果。仿真時可以看到，從0開始計數時，計到23時開始循環，說明圖3實現了24進制加法計數器功能。

3.3 仿真問題分析

在設計60進制計數器仿真時，發現十位計數器不計數，檢查后發現十位計數器的預置數端虛接，改正后仿真結果正確。另外以下幾點：

（1）正確求取復零邏輯表達式，異步清零法為N 對應的二進制代碼為1的輸出項的與非表達式，同步預置數法為（N-1）對應的二進制代碼為1的輸出項的與非表達式。

（2）如果設計10進制以上的計數器時，個位計數器的進位端要連到十位計數器的計數控制端ENP 和ENT 端。

（3）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器復位端，而同步預置數法連到計數器預置數端，并且此時數據輸入端應為0。

4 小結

本文主要以74LS160為例，介紹了采用反饋復零法實現的N進制計數器的設計方法及仿真步驟。并以異步清零法設計的60進制計數器和同步置數法實現的24進制計數器為例給出了詳細的設計步驟。應用EWB 軟件對設計的計數器進行仿真，結果表明達到設計要求。

[1]黃建華.汽車電工電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006

[2]蔡娟娟.任意進制計數器設計在EWB中的仿真實驗[J].太原城市職業技術學院學報，2011，9

[3]胡錦.數字電路與邏輯設計[M].北京：高等教育出版社，2011

[4]趙家松.基于集成計數器的N 進制計數器設計與仿真[J].電子設計工程，2012，2

[5]李耐根電工電子技術基礎[M].北京：冶金工業出版社，2011

[6]楊頌華，馮毛官，孫萬蓉，等.數字電子技術基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2000.