基于Multisim10.1的任意進制計數(shù)器的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：本文介紹了利用集成計數(shù)器芯片實現(xiàn)任意計數(shù)器的方法，以二十四進制計數(shù)器的設(shè)計為例，提出利用Multisim10.1仿真軟件進行電路過程仿真，幫助學(xué)習(xí)者建立一個利用仿真平臺直觀形象的學(xué)習(xí)計數(shù)器應(yīng)用的方法，可有效提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：集成計數(shù)器；Multisim10.1；學(xué)習(xí)效率

計數(shù)器的應(yīng)用是電子類專業(yè)數(shù)字電子技術(shù)課程必須掌握的內(nèi)容，主要是利用給定計數(shù)器構(gòu)成任意進制計數(shù)器，涉及兩種情況：一種是給定計數(shù)器的模值N大于要實現(xiàn)的計數(shù)器模值M，這類問題比較簡單，只需要一個計數(shù)器芯片再結(jié)合相應(yīng)的門電路即可實現(xiàn)；另一種是給定計數(shù)器的模值N大小于要實現(xiàn)的計數(shù)器模值M，這類問題較復(fù)雜，往往涉及兩個或兩個以上的計數(shù)器芯片，電路相對比較復(fù)雜，學(xué)生較難理解。如果設(shè)計出電路要在實驗設(shè)備上搭接實現(xiàn)，一旦出問題很難排查，而且很容易損壞芯片。

本文以二十四進制計數(shù)器的設(shè)計為例提出利用Multisim10.1仿真軟件進行了電路仿真，電路實現(xiàn)非常靈活，即可節(jié)約實驗成本，縮短實驗時間，又可提高學(xué)習(xí)效率。

一、任意進制計數(shù)器的實現(xiàn)

（一）集成計數(shù)器的模值N大于任意計數(shù)器的模值M

集成計數(shù)器加適當?shù)姆答侂娐肪涂梢詷?gòu)成任意進制計數(shù)器。在N進制計數(shù)器的順序計數(shù)器過程中，設(shè)法使之跳過（N-M）個狀態(tài)，只在M個狀態(tài)中循環(huán)就可實現(xiàn)。常用的方法有兩種：反饋清零法和反饋置數(shù)法。

1）反饋清零法：計數(shù)器從全“0”狀態(tài)開始計數(shù)，計滿M個狀態(tài)后，進行清零，然后重新開始計數(shù)。由于集成計數(shù)器清零有同步和異步之分，因此反饋清零法也分為兩種情況。

計數(shù)器同步清零時，從全“0”狀態(tài)開始計數(shù)，記錄了（M-1）個狀態(tài)后，就要發(fā)出清零指令，在第M個計數(shù)脈沖到來后才進行清零，這樣才能記錄M個狀態(tài)，實現(xiàn)M進制計數(shù)。

計數(shù)器異步清零時，計數(shù)到第M個狀態(tài)后，再發(fā)出清零指令，計數(shù)器的狀態(tài)從第M種狀態(tài)返回到全“0”狀態(tài)。第M種狀態(tài)一出現(xiàn)，無需計數(shù)脈沖，計數(shù)器便立即清零，第M種狀態(tài)只在瞬間出現(xiàn)，通常稱為過渡狀態(tài)。

2）反饋置數(shù)法：利用計數(shù)器預(yù)置數(shù)功能，使計數(shù)器從某個預(yù)置狀態(tài)開始計數(shù)，計滿M個狀態(tài)后產(chǎn)生置數(shù)信號，使計數(shù)器又進入預(yù)置狀態(tài)，然后重新開始計數(shù)。這種方法適用于有預(yù)置功能的計數(shù)器，反饋置數(shù)法也分為兩種情況。

計數(shù)器同步預(yù)置數(shù)時，計數(shù)器從預(yù)置狀態(tài)開始計數(shù)，記錄了（M-1）個狀態(tài)后，發(fā)出預(yù)置數(shù)指令，當?shù)贛個計數(shù)脈沖到來后才能預(yù)置數(shù)。

計數(shù)器異步預(yù)置數(shù)時，從預(yù)置狀態(tài)開始計數(shù)，必須是在計到第M個狀態(tài)后，再發(fā)出預(yù)置數(shù)指令，計數(shù)器的狀態(tài)返回到預(yù)置狀態(tài)。第M種狀態(tài)一出現(xiàn)，無需計數(shù)脈沖，計數(shù)器便立即被預(yù)置數(shù)，第M種狀態(tài)作為過渡狀態(tài)。

（二）集成計數(shù)器的模值N小于任意計數(shù)器的模值M

要構(gòu)成模值大于N的計數(shù)器，就需要將多片集成計數(shù)器進行級聯(lián)，擴大其計數(shù)范圍。級聯(lián)的基本方式有兩種：異步級聯(lián)法和同步級聯(lián)法。

異步級聯(lián)法：將前一級集成計數(shù)器的輸出作為后一級集成計數(shù)器的時鐘脈沖信號。這種信號可以取自前一級的進位或借位輸出，也可直接取自高位觸發(fā)器的輸出。此時，若后一級集成計數(shù)器有計數(shù)允許控制端，則應(yīng)使它處于允許計數(shù)狀態(tài)。

同步級聯(lián)法：外加時鐘信號同時接到各集成計數(shù)器的時鐘脈沖輸入端，用前前一級集成計數(shù)器的進位或借位輸出信號作為后一級集成計數(shù)器的工作控制信號。只有當進位或借位信號有效時，時鐘脈沖才能對后一級集成計數(shù)器起作用。

經(jīng)過級聯(lián)擴展，計數(shù)范圍擴大至大于任意進制計數(shù)器的模值M，然后加適當?shù)姆答侂娐肪涂梢詷?gòu)成任意進制計數(shù)器，反饋的方法同1.1，也分為反饋清零法和反饋置數(shù)法。

二、二十四進制計數(shù)器的實現(xiàn)

該電路選擇中規(guī)模集成計數(shù)器74LS161芯片，74LS161是同步四位二進制可預(yù)置數(shù)加法計數(shù)器，它除了有計數(shù)功能外，還具有同步預(yù)置數(shù)、保持和異步清零等功能。

利用同步級聯(lián)法構(gòu)成256進制計數(shù)器器，再利用反饋置數(shù)的方法構(gòu)成二十四進制計數(shù)器，電路預(yù)置數(shù)為00000001，反饋數(shù)為00011000，即計數(shù)器在1—24之間循環(huán)，構(gòu)成二十四進制計數(shù)器，反饋環(huán)節(jié)用到74LS00芯片，顯示電路用自帶譯碼器的7段數(shù)碼管DCD-HEX實現(xiàn)，電路原理圖及仿真電路如圖1所示。

三、結(jié)論

將Multisim10.1仿真軟件引入到計數(shù)器電路應(yīng)用教學(xué)中，使電路實現(xiàn)變得靈活多樣，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，降低了理解難度，有效節(jié)約了實驗成本，縮短實驗時間，在教學(xué)中值得大力推廣。

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項目基金：

2016年度陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院校本科研項目《基于虛擬仿真平臺的電類實訓(xùn)數(shù)字化教學(xué)資源的研究》（編號：Gfy 16-21），項目主持人：馬艷陽

作者簡介：馬艷陽，副教授。