計數(shù)器設(shè)計與仿真

春 寧

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 器件工作原理

1.1 74160原理

74160 同步可預(yù)置四位二進(jìn)制計數(shù)器是由四個D型觸發(fā)器和若干個門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進(jìn)位，具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能.對所有觸發(fā)器同時加上時鐘，使得當(dāng)計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實現(xiàn)同步工作.這種工作方式消除了非同步（脈沖時鐘）計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰.緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器.這種計數(shù)器是可全編程的，即輸出可預(yù)置到任何電平.當(dāng)預(yù)置是同步時，在置數(shù)輸入上將建立一低電平，禁止計數(shù)，并在下一個時鐘之后不管使能輸入是何電平，輸出都與建立數(shù)據(jù)一致.清除是異步的（直接清零），不管時鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為何電平，清除輸入端的低電平把所有四個觸發(fā)器的輸出直接置為低電平.有了超前進(jìn)位電路后，無須另加門，即可級聯(lián)出n位同步應(yīng)用的計數(shù)器.它是借助于兩個計數(shù)使能輸入和一個動態(tài)進(jìn)位輸出來實現(xiàn)的.兩個計數(shù)使能輸入（ENP和ENT）計數(shù)時必須是高電平，且輸入ENT必須正反饋，以便使能動態(tài)進(jìn)位輸出.因而被使能的動態(tài)進(jìn)位輸出將產(chǎn)生一個高電平輸出脈沖，其寬度近似等于QA輸出高電平.此高電平溢出進(jìn)位脈沖可用來使能其后的各個串聯(lián)級.使能ENP和ENT輸入的跳變不受時鐘輸入的影響.電路有全獨立的時鐘電路.改變工作模式的控制輸入（使能ENP、ENT或清零）縱使發(fā)生變化，直到時鐘發(fā)生為止，都沒有什么影響.計數(shù)器的功能（不管使能、不使能、置數(shù)或計數(shù)）完全由穩(wěn)態(tài)建立時間和保持時間所要求的條件來決定.表1為74160N的真值表.

表1 74160N的真值表

1.2 CD4511

CD4511是一片CMOSBCD—鎖存/7段譯碼/驅(qū)動器，引腳排列如圖1所示.其中A1、A2、A3、A4為BCD碼輸入，A1為最低位.LT為燈測試端，加高電平時，顯示器正常顯示，加低電平時，顯示器一直顯示數(shù)碼“8”，各筆段都被點亮，以檢查顯示器是否有故障.BI為消隱功能端，低電平時使所有筆段均消隱，正常顯示時，BI端應(yīng)加高電平.另外CD4511有拒絕偽碼的特點，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)越過十進(jìn)制數(shù)9(1001)時，顯示字形也自行消隱.LE是鎖存控制端，高電平時鎖存，低電平時傳輸數(shù)據(jù).a～g是7段輸出，可驅(qū)動共陰LED數(shù)碼管.另外，CD4511顯示數(shù)“6”時，a段消隱；顯示數(shù)“9”時，d段消隱，所以顯示6、9這兩個數(shù)時，字形不太美觀.所謂共陰LED數(shù)碼管是指7段LED的陰極是連在一起的，在應(yīng)用中應(yīng)接地.限流電阻要根據(jù)電源電壓來選取，電源電壓5V時可使用300 Ω的限流電阻.

圖1 CD4511的引腳圖

1.3 555定時器

555定時器是一種多功能的數(shù)字-模擬混合集成電路,利用它進(jìn)行不同的組合可方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器.由于使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換，測量與控制，家用電器，電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用.圖2 為555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表2為555定時器真值表.

圖2 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

表2 555定時器真值表

2 計數(shù)電路的設(shè)計

計數(shù)器電路由個、十、百、千位構(gòu)成，圖3計數(shù)器仿真電路中的計數(shù)部分是利用四片74160構(gòu)成一個模10000的計數(shù)器，最大可計數(shù)范圍是0-9999，低位的RCO通過連線與高位ENT相連即可實現(xiàn)級聯(lián).

顯示譯碼器由顯示器件和譯碼驅(qū)動器兩部分構(gòu)成的.顯示器件的種類很多，本文采用的是由LED構(gòu)成七段共陰數(shù)碼管，共陰型數(shù)碼管是將各段發(fā)光二極管的陰極連在一起接地.這里使用的譯碼驅(qū)動器為CD4511,七段輸出是驅(qū)動各段數(shù)碼管相應(yīng)顯示段的信號，由于驅(qū)動共陰極數(shù)碼管，故其輸出為高電平有效，即高電平時顯示極數(shù)碼管亮.經(jīng)過CD4511的譯碼后，將CD4511的輸出端與共陰數(shù)碼管的相應(yīng)輸入端連接，可顯示0000～9999.

3 用Multisim軟件對電路進(jìn)行調(diào)試與仿真

用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器來給計數(shù)電路提供脈沖信號，下面利用Multisim軟件分別對整個電路進(jìn)行調(diào)試與仿真.仿真電路及結(jié)果如圖3所示.

圖3 計數(shù)器仿真電路

4 結(jié)束語

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，經(jīng)常要用到計數(shù)器電路，本文設(shè)計了計數(shù)器的時鐘電路、計數(shù)電路和顯示驅(qū)動電路，分析了555、74160和CD4511集成器件的工作原理.利用Multisim軟件對整體電路進(jìn)行了仿真，得出了正確的仿真結(jié)果.555作為時鐘產(chǎn)生電路，通過電阻、電容可以方便的調(diào)節(jié)其振蕩周期，要想使用精確的時鐘，可通過晶振電路分頻得到.

〔1〕湯山俊夫.數(shù)字電路設(shè)計與制作.科學(xué)出版社，2009.7.

〔2〕黃智偉.電子電路計算機(jī)仿真設(shè)計與分析.電子工業(yè)出版社，2009.6.

〔3〕孫余凱.傳感器應(yīng)用電路300例.電子工業(yè)出版社，2008.3.

〔4〕Williams S.Ir D A:Past,Present and Future[J].IEEE Personal Communications,2000,7(1):11～19.