反饋置數法與反饋清零法仿真分析

高金定　許慧燕　鄔書躍

摘 要： 數字電子技術是電子信息類專業重要的專業基礎課，EDA軟件輔助數字電子技術課程教學是發展趨勢。利用Quartus II軟件，以74160十進制加法計數器芯片為例，采用原理圖輸入設計方法，分別用反饋置數法和反饋清零法設計了24進制計數器并進行了仿真分析。結果表明：將仿真軟件應用到數字電子技術實驗教學中，能直觀演示出復雜抽象的設計思想，對提高學生學習效果、激發學生學習興趣有重要的意義。

關鍵詞： 數字電路； 反饋置數法； 反饋清零法； Quartus II； 計數器； 仿真分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）02-26-03

Simulation analysis of feedback number setting method and feedback clearing method

Gao Jinding， Xu Huiyan， Wu Shuyue

（School of information science and engineering， Hunan International Economics University， Changsha， Hunan 410205， China）

Abstract： Digital electronic technology is an important professional basic course of electronic information specialties. Using EDA software of digital electronic technology course teaching is the trend of development. In this paper， by using Quartus II software， taking 74160 decimal addition counter chip as an example， using Quartus II schematic diagram design method， the 24 binary counter are designed and simulated using feedback number setting method and feedback clearing method respectively. The results showed that： the application of simulation software to the digital electronic technology teaching can intuitively demonstrate the design idea of complex abstract. It is significant to improve the learning effect of students and stimulate students' interest in learning.

Key words： digital circuit； feedback number setting method； feedback reset method； Quartus II； counter； simulation analysis

0 引言

數字電子技術是電子信息類專業最重要的專業基礎課程之一，也是實踐性很強的課程。如何提高數字電路課程理論教學與實驗教學效果，盡可能激發學生學習興趣是課程教學改革一直追求的目標[1-4]。湖南涉外經濟學院數字電子技術課程是湖南省普通高等學校精品課程，多年來，通過統籌建設數字電子技術/EDA技術/SOPC技術課程群，將先進EDA技術應用到數字電子技術課程教學中來，注重仿真教學與實物設計相結合，取得了較好的效果[5]。本文以集成計數器設計為例，介紹Quartus II軟件在數字電子技術教學中的應用，這對數字電子技術課程教學改革具有參考意義，相關成果榮獲2014年度湖南省普通高等學校現代教育技術競賽二等獎。

1 Quartus II軟件概述

Quartus II是世界著名可編程邏輯器件供應商Altera公司開發的數字系統設計平臺。該平臺主要支持原理圖輸入和HDL硬件描述語言文本輸入兩大類設計方法，設計輸入完成后該軟件能自動將設計文件進行分析、邏輯綜合、適配及時序網表提取等操作，設計者可以在此基礎上進行時序仿真與分析，以此來驗證設計思想[5-6]。

2 集成計數器設計方法

計數器是數字電路的基礎部件，其基本功能是對時鐘脈沖個數進行計數，在此基礎上可以完成時鐘信號分頻等功能。在數字系統設計中計數器還廣泛應用于具有多種狀態的事件控制，此外與譯碼器相結合，還能完成一些較復雜數字系統的設計，比如動態掃描控制，矩陣鍵盤掃描控制，花樣彩燈控制，樂曲演奏電路設計等等。反饋置數法和反饋清零法是集成計數器設計的兩種基本方法，也是教學重點和難點[7-12]。

3 二十四進制計數器設計與仿真分析

反饋置數法和反饋清零法比較抽象，采用傳統的教學與實驗方式學生很難理解透徹。利用Quartus II軟件仿真，則非常直觀，而且便于修改與發揮。以74160集成計數器為例，利用兩片74160芯片級聯，采用同步的方式設計二十四進制計數器。74160是同步置數、異步清零十進制加法計數器芯片，其中CLK為時鐘信號，CLRN為清理信號，異步清零，低電平有效。ENT和ENP為計數使能信號，高電平有效。LDN為預置數使能信號，同步置數，低電平有效，A、B、C、D為預置數輸入端。QA、QB、QC、QD為計數器技術輸出，QD是最高位，QA是最低位，RCO為進位信號。

采用反饋置數方法設計的二十四進制計數器如圖1所示。從圖1可以看出，采用反饋置數的方式當計數到23（s[1]=1& g[0]=1& g[1]=1）時，通過與非門產生有效的低電平給預置數使能端LDN，在時鐘上升沿到來時立即置數，又從預置的0開始計數。把en使能信號考慮進來，主要是為了滿足級聯組成更大的計數器（比如電子鐘）時使用，以避免最后一個狀態23只保持1個時鐘周期。時序仿真結果如圖2所示，可以看出，采用反饋置數方法，臨界狀態23可以穩定輸出。

采用反饋清零法設計的二十四進制計數器如圖3所示。與反饋置數法不同，由于74160是異步清零，清零操作與時鐘信號無關，只要清零信號能夠被電路檢測到，清零操作立即完成。所以臨界狀態不能取23，只能取24，即當g[2]=1并且s[1]=1時，通過二輸入與非門NAND2產生低電平作為清零信號。co進位信號則任然只能從23這個狀態來取，因為24保持的時間太短，只有幾個ns。圖4是時序仿真波形圖，可以看出，采用反饋清零方法，24這個臨近狀態保持的時間極短，不能作為計數器穩定的輸出狀態來使用。

4 結束語

借助Quartus II軟件仿真，可以將復雜的設計方法用直觀的方式展現出來，能加深學生對課程理論內容的理解，激發學生的學習興趣，從而提高學生分析和解決問題的能力，實現課堂教學與實驗教學相結合。

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