基于Multisim10.1的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文介紹了利用集成計(jì)數(shù)器芯片實(shí)現(xiàn)任意計(jì)數(shù)器的方法，以二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)為例，提出利用Multisim10.1仿真軟件進(jìn)行電路過程仿真，幫助學(xué)習(xí)者建立一個(gè)利用仿真平臺(tái)直觀形象的學(xué)習(xí)計(jì)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(jì)數(shù)器；Multisim10.1；學(xué)習(xí)效率

計(jì)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(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器，涉及兩種情況：一種是給定計(jì)數(shù)器的模值N大于要實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)器模值M，這類問題比較簡單，只需要一個(gè)計(jì)數(shù)器芯片再結(jié)合相應(yīng)的門電路即可實(shí)現(xiàn)；另一種是給定計(jì)數(shù)器的模值N大小于要實(shí)現(xiàn)的計(jì)數(shù)器模值M，這類問題較復(fù)雜，往往涉及兩個(gè)或兩個(gè)以上的計(jì)數(shù)器芯片，電路相對(duì)比較復(fù)雜，學(xué)生較難理解。如果設(shè)計(jì)出電路要在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上搭接實(shí)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(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)為例提出利用Multisim10.1仿真軟件進(jìn)行了電路仿真，電路實(shí)現(xiàn)非常靈活，即可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，又可提高學(xué)習(xí)效率。

一、任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)

（一）集成計(jì)數(shù)器的模值N大于任意計(jì)數(shù)器的模值M

集成計(jì)數(shù)器加適當(dāng)?shù)姆答侂娐肪涂梢詷?gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的順序計(jì)數(shù)器過程中，設(shè)法使之跳過（N-M）個(gè)狀態(tài)，只在M個(gè)狀態(tài)中循環(huán)就可實(shí)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(jì)數(shù)器從全“0”狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，計(jì)滿M個(gè)狀態(tài)后，進(jìn)行清零，然后重新開始計(jì)數(shù)。由于集成計(jì)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(jì)數(shù)器同步清零時(shí)，從全“0”狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，記錄了（M-1）個(gè)狀態(tài)后，就要發(fā)出清零指令，在第M個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來后才進(jìn)行清零，這樣才能記錄M個(gè)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)M進(jìn)制計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)器異步清零時(shí)，計(jì)數(shù)到第M個(gè)狀態(tài)后，再發(fā)出清零指令，計(jì)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(jì)數(shù)脈沖，計(jì)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(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)功能，使計(jì)數(shù)器從某個(gè)預(yù)置狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，計(jì)滿M個(gè)狀態(tài)后產(chǎn)生置數(shù)信號(hào)，使計(jì)數(shù)器又進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)，然后重新開始計(jì)數(shù)。這種方法適用于有預(yù)置功能的計(jì)數(shù)器，反饋置數(shù)法也分為兩種情況。

計(jì)數(shù)器同步預(yù)置數(shù)時(shí)，計(jì)數(shù)器從預(yù)置狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，記錄了（M-1）個(gè)狀態(tài)后，發(fā)出預(yù)置數(shù)指令，當(dāng)?shù)贛個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來后才能預(yù)置數(shù)。

計(jì)數(shù)器異步預(yù)置數(shù)時(shí)，從預(yù)置狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，必須是在計(jì)到第M個(gè)狀態(tài)后，再發(fā)出預(yù)置數(shù)指令，計(jì)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(jì)數(shù)脈沖，計(jì)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(jì)數(shù)器的模值N小于任意計(jì)數(shù)器的模值M

要構(gòu)成模值大于N的計(jì)數(shù)器，就需要將多片集成計(jì)數(shù)器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，擴(kuò)大其計(jì)數(shù)范圍。級(jí)聯(lián)的基本方式有兩種：異步級(jí)聯(lián)法和同步級(jí)聯(lián)法。

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

同步級(jí)聯(lián)法：外加時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)接到各集成計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖輸入端，用前前一級(jí)集成計(jì)數(shù)器的進(jìn)位或借位輸出信號(hào)作為后一級(jí)集成計(jì)數(shù)器的工作控制信號(hào)。只有當(dāng)進(jìn)位或借位信號(hào)有效時(shí)，時(shí)鐘脈沖才能對(duì)后一級(jí)集成計(jì)數(shù)器起作用。

經(jīng)過級(jí)聯(lián)擴(kuò)展，計(jì)數(shù)范圍擴(kuò)大至大于任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的模值M，然后加適當(dāng)?shù)姆答侂娐肪涂梢詷?gòu)成任意進(jìn)制計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)

該電路選擇中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器74LS161芯片，74LS161是同步四位二進(jìn)制可預(yù)置數(shù)加法計(jì)數(shù)器，它除了有計(jì)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(jí)聯(lián)法構(gòu)成256進(jìn)制計(jì)數(shù)器器，再利用反饋置數(shù)的方法構(gòu)成二十四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，電路預(yù)置數(shù)為00000001，反饋數(shù)為00011000，即計(jì)數(shù)器在1—24之間循環(huán)，構(gòu)成二十四進(jìn)制計(jì)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(shí)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(jì)數(shù)器電路應(yīng)用教學(xué)中，使電路實(shí)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(shí)驗(yàn)成本，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在教學(xué)中值得大力推廣。

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項(xiàng)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(xiàng)目《基于虛擬仿真平臺(tái)的電類實(shí)訓(xùn)數(shù)字化教學(xué)資源的研究》（編號(hào)：Gfy 16-21），項(xiàng)目主持人：馬艷陽

作者簡介：馬艷陽，副教授。