基于multisim的倒計時電路的設(shè)計與改進

萬 文，王 煒，吳 敏

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.武漢船舶通信研究所，湖北 武漢 430205）

1 改進前的電路圖

1.1 計數(shù)器74LS192

集成芯片74LS192是同步計數(shù)器，雙時鐘輸入，并具有清零和置數(shù)等功能[1-3]。D～A是并行數(shù)據(jù)輸入端，D是最高位，A是最低位；QD～QA是數(shù)據(jù)輸出端，QD是最高位，QA是最低位；UP是加法計數(shù)脈沖輸入端；DOWN是減法計數(shù)脈沖輸入端；CLR是置零端（高電平有效）；置數(shù)端（低電平有效）；BO是減法計數(shù)時的借位輸出端，當(dāng)輸出端等于0000時，BO=0；CO是加法計數(shù)時的進位輸出端，當(dāng)輸出端等于1001時，CO=0。74LS192功能表，如表1所示。

1.2 數(shù)碼管顯示器

圖1 74LS192的引腳圖和邏輯符號

表1 74LS192功能表

設(shè)計中用到的是七段數(shù)碼管顯示器。七段數(shù)碼管顯示器有共陽極和共陰極兩種類型[4]。在multisim軟件中，選用的是共陰極的數(shù)碼管顯示器。圖2是multisim軟件中七段數(shù)碼管顯示器的模型圖。該模型是七段數(shù)碼管和譯碼器的合成器件，默認是共陰極的。系統(tǒng)默認該顯示器內(nèi)部已連接電源和地，顯露在外的輸入端口有4個，從左到右依次是高位至低位[5]。讀數(shù)遵循8421BCD碼制，即輸入的是什么值，該顯示器就會顯示什么數(shù)值。例如：若輸入0101，則顯示器將顯示“5”。

1.3 倒計時電路

圖3是基于multisim軟件設(shè)計的倒計時電路，電路功能是實現(xiàn)59～00的倒計時顯示電路。圖3用到了2片74LS192計數(shù)器芯片，分別用來計數(shù)十位和個位；U1、U2的輸出端分別與U3、U4的輸入端依次連接，即U1、U2的計數(shù)值將通過U3、U4顯示。

圖2 數(shù)碼管顯示器

圖3 原倒計時電路

因為是倒計時電路，所以2片74LS192計數(shù)器芯片的計數(shù)脈沖都是通過引腳DOWN輸入。參照表1，此時UP引腳不起作用，都接高電平；U2的時鐘信號由multisim軟件的時鐘源提供，U1的時鐘信號由低位計數(shù)器U2的借位輸出端BO提供[6]。

2 原電路圖出現(xiàn)的問題

2.1 理論結(jié)果

根據(jù)計數(shù)器芯片74LS192的工作原理，計數(shù)器在倒計時過程中，輸出值為0001～0000～1001時，在輸出為0000的整個時間段，BO=0保持不變，具體波形圖如圖4所示，即在理論情況下兩片計數(shù)器的BO端口的輸出波形。在此理論基礎(chǔ)上，高位計數(shù)器芯片U1輸出端口QD～QA的數(shù)值將由0101～0100～0011～0010～0001～0000～0101依次循環(huán)。

2.2 實際仿真結(jié)果

圖5是計數(shù)器芯片U1輸出引腳的實際的波形圖。可以看出，借位端口BO輸出的一直為高電平，與理論不符合。從圖5還可以看出，計數(shù)器U1的輸出值實現(xiàn)的是1010～0000～1010的倒計時，并未實現(xiàn)0101～0000～0101的倒計時功能，不能滿足實驗要求。

3 問題分析

對比圖4和圖5不難發(fā)現(xiàn)，實際波形與理論波形出現(xiàn)的不符合，主要原因是U1的借位端口BO沒有等于低電平的階段。BO不能等于0，將導(dǎo)致U1的置數(shù)端口不能等于0，置數(shù)永遠無效，所以輸出不可能從0000跳轉(zhuǎn)到0101。

由于邏輯分析儀的主要功能是分析不同通道的邏輯關(guān)系，而這里要分析BO端口出現(xiàn)故障的原因，因此選用示波器更適合。

圖4 計數(shù)器BO端口理論波形圖

圖5 計數(shù)器輸出BO端口實際波形圖

在原電路圖中，將U1的倒計時時鐘輸入端口DOWN和借位端口BO接入示波器，可以觀察到如圖6所示的波形圖。通過原倒計時電路圖3易發(fā)現(xiàn)，十位DOWN和個位的BO連接在一起。那么，圖6的波形圖說明個位的BO端口只在極端的時間內(nèi)等于0。由于這個時間太短暫，導(dǎo)致十位的借位輸出端BO來不及反應(yīng)變?yōu)榈碗娖剑允坏腂O一直等于高電平。

4 改進措施

通過以上分析，不能實現(xiàn)59～00倒計時的主要原因是U1的BO端口不能出現(xiàn)低電平。所以，要解決這個問題，最好要避開使用U1的BO端口。原電路U1的置數(shù)端LOAD與自身的BO相連，改進后的電路如圖7所示。其中，U1的置數(shù)端LOAD與自身的輸出端口QD、QA連接，其邏輯關(guān)系滿足即只有當(dāng)QD=0且QA=0時，計數(shù)器U1同步置數(shù)。也就是只有輸出端等于1001時，U1立即置數(shù)，輸出立即等于置入的數(shù)值0101，由此十位計數(shù)器將實現(xiàn)倒計時0101～0000～0101的功能。

圖6 計數(shù)器BO的波形圖

圖7 改進后的倒計時電路圖

改進后的電路圖和原圖相比，個位計數(shù)部分也有所改動。原電路中個位倒計時采用的是同步置數(shù)法，改進后的電路利用計數(shù)芯片74LS192的DOWN端口接入時鐘脈沖清零后能夠自動倒計時的特點，沒有用到置數(shù)端口也能實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，進一步簡化了倒計時電路。

改進后電路圖的計數(shù)器的輸出端波形圖如圖8所示。可以看出，十位輸出端能夠?qū)崿F(xiàn)倒計時0～5～0，并且在十位保持不變的時間段內(nèi)，個位實現(xiàn)了從9～0的輸出。

圖8 改進后電路的輸出波形圖

5 結(jié) 論

本文利用multisim平臺，發(fā)現(xiàn)并解決了以74LS192芯片為核心的倒計時電路的問題，在教學(xué)過程中對學(xué)生有極大幫助，有利于學(xué)生理解計數(shù)器74LS192，幫助學(xué)生提高數(shù)字電路設(shè)計能力。