基于Multisim的集成计数器及应用逻辑功能的仿真

杨明，高春林（云南中医学院信息技术学院，云南昆明，650500）

基于Multisim的集成计数器及应用逻辑功能的仿真

杨明，高春林
（云南中医学院信息技术学院，云南昆明，650500）

在数字电路的教学中，集成计数器是一个重点无疑也是一个教学难点。本文以典型的74LS161N 同步四位二进制计数器为例，用Multisim12软件对其进行功能仿真，并运用反馈清零法和反馈置数法设计十进制计数器，用同步和异步级联设计六十进制计数器来讲述任意进制计数器的设计方法，该设计方法灵活直观，可以非常直观的将电路和输出状态展现在屏幕上。通过该方法的学习，可加深学生对计数器的理解，提高学生的电路设计和实践动手能力。

Multisim12；计数器；设计；仿真

0 引言

数字电路是高校计算机及相关专业的一门专业基础课，具有很强的实践性。数字电路可基本分为组合逻辑电路和时序逻辑电路，而集成计数器是数字系统中常用的时序逻辑电路[1]，其广泛应用于计数、分频、定时、产生节拍和脉冲序列及进行数字运算［2］。但在教学中计数器却难于理解，并且在实验室的条件下也难于实现，随着教学方法的改革和教学手段多样化的改善，可在教学中引入电路仿真软件用于数字电路实验课程，以减少实验设备的损耗并降低实验成本[3]。如利用Multisim12仿真软件进行仿真分析，可以将计数器的逻辑功能及计数过程展示给学生，既加深了学生的理解，又减轻了老师的负担，提高了教学效果，有利于辅助教学[4]。本文以具有异步清零功能的集成4位同步2进制计数器74LS161N为基础，以Multisim12软件进行任意进制计数器的设计，然后进行仿真测试、分析。

1 集成计数器74LS161N的特性和功能仿真

1.1 同步集成计数器74LS161N的特性

4位二进制计数器74LS161N是典型的常用中规模集成计数器，具有异步清零、同步并行预置数、加法计数和保持功能。74LS161N的特性表如表1所示。

1.2 同步集成计数器功能仿真设计

在Multisim12中构建集成计数器74LS161N逻辑功能仿真电路，如图1所示。选择单刀双掷开关产生时钟脉冲输入信号CLK、计数控制信号ENP及ENT、预置数控制信号~ LOAD、异步置零控制信号~ CLR及预置数输入信号ABCD，采用指示灯或LED显示状态输出信号QAQBQCQD、进位输出信号RCO的状态，指示灯或LED亮显示逻辑1、不亮显示逻辑0。

表 1 74LS161N的特性表

Multisim12版本中，74LS161N的时钟脉冲触发方式为下降沿触发，图1中的U2A非门74LS04N的作用是修正为和实际器件一致的上升沿触发方式，本图显示了计数脉冲为5个时的情况。

2 任意进制计数器的构成方法

从降低成本的角度考虑，集成电路的定型产品必须有足够大的批量。因此，目前常见的计数器芯片在计数进制上只做成应用较为广泛的几种类型,，如十进制、十六进制、7位二进制、12位二进制、14位二进制等。在需要其他任意一种进制的计数器时，就需要在单片或多片级联的基础上利用集成计数器的清零端或置数端, 让电路跳过某些状态就可以获得任意 N 进制计数器[5]。

图1 集成计数器74LS161N逻辑功能仿真电路

假如已有的是N进制计数器，而需要得到的是M进制计数器。这时有M＜N和M＞N两种可能的情况。

2.1 M＜N的情况

在N进制计数器的顺序计数过程中设法跳过N－M个状态即可，就可以得到M进制计数器了。实现跳跃的方法有置零法和置数法两种。

置零法适用于有置零输入端的计数器。对于有异步置零输入端的计数器，在电路从全0状态S0进入SM状态时译码产生置零信号加到计数器的异步置零输入端，使计数器立刻返回S0状态，这样就跳过N－M个状态而得到M进制计数器，如图2中虚线所示。对于有同步置零输入端的计数器，在电路从全0状态S0进入SM-1状态时译码产生置零信号加到计数器的同步置零输入端，计数器在下一个时钟信号达到后返回S0状态，如图2中实线所示。

置数法与置零法不同，它是通过给计数器重复置入某个数值的方法跳过N－M个状态，从而获得M进制计数器，这种方法适用于有预置数功能的计数器电路。置数法可以在电路的任何一个状态下进行。对于同步式预置数的计数器，LD′＝0的信号应从Si状态译出，待下一个CLK到来时才将要置入的数据置入计数器中，稳定的状态循环中包含有Si状态，如图3中实线所示。而对于异步式预置数的计数器，信号应从Si+1状态译出，Si+1状态只在极短的瞬间出现，如图3中虚线所示。

图2 置零法

图3 置数法

2.2 M＞N的情况

这时必须用多片N进制计数器组合起来，才能构成M进制计数器。各片之间的连接方式可分为串行进位方式、并行进位方式、整体置零方式和整体置数方式几种。下面以两级之间的连接为例说明四种方式的原理。若M可以分解为两个小于N的因数相乘，即M＝N1╳N2 ，则可采用串行进位方式或并行方式将一个N1进制计数器和一个N2进制计数器连接起来，构成M进制计数器。在串行进位方式中，以低位片的进位信号作为高位片的时钟输入信号。在并行进位方式中，以低位片的进位输出信号作为高位片的工作状态控制信号，两片的CLK输入端同时接计数输入信号。

图4 异步置零法构成十进制计数器仿真电路

3 任意进制计数器的仿真实现

3.1 用74LS161N异步置零法构成十进制计数器

如图4所示为利用清零法设计的一个十进制计数器。因为74LS161N是异步清零，所以，在QDQCQBQA=1010时产生清零信号～CLR。

图5 同步置数法构成十进制计数器仿真电路

3.2 用74LS161N同步置数法构成十进制计数器

如图5所示为利用置数法设计的一个十进制计数器。因为74LS161N是同步置数，所以，在QDQCQBQA=1001时产生清零信号～LOAD。

3.3 用74LS161N同步级联构成六十进制计数器

如图6所示为两片74LS161N通过同步级联构成的一个六十进制计数器[6]。U1集成计数器74LS161N构成十进制计数器，U2集成计数器74LS161N构成六进制计数器，U1、U2两片共用一个时钟脉冲信号，用U5A及U4B形成的进位信号控制高位片U2的计数控制端EP及ET进行同步级联。因为74LS161N是同步置数，所以，在QDQCQBQA=1001时产生清零信号～LOAD。

图6 74LS161N同步级联构成六十进制计数器仿真电路

单击仿真开关后计数器开始计数，在计数时钟脉冲CP作用下从00～59等60个状态的循环变化，进行加法计数。

图7 74LS161N异步级联构成六十进制计数器仿真电路

3.4 用74LS161N异步级联构成六十进制计数器

如图7所示为两片74LS161N通过异步级联构成的一个六十进制计数器。U1集成计数器74LS161N构成十进制计数器，U2集成计数器74LS161N构成六进制计数器，用U5A和U4B形成的进位信号控制高位片U2的计数脉冲信号进行异步级联。

单击仿真开关后计数器开始计数，在计数时钟脉冲CP作用下从00～59等60个状态的循环变化，进行加法计数。

4 结论

计数器是一种典型而又应用十分广泛的时序电路[7]。它除用于计数、分频外，还广泛应用于数字测量、运算和控制, 是现代数字系统中不可缺少的组成部分[8]。

然而在教学中学生对计数器却难于理解，尤其是任意进制计数器的构成方法。将虚拟仿真软件Multisim12引入到计数器电路应用教学中，使电路设计和实现变得灵活多样，激发了学生的学习兴趣，加深了学生对相关概念的理解，提高了学生的电路设计能力和实践动手能力，促进了教学改革。

[1]杨志忠,卫桦林.数字电子技术基础[M].2 版.北京:高等教育出版社，2009．

[2]清华大学电子教学组，阎石．数字电子技基础[M].5版.北京:高等教育出版社，2006．

[3]蔡娟娟.任意进制计数器设计在EWB中的仿真实验[J].太原城市职业技术学院学报，2011（9）:150－151.

[4]蒙树森.基于Multisim10集成计数器的仿真分析[J].山西电子技术,2013.（2）35－36.

[5]余孟尝.数字电子技术基础简明教程[M].第2版.北京:高等教育出版社,1999:303-306.

[6]任骏原等.数字逻辑电路Multisim仿真技术[M].北京:电子工业出版社,2013.

[7]丁业兵等.基于Multisim 的计数器设计仿真[J].电子设计工程,2013.(7):147－149.

[8]万琰等.基于Multisim10的任意计数器的设计与仿真[J].世界科技研究与发展,2008.(4) 452-454.

杨明，副教授，主要从事通信与信息系统、单片机及数据仓库与数据挖掘的研究。

高春林（通讯作者），工程师，主要从事计算机网络与工程、计算机体系结构及嵌入式系统的研究。

Based on the integrated counter and application logic function of Multisim simulation

Yang Ming，Gao Chunlin
(Yunnan University of Traditional Chinese Medicine，Kunming Yunnan，650500)

In the teaching of digital circuit, integrated counter is a key is, of course, a teaching difficulty.In this paper, four typical 74LS161N synchronous binary counter, for example, use Multisim12 simulation software to function, and using the method of feedback reset and feedback for design of decimal counter method, use synchronous and asynchronous cascade design 6 decimal counter to tell the arbitrary hexadecimal design methods, the design method of flexible intuitive, can be very intuitive to circuit and output state display on the screen.Through the study of the method, can deepen students’ understanding of counter, and the ability to practice and improve the students’ circuit design.

Multisim12; The counter; Design; The simulation