基于集成计数器的N进制计数器设计与仿真

摘要：计数器是一种重要的时序逻辑电路，广泛应用于各类数字系统中。介绍以集成计数器74LS161和74LS160为基础，用归零法设计N进制计数器的原理与步骤。用此方法设计了3种36进制计数器，并用Multisim10软件进行仿真。计算机仿真结果表明设计的计数器实现了36进制计数的功能。基于集成计数器的N进制计数器设计方法简单、可行，运用Multisim10进行电子电路设计和仿真具有省时、低成本、高效率的优越性。
关键词：电路设计；仿真；计数器；归零法；Multisim10

计数器是记忆时钟脉冲个数的数字电路，作为一种最典型的时序逻辑电路，在各类数字系统中有着广泛的应用。计数器的设计方法主要有两种，1)以时钟触发器为核心加上必要的门电路进行设计；2)利用集成计数器构建，这种方法从设计原理到硬件实现都相对简单，因而较为常用。基于集成计数器的N进制计数器设计方法有归零法和置数法。文中以最常用的4位二进制(十六进制)同步加法计数器74LS161及十进制同步加法计数器74LS160为核心，以三十六进制为例，介绍了归零法设计N进制计数器的方法，并用Multisim10软件进行仿真。Multisim10软件由美国国家仪器(National Instruments，NI)公司于2007年推出，该软件具有以下特点：1)直观的图形界面；2)庞大的元器件库；3)丰富的测试仪器；4)完备的分析工具；5)强大的仿真能力；广泛应用于电子电路的教学、设计和科研中。

1 归零法设计原理
1．1 集成计数器功能描述
集成计数器由芯片厂家生产后，其功能已固化在集成芯片中，其功能常用状态表描述。表1是4位二进制同步加法计数器74LS161的状态表，表中是异步清零控制端，低电平有效；是同步置数控制端，低电平有效；ENP和ENT是计数器工作状态控制端，高电平计数；CLK是计数脉冲输入端；D、C、B、A是并行数据输入端；QD、QC、QB、QA是计数器状态输出端；“×”表示任意状态，“↑”表示时钟脉冲上升沿。

十进制同步加法计数器74LS160的状态表与74LS161类似，区别在于计数状态是按十进制(8421BCD码表示)规律变化。
1．2 归零法设计原理
设现有M进制集成计数器，设计N进制计数器。若M>N，从全零初始状态S0开始计数，第1个时钟到来时，计数状态为S1，第N-1时钟到来时，计数状态为SN-1，第N时钟到来时，利用集成计数器的清零端或是置数端，使计数状态返回全零初始状态S0，原M进制集成计数器中的SN～SM-1这M-N个状态被跳过。若集成计数器的清零端为异步控制方式，具体设计与仿真步骤为：
1)确定最大计数状态SN(过渡状态)，并写出SN的二进制代码：
2)根据状态SN的非完全译码，求归零逻辑，即清零端控制信号的逻辑表达式；
3)在仿真平台Multisim中选择器件，根据归零逻辑创建仿真电路；
4)选择时钟信号源输入，示波器或数码管等作为测量或显示仪器，运行仿真电路，观测结果。[p]
如图1所示电路是基于集成4位二进制同步加法计数器74LS161，用归零法设计的七进制加法计数器的仿真电路。由于74LS161的清零端为异步控制方式，则最大计数状态SN=S7=0111；由此求出归零逻辑，仿真中用时钟电压源V1接入计数脉冲输入端CLK，用带译码的十六进制数码管U3作状态输出的显示器。运行仿真电路，在时钟控制下，数码管U3循环显示0，1，2，3，4，5，6，0，…，共7种输出状态，结果表明图1电路用7415161实现了七进制加法计数功能。

用归零法设计N进制计数器要注意以下两点：
1)当集成计数器的清零端为同步控制方式，则不会出现过渡状态SN，此时最大计数状态应为SN-1，相应归零逻辑也由SN-1求得。
2)若MN，需要用多个M进制集成计数级联，扩展成大容量计数器后，再使用归零法设计N进制计数器。

2 三十六进制加法计数器的设计与仿真
2．1 基于74LS161的三十六进制加法计数器的设计与仿真
74LS161为十六进制计数器，设计三十六进制计数器需要两个74LS161通过级联的方法，可先扩展成256(16×16)进制计数器。设低位的74LS161编号为1，高位的74LS161编号为2，再用归零法设计如下：
1)写出SN的二进制代码：SN=S36=100100；
2)求出归零逻辑：；
3)在仿真平台Multisim中选择2个74LS161，1个74LS00,2个5 V电源和地，根据归零逻辑创建仿真电路；
4)时钟电压源V1接入计数脉冲输入端CLK，用带译码的十六进制数码管U4和U5作状态输出的显示器，完整的三十六进制计数器仿真电路如图2所示。

[p]
运行仿真电路，在时钟控制下，数码管U5和U4以2位十六进制数方式循环显示00，01，02，…，09，0A，0B，…，0F，10，11，…，23，00，…，共36种输出状态，本质上是8个计数输出端Q2D～Q2AQ1D～Q1A对应二进制代码以00000000，00000001，…，00100011，00000000，…。循环变化，共36种输出状态。因此，图2电路用74LS161实现了三十六进制加法计数功能。
2．2 基于74LS160的三十六进制加法计数器的设计与仿真
74LS160为十进制计数器，其计数状态QDQCQBQA以8421BCD码的方式输出，最大状态为1001。设计三十六进制计数器需要2个74LS160通过级联的方法，可先扩展成100(10x10)进制计数器。设低位的74LS160编号为1，高位的74LS160编号为2，再用归零法设计如下：
1)写出SN的8421BCD码：SN=S36=(00110110)8421BCD；
2)求出归零逻辑：；
3)在仿真平台Multisim中选择2个74LS161，1个74LS20，2个5 V电源和地，根据归零逻辑创建仿真电路；
4)时钟电压源V1接入计数脉冲输入端CLK，用带译码的十六进制数码管U4和U5作状态输出的显示器，完整的三十六进制计数器仿真电路如图3所示。

运行仿真电路，在时钟控制下，数码管U5和U4以2位十进制数方式循环显示00，01，02，…35，00，…，共36种输出状态，本质上是8个计数输出端Q2D～Q2AQ1D～Q1A对应8421BCD码以初态00000000，随着时钟的到来依次加1，直到00110101，00000000，…，循环变化，共36种输出状态。因此，图3电路用74LS160实现了三十六进制加法计数功能。[p]
2．3 基于74LS161的三十六进制加法计数器的设计与仿真(以十进制数方式显示)
计数状态以十进制数方式显示，读数方便，符合多数人的习惯。若无十进制计数器74LS160，用十六进制计数器74LS161也可构成以十进制数方式显示的三十六进制加法计数器，但设计较为复杂。以下介绍一种设计方法。
1)确定级联逻辑：共需要2个74LS161，设低位的74LS161编号为1，高位的74LS161编号为2，采用与图2和图3同样的同步级联方式，即外接脉冲同时接入高、低位2个74LS161的计数脉冲输入端CLK。低位74LS161的计数控制端ENP和ENT都接高电平，即ENP1=ENT1=1，使其工作于计数状态。因为要采用十进制数方式显示，则低位74LS161最大输出状态1SN-1=1S9=Q1DQ1CQ1BQ1A=1001，此时其进位输出RCO1=0，不能用于控制高位74LS161进行计数。高位74LS161的计数控制端ENP和ENT可由低位最大状态的非完成译码控制，即ENP2=ENT2=Q1DQ1A。设初态为全零状态，每来一个时钟，低位74LS161记一次数，状态代码加1，第9个时钟到来后，高位74LS161计数控制端有效，第10个时钟到来，低位74LS161清零的同时，高位74LS161记一次数。
2)低位74LS161的归零逻辑：用同步置数控制端完成清零，则4个并行数据输入端都接低电平，即D1C1B1A1=0000；又1SN-1=1S9=(1001)8421BCD，。
3)整体归零逻辑：设计三十六进制计数器，设初始计数状态显示为00，则最大状态显示为35，可用两个74LS161的异步清零控制端完成整体清零。整体最大状态SN=S36=(00110110)8421BCD，。
4)在仿真平台Multisim中选择2个74LS161，74LS00、74LS04、74LS20各1个，2个5 V电源和地，根据归零逻辑创建仿真电路；
5)时钟电压源V1接入计数脉冲输入端CLK，用带译码的十六进制数码管U6和U7作状态输出的显示器，完整的三十六进制计数器仿真电路如图4所示。

运行仿真电路，在时钟控制下，数码管U7和U6以2位十进制数方式循环显示00，01，02，…35，00，…，共36种输出状态，显示结果与图3电路显示相同。因此，图4电路用74LS161实现了以十进制数方式显示的三十六进制加法计数功能。

3 结束语
计数器具有计数、分频、定时等功能特点，广泛应用于数字测量、控制等数字系统，掌握N进制计数器的设计方法有着理论和实践意义。文中以集成计数器74LS161和74LS160为基础，采用归零法，多方式地实例设计了36进制计数器，设计原理清晰，逻辑严谨；电路简单，易于实现。应用Multisim 10进行电子电路设计和仿真，可用大量丰富的元器件库和实用的虚拟仪器，操作简单，搭建电路方便、快捷，并且修改电路方便．是现代电子设计的有效方法。基于集成计数器的N进制计数器设计方法有推广价值，用非十进制集成计数器设计以十进制数方式显示的N进制计数器有创新性。