基于Multisim加法计数器的仿真-毕业论文(设计).doc

本科毕业论文（设计）（题目：基于Multisim加法计数器的仿真）姓 名： 学 号： 专 业： 通信工程 院 系： 电子通信工程学院 指导老师： 职称学位： 完成时间： 2013年5月 教务处制安徽新华学院本科毕业论文（设计）独创承诺书本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。毕业论文（设计）作者签名： 日期： 安徽新华学院2013届本科毕业论文（设计）基于Multisim加法计数器的仿真摘 要计数器是数字系统中最基本的要素，本课题研究了任意进制计数器的设计方法，并利用Multisim进行软件仿真。本文详细介绍了集成计数器芯片74LS161的原理和结构以及Multisim软件的使用方法。通过对集成芯片的级联以及附加门电路的连接，以实现任意进制的计数器。这里我们采用的是两片4位二进制加法计数器74LS161芯片进行级联，通过置数法来实现256以内的任意进制的计数器。并用Multisim软件对设计的计数器进行仿真，观察结果正确，从而得出整个设计是正确的。关键词：计数器；Multisim；级连法；置数法Simulation of the addition counter based on MultisimAbstractThe counter is the most basic elements of a digital system.This article introduces the design method of arbitrary hexadecimal counter and how to realize the simulation with Multisim software.This article introduces the principle and structure of integrated chip counter 74LS161,as well as the use-method of Multisim software.With the cascade connection of integrated chips and the connection of gate circuits,the arbitrary hexadecimal counter comes true.Here we make two chips of the four bit binary adder counter 74LS161 cascade and then achieve the counter of the arbitrary hexadecimal which is less than 256 by setting the number of law.We also use the Multisim software to simulate the counter,and if the result of observation is correct,so that the whole design is correct.Keyword：Counter; Multisim; Cascade method; Set the number of lawII目 录1 绪 论12 计数器22.1 计数器简介22.2 计数器的分类22.3 计数器集成芯片23 Multisim的简介53.1使用简介53.2 Multisim对元器件的管理64 设计思路和方法74.1 N>M时的设计方法74.1.1 复位法74.1.2 预置数法84.2 N<M的设计方法94.2.1 M不是素数94.2.2 M是素数105 设计与仿真125.1 模256以内任意进制的计数器设计125.1.1 预置数的设计125.1.2 芯片级联125.1.3 连接七段显示管135.1.4 逻辑分析仪的连接145.2 总电路图155.3 电路的仿真165.3.1 模256的仿真165.3.2 模232的仿真186 总 结20致 谢21参考文献221 绪 论 计数器是一种最常用的时序电路。它不仅记录输入时钟脉冲的个数，还可以实现调幅、分频、定时和产生节拍脉冲序列等，有着广泛的应用。从小型到大型数字计算机的数字仪表，几乎是不可缺少的一部分。 通过仿真软件对电路的设计，可以大大提高电路设计的效率。在强大的集成电子技术、计算机技术中，电子技术应用水平几乎呈现指数形式发展。因此电子设计工程师对设计方法也提出了新的要求。传统的设计方法设计周期长，费力。甚至有时设计方案中所使用的元器件因库存设备资源和其他约束的限制，不得不将该设计方案推翻重新设计。从而严重推迟新产品上市的时间，使利润远远低于同类产品。 EDA软体开发通讯公司适时推出各种EDA软件，将开发电子产品的设计和现代计算机技术的有效整合，通过计算机对电子产品进行设计。使工程师可以省去复杂的计算过程，将更多的精力和时间放在方案的提出和最终功能的验证。这样大大提高了产品的设计效率和缩短上市时间。在这样的EDA软件中，加拿大公司IIT推出的 Multisim是最突出的。 Multisim是一个完整的虚拟电子实验室软件。在其内部有各种高精度的元器件，在使用Multisim对电子电路的分析和验证与真实实验室环境试验结果完全相同，并具有不消耗资源和调试安全等诸多优点。特别是对数字电路的分析和验证是特别有效的。因此，得到广大电路设计爱好者的喜爱。2 计数器2.1 计数器简介计数器指的是一些普通定时器。狭义上指的是一些常见的定时计数器，如体育游戏中测试时间定时器。下面介绍的是更为广泛的时序逻辑电路中的计数器。计数是一个最简单的加法运算，计数器是实现这种运算的逻辑电路。在数字系统中的计数器是记忆脉冲的个数。具有分频、调幅和调相功能。还可以实现测量、计算和控制功能。计数器是由基本的计数单元和一些控制门所组成。计数单元是由一系列具有信息存储功能的各种类型的触发器组成。这类触发有：JK触发器、RS触发器、T触发器、D触发器等。计数器广泛应用于数字系统。如计算机控制器的指令数的地址，以便按顺序取读下一条指令。运算器中作乘法、除法运算时记下加法、减法的次数。又如在数字仪器中对脉冲的计数等等。它主要的指标在于计数器的位数，常见的有3位和4位的计数器。2.2 计数器的分类计数器有许多种类：(1) 根据触发是否同步分为：同步计数器和异步计数器；(2) 根据不同的进制分为：二进制计数器，十进制计数器和任意进制计数器；(3) 根据运算趋势分为：加法，减法和可逆计数器。2.3 计数器集成芯片目前，计数器一般只有十进制和二进制集成电路芯片。集成计数器的二进制计数器具有明显的优势，它具有简化电路，降低线路，提高了电路的可靠性。对集成电路芯片进行不同的连接可以构成任意进制的计数器，主要方法有复位法、置数法等。加法计数器74LS161(如图2.1所示)是应用非常广泛的异步二进制模十六计数器。图2.1 74LS161集成芯片该芯片的功能为下表所示表2-1 74LS161功能表清零预置数使能ENP ENT时钟CLK预置数输入A B C D输出QA QB QC QD01111X0111X XX X0 XX 01 1XXXX X X Xd0 d1 d3 d4X X X XX X X XX X X X0 0 0 0d0 d1 d2 d3保持，CO=0保 持计 数具有异步清零，同步置数的功能，为清零端，为置数端，CLK为时钟脉冲输入端，在上升沿触发。其功能如下：(1) 异步清零功能 当=0时，不管输入如何，输出为0。(2) 同步置数功能 当=0，=1时，在下一个上升沿来时，输入的数值送到输出端。(3) 保持功能 当=1，=1时，ENT，ENP任意一个为1时，计数器不工作，输出保持原状态不变。(4) 计数功能 正常计数时， =1，=1，ENP=1，ENT=1时，在脉冲上升沿的作用下，计数器对脉冲个数进行加法计数。3 Multisim的简介Multisim是电子电路仿真软件工具的EDA工具，在Windows环境下， Multisim软件是一个完整的集成设计环境，图创作，分析，电路测试结果显示图标，集成到同一个电路窗口。操作界面就是软件设计平台，与实际操作中几乎是相同的。在构建实际电路之前，利用Multisim软件对电路进行虚拟的测试。该软件以现代实验能力的方法和手段，使实验内容更加完整，效率提高，可以节省大量的实验资源。Multisim的推出，在加拿大IIT公司的电路设计与仿真软件的基础上，使其有更高的性能，可以对电路进行模拟和分析。3.1使用简介Multisim包括了图形的输入，电路图语言输入方式，具有丰富的仿真和分析能力。为了适应不同的环境，Multisim有许多版本，用户可以根据自己的需要进行选择。本设计使用到的Multisim功能主要有如图3.1所示图3.1 Multisim的主界面(1) 区域1是对元器件的选取，其中包括放置信号源、放置基础原件、放置二极管和放置晶体管晶体管逻辑(TTL)等。(2) 区域2是仿真按钮(3) 区域3是工作区，电路的连接就是在这个区域内完成的。3.2 Multisim对元器件的管理EDA可以提供的组件以及对模型精度零部件的数量直接决定了软件的的质量和易于使用性。Multisim软件为用户提供了一套丰富的元器件和管理组件，以一个开放的形式，允许用户自己添加必要的部件。如图3.2所示图3.2 Multisim对元器件的管理4 设计思路和方法 一般我们常用到的小规模集成电路芯片有十进制74LS160和十六进制74LS161以及十进制74190可逆计数器等。这样芯片的数量和连接方法就有所不同。需要设计的是M进制的计数器，已经拥有的计数器是N进制的，下面来讨论M不等于N的情况。4.1 N>M时的设计方法此时只需要一片N进制计数器作适当连接以及附加一些门电路就可以实现。4.1.1 复位法复位法也叫清零法，仅适用于有置零功能的计数器。按执行复位操作是否需要时钟脉冲又可以分为同步复位法和异步复位法，大多数集成计数器采用异步复位的方式。(1) 异步清零如图4.1所示，计数器从So状态开始计数到Sm状态时产生一个清零信号，送到计数器的置零输入端，当下一个脉冲有效沿来到时，计数器立刻返回So状态，开始下一轮的计数循环。由于Sm状态是一个过渡状态，只存在极短的时间，所以计数循环中稳定的状态只有So-Sm-1共M的状态，从而构成M进制计数器。S0S1S2S3Sn-1Sn-2Sn-3Sm+1SmSm-1 图4.1 异步清零(2) 同步清零如图4.2所示， 同步清零方式需要时钟脉冲的到来才能执行清零操作，没有过渡状态，所以应该以Sm-1状态产生清零信号。在计数循环中包括状态Sm-1共M个稳定状态，构成M进制计数器。StSt+1St+2Sn-1SnSn-1Sn-2Sn-3S0图4.2 同步清零4.1.2 预置数法该方法适用于有预置数功能的计数器，如图4.3所示。预置数也可分为同步方式和异步方式。同步方式需要时钟脉冲信号和预置数信号同时作用才能执行预置数操作；而异步方式则不需要时钟信号的同步，只要预置数信号到达就立即执行。在具有同步置数功能的计数器中，使用一个稳定状态来产生置数信号，当该状态出现时，计数器在下一个有效时钟沿来到时会直接跳转到预置数状态，如图4.3所示是由十进制计数器76LS160构成的七进制计数器，将计数器输出端QB和QC接在与非门7400D的两个输入端上，将7400D的输出端接在计数器同步置数端上，当S6=QDQCQBQA=0110，LOAD=0，在有效时钟脉冲来时，由于DCBA=0000，电路被置成预置数0000状态，电路周期中有7个稳定状态，所以为7进制加法计数器。图4.3 七进制计数器4.2 N<M的设计方法一片74LS160构成的计数器是最大进制是十进制，如果要构成更大进制的计数器，则需要用多片级联来实现。计数器的级联方式有两种：(1) 同步级联：外部计数脉冲同时送到各个级联芯片，使各级芯片同步工作，用低位芯片的进位来控制高位芯片的使能控制端。(2) 异步级联：用前一级的进位输出作为下一级芯片的时钟脉冲输入信号。4.2.1 M不是素数即M可分为M和1外其他数相乘的形式。M=NL（L=2、3、4）这时只要将L片N进制计数器直接级联即可。级联有串行进位和并行进位两种方式，并行方式要简单些，也更加容易理解，工作速度快。一般选用这种方法。例如设计256进制的计数器，256=162，可以用两片十六进制计数器74LS161级联来实现，设计一个60进制的计数器，60=6*10=5*12=4*15等，分为6*10最为简单，现有的10进制计数器74LS160可以直接使用。各片之间的级联必需保证低位片要有进位信号送入高位片。如果有低位片没有进位信号输出，即使连接了进位端也不能实现级联，所以建议采用进位信号预置数发以保证每个芯片都有进位信号输出。4.2.2 M是素数即M除了1和M不能分解为其他数相乘。这时就只能采用整体预置数或整体复位法。方法如下首先将L片计数器级联成NL进制的计数器，使NL>M，然后使用复位法或预置数法跳过NL-M个状态即可，只是这时复位或预置数是对各片电路同时进行操作的，必需注意的是，最好使用同种型号的计数芯片进行级联，如果使用的不是同一型号的，必需保证它们的预置数或复位方式要一致。(1) 整体复位法： 先将两片74LS161按并行进位方式级连成256进制，因为74LS161的复位方式为异步复位，采用复位法设置计数循环应为00000000-10100010，应以101000011状态译码作为清零信号，同时加在两片74LS161复位端，并将两片的预置数端都接无效电平即可。So-Sm-1循环正好组成M进制，由于异步复位方式要有一个过渡状态，所以以Sm译码作为复位信号。如果计数器本身是同步方式复位的（如74LS163），则应以Sm-1译码作为复位信号，没有过渡状态。用整体复位法将2片16进制变数器并进行位级联构成60进制的计数器。这里分析以两片16进制计数器构成M=60进制计数器的实验电路为例，采用仿真软件Multisim进行分析。(2) 整体置数法： 同样先接成256进制，这时预置数可有256种选择，构成256内任意进制计数器。比如选择计数循环为S3-S255由于74LS161采用同步预置数方式，则应以11111111(状态S255)译码作为预置数信号，预置的数为00000011（状态S3），这样就构成模253计数器。如图4.4所示，开关1和2闭合。图4.4 模253电路图 5 设计与仿真5.1 模256以内任意进制的计数器设计5.1.1 预置数的设计74LS161芯片的ABCD四个输入是预置数的初始值，当连接+5V电压时表示连接1，当悬空时表示连接0，这里我们用四个开关控制初始值的输入如图5.1所示图5.1 预置数的设计5.1.2 芯片级联74LS161芯片的ENP、ENT是使能端当其都为1时，芯片才工作。RCO是进位输出端，当输出到达1111时RCO输出1。所以将低位芯片的RCO连接到高位芯片的ENP、ENT，这样每当低位芯片工作一个周期时高位芯片才计数为1。 256以内的任意进制需要两片161进行级联如图5.2所示图5.2 芯片级联5.1.3 连接七段显示管(1) 二进制显示连接法如图5.3所示(2) 十进制显示连接法如图5.4所示图5.3 二进制显示连接法图5.4 十进制显示连接法5.1.4 逻辑分析仪的连接逻辑分析仪是对加法计数器的输出端波形进行监控，通过它可以很直观的对加法计数器的工作状态进行了解，其连接方法如图5.5所示图5.5 逻辑分析仪的连接5.2 总电路图模256内任意进制计数器设计总图如5.6所示图5.6 总电路图开关1到8控制预置数，开关闭合输入为1，开关打开输入为0，当预置数为M时模为256-M，以达到256内任意进制的计数器。当开关全部打开时，预置数为00000000，一个周期为00000000到11111111即模为256。当开关5和开关4闭合时预置数为00011000，当计数器到达11111111在下一个有效脉冲来到时直接将计数器置成00011000状态，所以有效状态为00001010到11111111即模为232。电路元件清单表5-1 电路原件清单七段数码管8个集成芯片2个开关8个信号发生器1个与非门 1个电压源 3个导线若干5.3 电路的仿真5.3.1 模256的仿真将开关1到8全部打开，预置数为00000000，循环周期为00000000到11111111此时模为256。设置时钟脉冲频率，时钟脉冲的频率设置为20HZ如图5.7所示:图5.7 设置时钟脉冲频率开始仿真如图5.8所示图中0ms时A1B1C1D1A2B2C2D2的输出为00000000，图中数码管显示为00011001与逻辑分析仪显示完全相符合。图5.8 开始仿真当计数器到达11111111时在下一个脉冲有效沿到来时计数器进行置数为00000000如图5.9所示图5.9 模256的仿真5.3.2 模232的仿真将开关4和6关闭即预置数设置为00011000如图5.10所示图5.10 模232的设置计数器刚开始工作时由于未达到置数条件所以从00000000到11111111如图5.11所示。图5.11 模232开始仿真当计数器计数达到一个周期时，由于达到置数条件11111111，在下一个脉冲有效沿到达时被置成00011000如图5.12，下一个周期从00011000到11111111即模为232。图5.12 模232的仿真6 总 结毕业论文是学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。通过这次比较完整的基于Multisim加法计数器的仿真，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，锻炼了我综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力。本设计采用了2片74LS161芯片进行级联通过置数法来实现256以内任意进制的计数器的仿真。同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平。而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。正是这一次设计让我积累了无数实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通和理解力。致 谢感谢老师对我在学术上的谆谆教诲。让我不仅学到了知识，而且学到了做人的准则和严谨的治学作风。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。正是由于老师和同学的帮助和支持，我才能克服一个又一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在此，表示衷心的感谢和崇高的敬意！21参考文献1 古良玲,杨奕电路电子基础实验中Multisim 10.0的应用技巧J实验科学与技术，2010，8(01):45-47.2 杨艳芳基于Multisim2001虚拟实验平台的电路设计与研究D.吉林：吉林大学 20083 马敬敏.集成计数器74LS161的Multisim仿真J.现代电子技术.2011,34(03):166-167+170.4 马敬敏.集成计数器74LS161的逻辑功能扩展J.现代电子技术.2011,34(07):170-171+174.5 林涛,巨永锋.任意进制计数器设计方法J.现代电子技术.2008,(15):166-167. 6 胡静.任意进制计数器的设计J.贵州工业大学学报(自然科学版).2008,37(03):94-97.7 阎石.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2006.8 励建国,宋坚波.任意进制计数器设计方法初探J.成都教育学院学报,2003,17(3):65- 66.9 古良玲,杨奕.电路电子基础实验中Multisim 10的应用技巧J.实验科学与技术，2010,8(1):45-47.10 刘浩斌.数字电路与逻辑设计M.北京:电子工业出版社,2003. 11 张亚君,陈龙,牛小燕.Multisim在数字电路与逻辑设计实验教学中的应用 J.实验技术与管理.2008(08):108-110+114.12 聂典.Multisim10计算机仿真在电子电路设计中的应用M.北京：电子工业出版社，2008-1.13 张明金.应用Multisim 9对数字电路的故障诊断J.实验室研究与探索. 2009(10): 66-68.14 李剑清.Multisim在电路实验教学中的应用J.浙江工业大学学报. 2007(05): 543-546.15 桂静宜.Multisim在数字电路综合课程设计中的应用J.黄石理工学院学报.2009(06): 64-67.24