数字电路实验 十进制计数与显示电路的设计与仿真 小白发布文档格式.docx
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2．本课程设计课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）：
1、具有10进制计数功能；
2、设置外部操作开关，控制计数器的直接清零、启动、和暂停/连续功能；
3、计时器为10进制加法计数，计时间隔为1秒；
4、并用相关仿真软件对电路进行仿真。
1.计数器
计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件。
它不仅能记录输入时钟脉冲的个数，还可以实现分频,定时，产生节拍脉冲和脉冲序列等。
例如，计算机中的时序发生器，分频器，指令计数器等都要使用计数器。
计数器的种类很多。
按时序脉冲输入方式的不同，可分为同步计数器和异步计数器；
按进位体制不同可以分为二进制计数器和非二进制计数器；
按计数器的数字增减趋势的不同，可分为加法计数器，减法计数器和可逆计数器。
同步计数器是指计数器内所有的触发器共同使用同一个输入的时钟脉冲信号，在同一个时刻翻转，有计数速度快的特点。
异步计数器是指计数器内各触发器的输入时钟信号的来源不同，各电路的翻转时刻也不一样，因此计数速度较慢
在非二进制计数器中，最常用的是十进制计数器，其他进制计数器习惯上称为任意进制计数器。
非二进制计数器也有异步和同步，加减和可逆计数器的各种类型。
2.集成计数器
集成计数器在一些简单小型数字系统中仍被广泛有用，因为他们具有体积小，功耗低，功能灵活等优点。
集成计数器的类型很多，表1列举了若干集成计数器产品。
表1几种集成计数器
CP脉冲
引入方式
型号
计数模式
清零方式
预置数方式
同步
74161
4位二进制加法
异步（低电平）
74HC161
74HCT161
74LS191
单时钟4位二进制可逆
无
异步
74LS193
双时钟4位二进制可逆
异步（高电平）
74160
十进制加法
74LS190
单时钟十进制可逆
异步
74LS293
双时钟4位二进制加法
74LS290
二-五-十进制加法
3常用计数器
74161的功能
74161是4位二进制同步加计数器。
图（a）、（b）分别是它的逻辑电路图和引脚图，其中RD是异步清零端，LD是预置数控制端,D0、D1、D2、D3是预置数据输入端,EP和ET是计数使能端，C=ET•Q0•Q1•Q2•Q3是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
表2是74161的功能表。
由表可知，74161具有以下功能：
1.异步清零
当RD=0时，不管其他输入端的状态如何（包括时钟信号CP）,计数器输出将被直接置零，称为异步清零。
2.同步并行预置数
在RD=1的条件下，当LD=0、且有时钟脉冲CP的上升沿作用时,D0、D1、D2、D3输入端的数据将分别被Q0～Q3所接收。
由于这个置数操作要与CP上升沿同步，且D0～D3的数据同时置入计数器，所以称为同步并行置数。
3.保持
在RD=LD=1的条件下,当ET•EP=0,即两个计数使能端中有0时,不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。
需要说明的是，当EP=0,ET=1时，进位输出C也保持不变；
而当ET=0时，不管EP状态如何，进位输出C=0。
4.计数
当RD=LD=EP=ET=1时,74161处于计数状态,其状态表如表3。
表274161的功能表
清零
预置
使能
时钟
预置数据输入
输出
RD
LD
EP
ET
CP
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
L
×
H
↑
保持
计数
表3
十进制加法计数器状态表计数脉冲数
二进制数
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
74LS290的功能
74LS290是异步十进制计数器。
其逻辑电路图和引脚图如下图（a）、（b）所示，它由1个1位二进制计数器和1个异步五进制计数器组成。
如果计数脉冲由CP0端引入,输出由Q0端引出，即得二进制计数器；
如果计数脉冲由CP1端输入，输出由Q1～Q3引出，即得五进制计数器；
如果将Q0与CP1相连，计数脉冲由CP0输入，输出由Q0～Q3引出，即得8421码十进制计数器。
因此，又称此电路为二－五－十进制计数器。
表4是74LS290的功能表。
（a）
（b）
由下表可以看出,当复位输出R0
（1）=R0
（2）=1，且置位输入R9
（1）＝R9
（2）＝0时，74LS290的输出被直接置零；
只要置位输入R0
（1）=R0
（2）＝1,则74LS290的输出被直接置9,,即QDQCQBQA＝1001；
只有同时满足R0
（1）=R0
（2）＝0和R9
（1）＝R9
（2）＝0时，才能在计数脉冲（下降沿）作用下实现二－五－十进制加计数。
表474LS290的功能表
复位输入
置位输入
R0
（1）
R0
（2）
R9
（1）
R9
（2）
↓
显示与译码
计数器输出端的状态反映了计数脉冲的多少，通过译码器和显示器把计数器的输出显示为相应的数。
二---十进制译码器用于将二---十进制代码译成十进制数字，去驱动十进制的数字显示器件，显示0～9十个数字。
数码管是一种常用的数字显示器件。
LED发光二极管也用作计数器状态显示，但读取状态时不如数码管直观。
计数、译码、显示接口图
VHDL计数器
运用EDA技术，用vhdl语言也可以设计出十进制计数器，
原理图如下：
主要程序如下：
LED显示程序
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitytledis
port（din:
instd_logic_vector（7downto0）;
sn:
outstd_logic_vector（2downto0）;
clk:
instd_logic;
LED7:
outstd_logic_vector（6downto0））;
endtled;
architecturebehvoftledis
signalhe:
std_logic_vector（3downto0）;
signalds:
std_logic_vector（2downto0）;
begin
process（din）
begin
when"
0000"
=>
LED7<
="
0111111"
;
--"
0"
/39h
0001"
0000110"
1"
/06h
0010"
1011011"
2"
/5Bh
0011"
1001111"
3"
/4Fh
0100"
1100110"
4"
/66h
0101"
1101101"
5"
/6Dh
0110"
1111101"
6"
/7Dh
0111"
0000111"
7"
/07h
1000"
1111111"
8"
/7Fh
1001"
1101111"
9"
/6Fh
1010"
1110111"
A"
/77h
1011"
1111100"
b"
/7Ch
1100"
0111001"
C"
1101"
1011110"
d"
/5Eh
1110"
1111001"
E"
/79h
1111"
1110001"
F"
/71h
whenothers=>
0000000"
不显示示"
endcase;
sn<
=ds;
位选信号"
endprocess;
endbehv;
十进制计数器程序
ENTITYcntAis
port（CLK,RST,EN:
instd_logic;
Dout:
outstd_logic_VECTOR（3Downto0）;
Cy:
outstd_logic）;
endcntA;
architectureCmofcntAis
begin
Process（CLK,RST,EN）
VariableCqi:
std_logic_VECTOR（3Downto0）;
Begin
IfRST='
1'
ThenCqi:
=（Others=>
'
0'
）;
ElsifCLK'
EventandCLK='
then
IfEN='
IfCqi<
"
thenCqi:
=Cqi;
elseCqi:
=（others=>
endIf;
IFCqi="
ThenCy<
='
;
Dout<
="
elseCy<
='
=Cqi;
ENDProcess;
EndCm;
1.使用7490集成计数器，接上外围译码显示电路，组成一个可显示的十进制计数器，译码显示采用7447芯片和LED显示。
参照第二段设计原理，在ElectronicsWorkbench环境下了仿真电路图。
电路连接图如下图：
2.使用同步加法计数器74160，连接外围的译码显示电路，亦可组成十进制显示计数器，显示译码采用7447译码芯片和LED显示。
同1方案一样，在EWB下的电路图如下：
3.仿真软件的选择
EWB是一种电子电路计算机仿真软件，它被称为电子设计工作平台或虚拟电子实验室，英文全称为ElectronicsWorkbench。
EWB是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于1988年开发的，自发布以来，已经有35个国家、10种语言的人在使用。
EWB以SPICE3F5为软件核心，增强了其在数字及模拟混合信号方面的仿真功能。
SPICE3F5是SPICE的最新版本，SPICE自1972年使用以来，已经成为模拟集成电路设计的标准软件。
EWB建立在SPICE基础上，它具有以下突出的特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
仿真分析：
若以74160为计数器
则当CLR，LOAD，EP，ET均接高电平时，时钟CP端每来一个上升沿，计数器在原来的基数上加1，并从QA，QB，QC，QD，输出相应的十进制BCD码，7447为四线-七段译码器，可以用来驱动七段共阳极数码管，当LT，RBI，BI，端接高电平时，从DCBA端输入BCD码时，从abcdefg端输出相应的数码管显示码。
电路连接后，按下仿真开关，可以看到数码管数字从0-9跳动，仿真成功。
若以74290作为计数器
由74LS290的功能表（表4）可以看出，当复位输入R01=R02=1,且置位输入R91*R92=0时，74LS290的输入被直接置零；
只要置位输入R91=R92=1,则74LS290的输出将被直接置9，即QdQcQbQa=1001;
只有同时满足R01*R02=0和R91*R92=0时，才能在计数器脉冲作用下实现十进制计数。
体会：
首先关于EWB软件的使用，相对其它EDA软件而言，它是个较小巧的软件，功能也比较单一，就是进行模拟电路和数字电路的混合仿真，但你绝对不可小瞧它，它的仿真功能十分强大，可以几乎100％地仿真出真实电路的结果，有这样的软件，做成这样一个计数器，仿真可以达到很高的真实度，EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
挑选好使用的芯片后，按照电路图接好后仿真。
我们的主要精力花费在寻找芯片作为计数器。
计数器作为数字电路课程里的内容，在两年后重新去做这方面的课程设计，的确很多东西已经忘记，当然通过这次课程设计也让我们复习了以前的知识，至少对数电的计数器又有了印象，相信在以后的学习和工作中一定会有用的。
同时我们也达到了应用软件课程设计的要求，可以很好的使用一种软件。
五．致谢
两周的时间去准备一个课程设计，从拿到题目到设计成型，期间有许多困难和疑惑，在张斌老师的悉心指导和队友的合作下，最后顺利的完成设计。
感谢张斌老师的指导。
六.参考资料
主要参考文献：
1、《PROTEL99电路设计指南》王彦平清华大学出版社2000第1版
2、《数字电子技术基础》阎石高等教育出版社2001
3、《电子电路基础》童诗白高等教育出版社1995第2版
4、《电子技术课程设计指导》高等教育出版社 彭介华 2002
5、《电子电路计算机仿真技术》周常森山东科技出版社2001第一版
6、《电子电路EDA技术》赵世强西安电子科技大学出版社2001第一版
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