M进制可逆计数器的设计、仿真及实验.doc

课题三 模M的十进制加/减可逆计数器设计、仿真与实验学习目标： 熟悉常用MSI集成计数器的功能和应用，掌握利用集成计数器构成任意进制计数器的一般设计方法；学会利用EDA软件（Proteus）对模M的可逆计数器电路进行仿真；掌握可逆计数器电路的安装及调试方法。一、 任务与要求设计具有手控和自动方式实现模M的十进制加/减可逆计数功能的电路，利用数码管显示计数器的值。掌握用“反馈清零法”和“反馈置数法”构成任意进制计数器的设计方法；用Proteus软件仿真；实验测试电路的逻辑功能。具体要求如下：（1）手控方式模M的十进制加/减可逆计数器。即控制端E=1时，进行模M的加法计数；控制端E=0时，进行模M的减法计数；（2）自动方式模M的十进制加/减可逆计数器。即加法计数到最大值时，自动进行减法计数；减法计数到最小值时，自动进行加法计数。（3）M可为2位数或3位数，集成计数器采用74LS192。（4）写出设计步骤，画出设计的逻辑电路图。（5）对设计的电路进行仿真、修改，使仿真结果达到设计要求。（6）安装并测试电路的逻辑功能。二、 课题分析及设计思路（1）手控方式模M的十进制加/减可逆计数器的设计思路以M=125为例，即125进制加/减可逆计数器。分析以上设计任务与要求，设计思路如下：第一步：将三片74LS192进行级联，用“反馈清零法”设计一个125进制加法计数器， 反馈清零信号取自计数器的输出端Q0 Q3 ；第二步：将三片74LS192进行级联，用“反馈置数法”设计一个125进制减法计数器，反馈置数信号取自计数器最高位的借位端TCD。第三步：将上述加、减计数器电路结合起来，即初步构成一个加/减125进制可逆计数器。 余下的问题就是在加/减可逆计数条件下，如何切换计数器最低位的计数脉冲输入端CPD、CPU的信号。经过分析，它们应实现如下功能：手控信号E计数方式CPUCPD1加法CP10减法1CP这一功能通过一片数据选择器即可实现。整个可逆计数器电路（不包括数字显示部分）的设计框图如下：输出端Q0借位端TCD反馈清零信号形成电路预置数据端D74LS192（百位）74LS192（十位）74LS192（个位）反馈置数信号形成电路 加/减计数控制电路CPDCPUCP手控信号E输出端Q1输出端Q0Q2图1 手控可逆计数器电路的设计框图（2）自动方式模M的十进制加/减可逆计数器的设计思路 仍以M=125为例进行分析和设计。设计自动方式的一种加/减可逆计数顺序如下： 加法01212312412312212减法图2 自动可逆计数顺序及范围从上述图中可以看出，当加计数到最大值124后自动进行减计数；当减计数到最小值0后自动进行加计数，如此不断循环。自动方式模M的十进制加/减可逆计数器可以在手控方式的电路基础上进行设计，需解决的关键问题是：电路如何自动产生加/减计数控制信号？通过分析和反复仿真，其中的一种设计思路如下：加/减计数控制电路CPCPU CPD加/减计数控制信号加/减计数控制信号产生电路计数器减计数到0自动产生的借位脉冲信号TCD计数器加计数到124产生的脉冲信号ME图3加/减计数控制信号自动产生电路框图加/减计数控制信号自动产生电路的原理图如下： 图4 加/减计数控制信号自动产生电路原理图对于电路的其它部分，也要相应作一些改动：取消输出端反馈清零信号（因为加计数到124后，下一计数状态不是0）和借位端反馈置数信号（因为减计数到0后，下一计数状态不是124）。将自动方式的整个电路进行仿真时，发现一个容易被忽视的问题：加计数可以正常进行，但当减计数到0时，接着下一状态为999，再为0、1、 。之所以出现不需要的计数状态999，是由于减计数到0时加/减计数控制信号还没有切换到“加计数”，因而又作了一次减计数到0的下一状态999。通过增加借位端反馈清零信号，该问题顺利解决。三、 集成电路及元件选择“加/减计数控制电路”部分采用一片数据选择器74LS157，集成计数器采用74LS192 ，“显示译码电路”部分采用74LS48或CD4511，“加/减计数控制信号自动产生电路”部分采用集成D触发器74LS74和集成门电路74LS11、74LS32、74LS04等。此外，LED数码管采用共阴极数码管。四、 原理图绘制与电路仿真用proteus软件绘制出该电路的原理图，对所设计的电路进行仿真实验。在仿真实验过程中，发现问题及时修改，直至达到设计要求。五、 电路安装与调试1 电路布局 在多孔电路实验板上装配电路时，首先应熟悉其结构。明确哪些孔眼是连通的，并安排好电源正、负引出线在实验板上的位置。电路布局时应安排好各个集成块的位置，以方便连线为原则。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合理，便于操作。 2安装与调试方法电路安装前，要先检测所用集成电路及其它元器件的好坏。安装完成后，要用万用表检测电路接触是否可靠、电源电压大小、极性是否正确。一切正常后才能通电调试。调试过程中，最好分步或分块进行。首先调试手控方式模M的十进制加/减可逆计数器电路，在该电路的调试过程中，可能会出现下面两个问题：（1）借位TCD反馈置数不正常：显示的数比预置端的数始终少1。解决办法：将TCD信号通过两个反相器延时后送入计数器的置数端。（2）输出端反馈清零不正常：计数到123后下一状态为0（正常时应为124）。解决办法：将形成反馈清零信号的4输入与门更换为两个4输入与非门。然后将上述手控方式的可逆计数器电路改为自动方式的可逆计数器电路。在该电路的调试过程中，第一步调试“加/减计数控制信号自动产生电路”，使其工作正常；第二步进行整体调试。六、 设计、仿真及实验问题研究1 分别说明集成计数器74LS192正常计数、置数和清零的条件？并举例说明同步清零（置数）与异步清零（置数）有什么不同？2 对于手控方式模M的十进制加/减可逆计数器电路，如果改变M的值，在电路中要作哪些改动？3 对于自动方式模M的十进制加/减可逆计数器电路，通电开始工作时，首先作加法计数还是减法计数？为什么？4 对于自动方式模M的十进制加/减可逆计数器电路，如果改变M的值，在电路中要作哪些改动？5 对于自动方式模M的十进制加/减可逆计数器电路，怎样使计数从任意值开始？七、 设计与测试报告要求课题完成后应认真撰写设计与测试报告（格式见附录），其主要内容如下：1 课题的任务及要求。2 课题分析与方案选择。对课题认真分析，正确理解，明确设计思路。通过各种可实现的电路原理、特点分析，方案类比，选择最佳实现电路。3 集成电路及元器件选择。对设计中选定的集成电路及元器件，给出它们的引脚图、功能表或真值表或主要参数值。4 原理图绘制及仿真。用Proteus软