计数器设计与仿真

春 宁

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

1 器件工作原理

1.1 74160原理

74160 同步可预置四位二进制计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能.对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作.这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰.缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器.这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平.当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致.清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平.有了超前进位电路后，无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器.它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的.两个计数使能输入（ENP和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出.因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于QA输出高电平.此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级.使能ENP和ENT输入的跳变不受时钟输入的影响.电路有全独立的时钟电路.改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响.计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定.表1为74160N的真值表.

表1 74160N的真值表

1.2 CD4511

CD4511是一片CMOSBCD—锁存/7段译码/驱动器，引脚排列如图1所示.其中A1、A2、A3、A4为BCD码输入，A1为最低位.LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障.BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时，BI端应加高电平.另外CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐.LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据.a～g是7段输出，可驱动共阴LED数码管.另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观.所谓共阴LED数码管是指7段LED的阴极是连在一起的，在应用中应接地.限流电阻要根据电源电压来选取，电源电压5V时可使用300 Ω的限流电阻.

图1 CD4511的引脚图

1.3 555定时器

555定时器是一种多功能的数字-模拟混合集成电路,利用它进行不同的组合可方便地构成施密特触发器,单稳态触发器和多谐振荡器.由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中都得到了应用.图2 为555定时器内部结构，表2为555定时器真值表.

图2 555定时器内部结构

表2 555定时器真值表

2 计数电路的设计

计数器电路由个、十、百、千位构成，图3计数器仿真电路中的计数部分是利用四片74160构成一个模10000的计数器，最大可计数范围是0-9999，低位的RCO通过连线与高位ENT相连即可实现级联.

显示译码器由显示器件和译码驱动器两部分构成的.显示器件的种类很多，本文采用的是由LED构成七段共阴数码管，共阴型数码管是将各段发光二极管的阴极连在一起接地.这里使用的译码驱动器为CD4511,七段输出是驱动各段数码管相应显示段的信号，由于驱动共阴极数码管，故其输出为高电平有效，即高电平时显示极数码管亮.经过CD4511的译码后，将CD4511的输出端与共阴数码管的相应输入端连接，可显示0000～9999.

3 用Multisim软件对电路进行调试与仿真

用555定时器构成的多谐振荡器来给计数电路提供脉冲信号，下面利用Multisim软件分别对整个电路进行调试与仿真.仿真电路及结果如图3所示.

图3 计数器仿真电路

4 结束语

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，经常要用到计数器电路，本文设计了计数器的时钟电路、计数电路和显示驱动电路，分析了555、74160和CD4511集成器件的工作原理.利用Multisim软件对整体电路进行了仿真，得出了正确的仿真结果.555作为时钟产生电路，通过电阻、电容可以方便的调节其振荡周期，要想使用精确的时钟，可通过晶振电路分频得到.

〔1〕汤山俊夫.数字电路设计与制作.科学出版社，2009.7.

〔2〕黄智伟.电子电路计算机仿真设计与分析.电子工业出版社，2009.6.

〔3〕孙余凯.传感器应用电路300例.电子工业出版社，2008.3.

〔4〕Williams S.Ir D A:Past,Present and Future[J].IEEE Personal Communications,2000,7(1):11～19.