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1、课题二：两位计数器电路设计（选做）一 设计目的本文通过对两位计数器电路的分析、仿真，阐述了计数器电路的 一些设计方法，并论证了计数器电路的实现原理及过程。文中还使用 了 Hspice 电路设计仿真软件，这样能让读者更直观的了解计数器电 路的工作原理及组成结构。对数字电子技术课程中计数器有新的认识 对 Hspice 软件使用进一步的掌握。二 设计原理计数是一种最简单基本的运算，计数器就是实现这种运算的逻辑 电路，计数器在数字系统中主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测 量、计数和控制的功能，同时兼有分频功能，计数器是由基本的计数 单元和一些控制门所组成，计数单元则由一系列具有存储信息功能的 各类触
2、发器构成，这些触发器有RS触发器、T触发器、D触发器及 JK 触发器等。计数器在数字系统中应用广泛，如在电子计算机的控 制器中对指令地址进行计数，以便顺序取出下一条指令，在运算器中 作乘法、除法运算时记下加法、减法次数，又如在数字仪器中对脉冲 的计数等等。计数器的种类很多，按时钟脉冲输入方式的不同，可分为同步计 数器和异步计数器；按进位体制的不同，可分为二进制计数器和非二 进制计数器；按计数过程中数字增减趋势的不同，可分为加计数器、 减计数器和可逆计数器。二进制异步减计数器（1）n位二进制异步计数器由n个处于计数工作状态（对于D触发 器，使Di二Qin；对于JK触发器，使Ji=Ki=1）的触发
3、器组成。各触 发器之间的连接方式由加、减计数方式及触发器的触发方式决定。对 于加计数器，若用上升沿触发的触发器组成，则应将低位触发器的 Q 端与相邻高一位触发器的时钟脉冲输入端相连（即进位信号应从触发 器的 Q 端引出）；若用下降沿触发的触发器组成，则应将低位触发器 的 Q 端与相邻高一位触发器的时钟脉冲输入端连接。对于减计数器， 各触发器的连接方式则相反。（2）在二进制异步计数器中，高位触发器的状态翻转必须在低一 位触发器产生进位信号（加计数）或借位信号（减计数）之后才能实 现。故又称这种类型的计数器为串行计数器。也正因为如此，异步计 数器的工作速度较低。二进制同步计数器为了提髙计数速度，可
4、采用同步计数器，其特点是，计数脉冲同 时接于各位触发器的时钟脉冲输入端，当计数脉冲到来时，各触发器 同时被触发，应该翻转的触发器是同时翻转的，没有各级延迟时间的 积累问题。同步计数器也可称为并行计数器。二进制同步加计数器各位触发器的时钟脉冲输入端接同一计数脉冲CP，各触发器的 驱动方程分别为 J0=K0=1、J1=K1=Q0、J2=K2=Q0Q1、J3=K3=Q0Q1Q2 。在同步计数器中，由于计数脉冲 CP 同时作用于各个触发器，所有触发器的翻转是同时进行的，都比计数脉冲CP的作用时间滞 后一个t pd，因此其工作速度一般要比异步计数器髙。应当指出的是，同步计数器的电路结构较异步计数器复杂，
5、需要 增加一些输入控制电路，因而其工作速度也要受这些控制电路的传输 延迟时间的限制。二进制同步可逆计数器实际应用中，有时要求一个计数器即能作加计数又能作减计数。 同时兼有加和减两种计数功能的计数器称为可逆计数器。四位二进制同步可逆计数器是在前面介绍的四位二进制同步加 和减计数器的基础上，增加一控制电路构成的。当加/减控制信号X=1时，FF1FF3中的各J、K端分别与低位 各触发器的Q端接通，进行加计数；当X=0时，各J、K端分别与低 位各触发器的Q端接通，进行减计数，实现了可逆计数器的功能。本次设计是两位计数器实验原理图如下图所示：两位二进制同步加法计数器电路由2个上升沿触发的D触发器组成，具
6、有以下特点:每个D触发器输入端接该触发器Q端信号，因而Q n+l=Q n,即各D触发器均处于计数状态;计数脉冲加到最低 位触发器的C端，每个触发器的Q端信号接到相邻髙位的C端。假设各触发器均处于0态，根据电路结构特点以及D触发器工作 特性，不难得到其状态图和时序图。状态图如下所示：十进制数QCQ,计数N02000101121023113400进位由状态图可以清楚地看到，从初始状态00开始，每输入一个计 数脉冲，计数器的状态按二进制递增（加1），输入第4个计数脉冲 后，计数器又回到00状态。因此它是四位二进制加法计数器，也称 模八（M=8）加法计数器。三 设计步骤本次设计原理图有两个D触发器、一
7、个异或门、一个非门、一个与非门之间相互连接组成的两位二进制加法计数器。1、子电路设计D触发器：网表文件：.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 20NV1 1 0 5VdcM9 5 2 7 7 NCH L=1U W=80UM1 1 1 3 3 NCH L=1U W=20UM10 7 8 0 0 NCH L=1U W=80UM2 1 1 4 4 NCH L=1U W=20UM3 1 1 5 5 NCH L=1U W=20UM4 3 2 0 0 NCH L=1U W=80UM5 4 3 6 6 NCH L=1U W=80UV2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1
8、N 1N 5N 20NV3 8 0 5VdcM6 6 8 0 0 NCH L=1U W=80UM7 4 5 0 0 NCH L=1U W=80UM8 5 4 0 0 NCH L=1U W=80UC1 4 0 .75PC2 5 0 .75P.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理图如下所示：J-UbreakND如.ii：vH.ikxuMi劭Q .il v話I异或门：网表文件：XOR Circuit.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 20NM1 1 1 4 4 NCH L=1U W=20UV2 2 0 PULSE .2 4.8 0N 1N 1N 5
9、N 20NM2 1 1 5 5 NCH L=1U W=20UV3 3 0 PULSE .2 4.8 0N 1N 1N 5N 20NM3 1 1 6 6 NCH L=1U W=20UM4 4 2 0 0 NCH L=1U W=20UM5 5 3 0 0 NCH L=1U W=20UM6 8 2 0 0 NCH L=1U W=20UM7 6 3 8 8 NCH L=1U W=20UM8 7 4 0 0 NCH L=1U W=20UM9 6 5 7 7 NCH L=1U W=20UV1 1 0 5Vdc.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理图如下所示：-0仿真波形如下图：非门：网
10、表文件：NOT Circuit.OPTIONS LIST NODE POST .TRAN 200P 20NM1 3 2 1 1 PCH L=1U W=20UM2 3 2 0 0 NCH L=1U W=20UV1 1 0 5V2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 5N 20N.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理图如下所示：仿真波形如下所示：与非门：网表文件：mos nand.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 200NM1 4 2 5 5 NCH L=1U W=40UM2 5 3
11、0 0 NCH L=1U W=40UM3 4 2 1 1 PCH L=1U W=40UV2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 20N 50NM4 4 3 1 1 PCH L=1U W=40UV3 3 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 20N 50N.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1 .END原理图如下所示：仿真波形如下所示：1；+. A I：也心 El|+PW Cdhi*bl.LK gLl； (Jdp# I片因Si 劇护I峠I刽划彎I刑厂 L2、写两位计数器网表文件运用Hspice软件子程序调用语句来实现
12、两位二进制计数器。网表文件如下：CN2B.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 200N.global V1.SUBCKT KXOR 2 3 5V1 1 0 5VDCM1 1 1 4 4 NCH L=1U W=20UM2 1 1 5 5 NCH L=1U W=20UM3 1 1 6 6 NCH L=1U W=20UM4 4 2 0 0 NCH L=1U W=20UM5 5 3 0 0 NCH L=1U W=20UM6 8 2 0 0 NCH L=1U W=20UM7 6 3 8 8 NCH L=1U W=20UM8 7 4 0 0 NCH L=1U W=20UM9
13、6 5 7 7 NCH L=1U W=20U.ENDS KXOR.SUBCKT KNOT 5 6V1 1 0 5VDCM1 3 2 1 1 PCH L=1U W=20UM2 3 2 0 0 NCH L=1U W=20U.ENDS KNOTV1 1 0 5VDCM1 4 2 5 5 NCH L=1U W=20UM2 5 3 0 0 NCH L=1U W=20UM3 4 2 1 1 PCH L=1U W=20UM4 4 3 1 1 PCH L=1U W=20U.ENDS KNAND2.SUBCKT KDFF 6 1 7V1 1 0 5VDCM9 5 2 7 7 NCH L=1U W=80UM1 1
14、 1 3 3 NCH L=1U W=20UM10 7 8 0 0 NCH L=1U W=80UM2 1 1 4 4 NCH L=1U W=20UM3 1 1 5 5 NCH L=1U W=20UM4 3 2 0 0 NCH L=1U W=80UM5 4 3 6 6 NCH L=1U W=80UM6 6 8 0 0 NCH L=1U W=80UM7 4 5 0 0 NCH L=1U W=80UM8 5 4 0 0 NCH L=1U W=80U.ENDS KDFF.XXOR 2 3 5 KXOR.XNOT 5 6 KNOT.XDFF1 5 1 4 KDFF.XNAND 7 4 8 KNAND2.XNOT 8 9 KNOTV2 1 0 PULSE .2 4.8 0N 0N 0N 10N 20NC1 7 0 1PC2 4 0 1PC3 8 0 1P.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END3、打开网表文件与仿真进入Hspice软件点击
