1、第 1 页物理与电气工程学院课程设计报告简单计数器的设计制作姓 名 学 号 专 业 电气工程及其自动化指导教师 成 绩 日 期 2011.11.3 第 2 页简单计数器的设计制作张纪瑞（安阳师范学院 物理与电气工程学院, 河南 安阳 455002）摘要：为了实现计数功能，本设计采用 D 触发器、译码器、与非门、异或门等芯片以及电阻、发光二极管、开关等元件依据数字电路基本原理制作了简单的四进制计数器。通过对主要芯片功能的探讨，电路原理的分析，元器件的选择，电路的调试，最终实现了计数功能，完成了设计任务。关键词：计数器；数字电路；芯片1 引言在数字系统中使用最多的时序电路要算是计数器了。计数器不仅
2、能用于对时钟脉冲计数，还可用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算。计数器同样广泛应用于日常生活生产中。例如，香烟的装盒，方便面的装箱，都是采用计数器进行计数的。本设计就是运用基本的电路原理及元件制作的简易加/减四进制计数器。2 技术要求在外加+5V 电源与触发信号作用下实现加 /减计数，且能显示进位。3 方案论证3.1 方案一由于本设计是制作四进制计数器，因此可以用两个二进制计数器外加若干常用芯片。此方法原理最为简单，但其用到的芯片种类及数量较多，既不经济又会增加电路的风险。3.2 方案二利用单片机原理，采用编程的方法。这种方法可以简化电路结构，但考虑到自己尚未完全掌握编程技术
3、，因此放弃此种方法。3.3 方案三充分利用逻辑代数原理，采用 D 触发器和一些常用芯片。这种方法相对比较经济且对技术要求较低，因此本设计采用这种方法。4 设计原理及元件选择4.1 主要芯片功能分析本设计的中心器件是上升沿触发的集成 4D 触发器 74LS74。其逻辑图像符号如图1 所示，其特性表如表 1 所示。图 1 D 触发器逻辑图像符号第 3 页表 1 D 触发器特性表D Q Q*0 0 10 1 01 0 11 1 1工作原理：当触发信号 CLK 上升沿到达时，Q=D，并且保持不变，直至下一个上升沿到达。为了显示计数效果，本设计利用 2 线4 线译码器（74LS139）驱动发光二极管。2
4、 线4 线译码器将输入两位二进制数翻译成四种不同的状态，用四根线输出。2 线4 线的译码器框图见图 2，其功能表见表 2。图 2 译码器框图表 2 译码器功能表输 入 输 出B A Y3 Y2 Y1 Y 00 0 1 1 1 00 1 1 1 0 11 0 1 0 1 11 1 0 1 1 14.2 逻辑电路原理图分析图 3 电路结构原理图由上面电路图，可以得到：2 线4 线译码器第 4 页驱动方程： 状态方程：2121QAD 2121QA*QD输出方程：Y=(A Q1 Q2) (A Q1 Q2 ) ) =A Q1 Q2+A Q1 Q2 状态转换图如下：图 4 电路状态转换图由状态转换图可知：
5、当 A=0 时为加法计数，在时钟信号的连续作用下， Q2Q1 的数值从 00 到 11 递增；当 A=1 时为减法计数, 在时钟信号的连续作用下， Q2Q1 的数值从 11到 00 递减。4.3 电路仿真分析为了观测加/减计数的变化结果，在设计时加入了与非门，译码器，上拉电阻，发光二级管，限流电阻等若干元件。添加外围电路后的 Multisim 仿真图如下：图 5 电路仿真图图中 D 触发器的两个悬空管脚通过 1K 的上拉电阻 R1 与电源连接，以防止外界干扰；它的复位端通过开关 J2 接地用于控制复位。译码器的输入端分别连接 D 触发器的两个输出端 Q1，Q 2，输出端驱动带有 510R 的限
6、流电阻及非门的四个发光二极管。电阻 R2 与开关 J1 用来改变 A 的数值。输出端 Y 同样连接发光二级管，用于显示进位。第 5 页仿真结果显示，当开关 J1 断开时，发光二级管由下到上逐个闪烁，且在 LED1 亮的同时，进位标志二极管（LED5）变亮；当 J1 闭合时，发光二级管由下到上逐个闪烁，且在 LED4 亮的同时，进位标志二极管（LED5 ）变亮。符合设计要求。5 设计总结通过本次设计，巩固了对仿真软件 Multisim 的使用，学习并初步掌握了用 Protel 连接原理图，创建网络表，绘制 PCB 等常用操作。掌握了焊制电路板的基本流程。对数字电路也有了更深的理解。然而，在设计也
7、遇到了各种各样的问题。通过查询资料，和同学探讨，我都一一解决，现举例如下：在进行电路仿真时，未能出现结果。究其原因，一是芯片的悬空端未合理处理，二是 LED 灯没有加限流电阻，且这个电阻的值也是需要估算的。封装问题。做 PCB 时，很多元件如，电阻，端子是需要自己填写封装的，必要时还要自己根据实际做封装。电路板调试时，发现个别焊点有虚焊，连焊现象。特别是 74LS04 的两个管脚相连，而其中一个是悬空管脚；这致使其中一只 LED 灯一直亮，断开后电路正常工作。尽管最终达到预期的效果，然而整个设计还是有很大的不足。主要有发光二级管封装不合理，PCB 布线不均匀，元件放置位置不美观，焊点及跳线不够规范等。第 6 页参考文献1 阎石.数字电子技术基础（第五版）M. 北京：高等教育出版社，2006. 2 吉雷.Protel 99 从入门到精通M. 西安：西安电子科技大学出版社，2000.3 谢自美.电子线路设计实验测试（第三版）M. 武汉：华中科技大学出版社，2006.第 7 页附录 1 Protel 原理图附录 2 PCB 图第 8 页附录 3 元器件表元件 参数 个数电阻 1K 2电阻 510R 5发光二级管 574LS00 174LS04 174LS74 174LS10 174LS139 174LS86 1排针 3P 2端子 2P 1按钮开关 4P 1
