基于计数器74LS290的Multisim仿真出现的问题及处理
作者：胡洁微 周宦银 胥飞燕 李丽蓉 单坤
来源：《中国教育技术装备》2016年第24期
        摘 要 Multisim仿真软件是电路分析和设计中常用的一种辅助手段，但若时序逻辑电路设计不当，因时延造成信号畸变，引发电路输出状态偏离原有的“轨道”，将使得电路功能无法实现。因此，竞争冒险是时序电路设计中必须考虑的重要方面，加入复位电路设计，是解决时序逻辑电路测试生成问题的有效方法。
        关键词 计数器；Multisim仿真；竞争冒险；复位电路
        中图分类号：TP391.9 文献标识码：B
        文章编号：1671-489X（2016）24-0023-03
        A Problem-solving of Counter 74LS290 Multisim Simulation Cir-
        cuit//HU Jiewei， ZHOU Huanyin， XU Feiyan， LI Lirong， SHAN Kun
        Abstract Circuit simulation is a common auxiliary analysis and de-sign means by Multisim software， but if the sequential logic circuit design is not correct， the signal distortion may be caused by time delay，
        and then the output state will deviate from its original orbit， what makes
        the circuit functions cannot be achieved. So the race and hazard is quite essential and must be considered when designing logic circuit. Sometimes adding reset circuit design is an important method of sol-ving the sequential logic circuit test generation problem.
        Key words counter； Multisim simulation；multisim怎么改成中文 race and hazard； reset circuit
        1 前言
        在数字电路中使用最多的时序电路就是计数器电路，计数器不仅可以用于计数，而且可以用于定时、分频、产生脉冲以及进行数字运算等。计数器的种类及分类方式很多，例如：按照计数器中的触发器是否同时翻转分类，可分为同步计数器和异步计数器；从进制来分，有二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器多种；根据计数的增减趋势，又分为加法
、减法和可逆计数器。而目前无论是TTL还是CMOS集成电路，都有品种齐全的中规模集成计数电路，使用者只需借助于器件手册提供的功能表、工作波形图以及引出端的管脚排列，就能正确地运用这些器件。
        Multisim软件是美国NI（National Instruments）公司开发的最新一款基于Windows平台的直观、精确、高效的电路教学与设计仿真软件，可用于电子电路设计、开发、测试、分析及优化，运用计算机仿真与虚拟仪器极大地提高了电路设计效率。
        本文以74LS290型异步二—五—十进制计数器为计数元件，设计一个理论分析上功能完全可实现的七进制计数器。利用Multisim 10仿真软件得到的电路测试结果为错误，深入分析问题的原因，提出加入复位电路来避免出现竞争冒险现象的办法，电路改进后可实现预期测试效果。
        2 电路设计
        目前比较常用的计数器主要是二进制和十进制，当需要任意一种进制的计数器时，可将现有的计数器改接而得，采用的方法主要为清零法和置数法。
        74LS290型异步二—五—十进制计数器 74LS290型异步二—五—十进制计数器内部由4个JK触发器FF0～FF3和一些门电路构成，共14个管脚，其功能表如表1所示。其中，12脚和13脚是R01和R02，为清零输入端，由功能表可见，当两端全为1时，将计数器内部的4个触发器清
        零。1脚和3脚是R91和R92，为置“9”输入端，由功能表可
        见，当两端全为1时，由8脚、4脚、5脚和9脚构成的4输出端QDQCQBQA=1001，即表示十进制数9；清零时，R91和R92中至少有一端为0，不使置1，以保证清零可靠进行。10脚和11脚是1NA和1NB，为两个时钟脉冲输入端；2脚和6脚为闲置管脚；7脚为地，14脚为电源[1]。
        既然是二—五—十进制计数器，下面按二、五、十进制三种情况来分析。
        1）只输入计数脉冲1NA，由QA输出，FF1～FF3三个触发器不用，为二进制计数器；
        2）只输入计数脉冲1NB，由QD、QC、QB输出，为五进制计数器；
        3）将QA端与FF1的1NB端连接，输入计数脉冲1NA，由QD、QC、QB、QA输出，即为十进制。
        基于74LS290的任意进制计数器 将计数器适当改接，利用其清零端进行反馈置0，可得出小于十进制的多种进制计数器。异步清0，指的是计数器在S0～SM-1共M个状态中工作，当计数器进入SM状态时，利用SM状态产生清0信号并反馈到异步清零端，使计数器立即返回S0状态。由于是异步清零，所以SM状态仅瞬间出现，便立即被置成S0状态，在时序图仿真中该状态并不出现，因此通常称其为“过渡态”[2]。在计数器的稳定状态循环中是不包含SM状态的，若习惯在状态循环图中画出该状态，也将其独立置于虚线框内，表明其为无效状态，有效状态仍为M个状态。
        以七进制状态循环图为例，如图1所示，（a）图不含过渡态，（b）图含有过渡态。
        3 Multisim仿真出现的问题分析及处理方法
        借助Multisim10仿真软件设计一个简单的七进制加法计数器，但在测试过程中出现计数不准确现象，针对时序逻辑电路中因为竞争冒险导致电路生成不准确问题提出解决办法。
        问题分析 以74LS290连接成七进制计数器为例，先将置“9”输入端R91和R92接地，以保证清零可靠，再将频率50 Hz、峰值5 V的矩形波信号输入计数脉冲1NA，输出端QA与1NB连接，构成十进制计数器，然后采用异步清零法，利用输出端QC、QB、QA对应出现的3个1作为清零信号反馈到清零端R01和R02。因为输出端输出1的数目多于两个，所以可借助与门74LS08D将QB、QA输出相与后连接到清零输入端R01，即R01=QB·QA。另一输出端QC直接连接到清零输入端R02，为使输出结果更为直观，电路中还设计了数码管显示电路和状态灯指示电路同步显示，电路原理图如图2所示。
        按照理论分析，仿真有效状态应为7个，输出端按0000
        →0001→0010→0011→0100→0101→0110规律闪烁，并以数码方式在0→6之间循环，当达到0111即数码7时，该状态短暂出现后瞬间清零，重新回到状态0。但在电路仿真过程中，仅在2→6数字间循环显示，实现的仅为五进制计数器。
        对出现的这种现象进行原因分析。计数器内部触发器的复位信号由RD/=（R01· R02）/来决定，只有当R01、R02全部为1时，RD/才为0，实现计数器内部触发器的同步清零。从电路的连接方式上可知，R01=QB·QA，R02=QC，当计数值由6（0110）将要跳到过渡态7
时，QA由0→1，产生清零信号，但该清零信号需两次经过门电路传输到触发器的复位端，因此造成时延。复位信号的畸变导致计数器内部4个触发器的复位操作没有可靠进行，从而引发计数器状态发生改变。
        加入与门改进电路 针对时序逻辑电路中存在竞争冒险这一问题，一种方法是在反馈电路中加入与门以达到时序时延的效果[3]，电路如图3所示，R01=QB·QA，R02=QC·QC。从结果上来看，该方法实现了由0→6的计数显示，避免了竞争冒险现象的发生，但是反馈电路中加入与门的数目和方式没有固定规律可遵循，需要多次尝试，因此，该方法不具通用性。
        加入复位电路避免竞争冒险 通过复位操作，先将计数器内部触发器全部初始化，使输出端统一清零，然后启动计数功能。此方法避免了竞争冒险现象的发生，改进方法更具推广性和实用性。复位电路由5 V电源、开关J1和两个或门构成，每个或门的一端经开关J1与电源相接，另一输入端连接由QC、QB、QA和与门构成的清零反馈电路。利用或门有1出1的功能，在电路工作前，闭合开关J1到VCC，使J1=1，利用高电平使清零端R01和R02同时为1，则计数器输出端同步清零；然后断开开关J1到接地端，使J1=0，计数器电路开始启动计数功能，实现0→6之间循环计数。改进电路原理图如图4所示。
        4 结论
        以Multisim仿真软件分析或设计电路，可有效提升使用者对器件管脚排列及电路连接方法的感性认识，加深对器件功能以及工作过程的认识和了解。本文提供的利用复位操作将时序逻辑电路清零的方法，解决了时序逻辑电路中计数、定时等功能因为竞争冒险而无法顺利生成的问题，具有很强的实用性，在时序逻辑电路设计中往往是不可或缺的关键环节。
        参考文献
        [1]秦增煌.电工学[M].7版.北京：高等教育出版社，
        2009：1-395.
        [2]孙红.基于异步计数器的实验探究[J].实验科学与技术，2008（6）：18-21.
        [3]马敬敏.集成计数器74LS161的Multisim仿真[J].现代电子技术，2011（3）：166-167.