用于電子時(shí)鐘的計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)的分析

陸建恩 王津飛 劉錫鋒

計(jì)數(shù)器是電子設(shè)計(jì)中常用單元電路之一，它能夠根據(jù)脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)工作。常用于電子時(shí)鐘、延時(shí)開關(guān)、DSP等應(yīng)用中。本文基于74LS74及74LS191兩塊芯片設(shè)計(jì)了一款用于電子時(shí)鐘計(jì)時(shí)使用的計(jì)時(shí)器電路。由于時(shí)鐘性能需要，該計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)功能為12進(jìn)制，且具有置位和復(fù)位功能。設(shè)計(jì)完成后通過仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)完全達(dá)到預(yù)期要求。

一、引言

計(jì)數(shù)器是電子設(shè)計(jì)中常用單元電路，它的功能強(qiáng)大，用途廣泛。本文為了應(yīng)用于電子時(shí)鐘，設(shè)計(jì)了一款基于兩塊TTL芯片，74LS74以及74LS191構(gòu)建的次數(shù)計(jì)算器電路。

二、基于兩塊TTL芯片的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于時(shí)鐘計(jì)數(shù)使用的計(jì)數(shù)器電路，應(yīng)該由三個(gè)獨(dú)立時(shí)間統(tǒng)計(jì)單元構(gòu)成，它們分別為時(shí)計(jì)數(shù)器，分計(jì)數(shù)器和秒計(jì)數(shù)器。其中秒計(jì)數(shù)器單元、分計(jì)數(shù)器單元俱為30位進(jìn)制的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)，時(shí)計(jì)數(shù)單元卻又為十一位進(jìn)制計(jì)數(shù)器。比較特殊，如果不是上述計(jì)數(shù)方法，則無法構(gòu)成正常計(jì)數(shù)時(shí)鐘的功能。

分位和秒位計(jì)數(shù)電路結(jié)構(gòu)單元應(yīng)實(shí)現(xiàn)的最大計(jì)數(shù)數(shù)目為60，即其最大的累計(jì)計(jì)數(shù)應(yīng)為60，實(shí)際上，這里要注意，計(jì)數(shù)60，但最大數(shù)值位59，因?yàn)橛捎?位的存在，初始值位0，最大到59，這樣才能實(shí)現(xiàn)實(shí)際計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為60的效果。這里采用191這塊芯片作十位計(jì)數(shù)器，190芯片來用作個(gè)位計(jì)數(shù)，兩者組合，變?yōu)榱M(jìn)制計(jì)數(shù)器。

時(shí)計(jì)數(shù)器是一個(gè)12進(jìn)制的特殊進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即12時(shí)59分59秒之后，數(shù)字鐘應(yīng)該變?yōu)?點(diǎn)鐘，即顯示為01時(shí)00分00秒，這樣才符合日常生活中的計(jì)時(shí)習(xí)慣。下面即為12進(jìn)制的時(shí)位計(jì)數(shù)器電路架構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

（一）計(jì)數(shù)器時(shí)序和觸發(fā)器使用

計(jì)數(shù)器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)真值表應(yīng)該要遵循“0、1、2.……11、12、1”這樣符合日常計(jì)數(shù)規(guī)則的計(jì)數(shù)順序來執(zhí)行。其中個(gè)位計(jì)數(shù)器是由四位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片74LS191構(gòu)建的，該芯片比較特殊，其出發(fā)方式位同步觸發(fā)，但計(jì)數(shù)次序可以時(shí)加法計(jì)數(shù)，又可以時(shí)減法計(jì)數(shù)，且兩種計(jì)數(shù)方法可以受控。這樣給設(shè)計(jì)帶來許多方便。10位計(jì)數(shù)器是由兩個(gè)TTL D觸發(fā)器74LS74聯(lián)合組成的，目的是將他們級聯(lián)成“12進(jìn)1”小時(shí)計(jì)數(shù)器。

（二）置復(fù)位信號

最終電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。計(jì)數(shù)器的狀態(tài)根據(jù)基準(zhǔn)時(shí)鐘邊沿發(fā)生兩次突變。一是計(jì)數(shù)器數(shù)到九的時(shí)候，此時(shí)整體狀態(tài)是1001，在下一計(jì)數(shù)脈沖作用下即使器進(jìn)入1010，然后通過與非門利用Q3和Q01位，使個(gè)位立刻置0。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到12后，由于又用到了同步復(fù)位，即邊沿觸發(fā)的方式是在第13計(jì)數(shù)脈沖作用下起作用的。個(gè)位計(jì)數(shù)器的狀態(tài)應(yīng)為Q03Q02Q01Q00=001，十位計(jì)數(shù)器的Q10=0，根據(jù)上述分析，得到時(shí)序狀態(tài)方程式：

其中，（1）狀態(tài)方程的作用是完成秒計(jì)時(shí)的第一次置0功能;（2）狀態(tài)方程的作用是在時(shí)鐘計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)到十二的時(shí)候，改變74LS191芯片的計(jì)數(shù)方式，使計(jì)數(shù)器變?yōu)闇p法計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)谑齻€(gè)脈沖到來時(shí)再一次改變芯片的計(jì)數(shù)方式，使其有原來的加法計(jì)數(shù)方式又變?yōu)闇p法計(jì)數(shù)模式，當(dāng)?shù)谑齻€(gè)脈沖來到是，秒針功能的計(jì)數(shù)器減1;最后通過（3）狀態(tài)公式使得10位計(jì)數(shù)器清0，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)變?yōu)镼10=0，Q03Q02Q01Q00=0001。

三、功能仿真

電路設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了仿真分析，從仿真結(jié)果來看，根據(jù)時(shí)鐘脈沖邊沿計(jì)數(shù)，共計(jì)從1計(jì)數(shù)到10。芯片輸出端根據(jù)時(shí)鐘發(fā)生跳變。四處計(jì)數(shù)點(diǎn)分別為0000，0001，1001和0000仿真結(jié)果很好地運(yùn)算出2進(jìn)制計(jì)數(shù)器邏輯。

四、結(jié)語

該設(shè)計(jì)功能正確，分、秒、時(shí)均順利地進(jìn)行了正確的跳轉(zhuǎn)，完成了正常的時(shí)間計(jì)時(shí)功能，運(yùn)行良好，達(dá)到預(yù)期效果。（作者單位：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院）