兩位計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)VIP

1、課題二：兩位計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)（選做）一 設(shè)計(jì)目的本文通過(guò)對(duì)兩位計(jì)數(shù)器電路的分析、仿真，闡述了計(jì)數(shù)器電路的一些設(shè)計(jì)方法，并論證了計(jì)數(shù)器電路的實(shí)現(xiàn)原理及過(guò)程。文中還使用了Hspice電路設(shè)計(jì)仿真軟件，這樣能讓讀者更直觀的了解計(jì)數(shù)器電路的工作原理及組成結(jié)構(gòu)。對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程中計(jì)數(shù)器有新的認(rèn)識(shí)。對(duì)Hspice軟件使用進(jìn)一步的掌握。二 設(shè)計(jì)原理計(jì)數(shù)是一種最簡(jiǎn)單基本的運(yùn)算，計(jì)數(shù)器就是實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)算的邏輯電路，計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中主要是對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、計(jì)數(shù)和控制的功能，同時(shí)兼有分頻功能，計(jì)數(shù)器是由基本的計(jì)數(shù)單元和一些控制門所組成，計(jì)數(shù)單元?jiǎng)t由一系列具有存儲(chǔ)信息功能的各類觸發(fā)器構(gòu)成，這些觸發(fā)器有

2、RS觸發(fā)器、T觸發(fā)器、D觸發(fā)器及JK觸發(fā)器等。計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，如在電子計(jì)算機(jī)的控制器中對(duì)指令地址進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便順序取出下一條指令，在運(yùn)算器中作乘法、除法運(yùn)算時(shí)記下加法、減法次數(shù)，又如在數(shù)字儀器中對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)等等。計(jì)數(shù)器的種類很多，按時(shí)鐘脈沖輸入方式的不同，可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按進(jìn)位體制的不同，可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)過(guò)程中數(shù)字增減趨勢(shì)的不同，可分為加計(jì)數(shù)器、減計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。二進(jìn)制異步減計(jì)數(shù)器 (1)n位二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器由n個(gè)處于計(jì)數(shù)工作狀態(tài)(對(duì)于D 觸發(fā)器，使Di=Qin；對(duì)于JK 觸發(fā)器,使Ji=Ki=1) 的觸發(fā)器組成。各觸發(fā)器之間的連接方式由

3、加、減計(jì)數(shù)方式及觸發(fā)器的觸發(fā)方式?jīng)Q定。對(duì)于加計(jì)數(shù)器,若用上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器組成，則應(yīng)將低位觸發(fā)器的Q 端與相鄰高一位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端相連（即進(jìn)位信號(hào)應(yīng)從觸發(fā)器的Q 端引出）；若用下降沿觸發(fā)的觸發(fā)器組成,則應(yīng)將低位觸發(fā)器的Q 端與相鄰高一位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端連接。對(duì)于減計(jì)數(shù)器，各觸發(fā)器的連接方式則相反。 (2)在二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器中，高位觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)必須在低一位觸發(fā)器產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)（加計(jì)數(shù)）或借位信號(hào)（減計(jì)數(shù)）之后才能實(shí)現(xiàn)。故又稱這種類型的計(jì)數(shù)器為串行計(jì)數(shù)器。也正因?yàn)槿绱?，異步?jì)數(shù)器的工作速度較低。 二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器，其特點(diǎn)是，計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)接于各位觸發(fā)

4、器的時(shí)鐘脈沖輸入端，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，各觸發(fā)器同時(shí)被觸發(fā),應(yīng)該翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器是同時(shí)翻轉(zhuǎn)的，沒(méi)有各級(jí)延遲時(shí)間的積累問(wèn)題。同步計(jì)數(shù)器也可稱為并行計(jì)數(shù)器。 二進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器各位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端接同一計(jì)數(shù)脈沖CP ，各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程分別為J0=K0=1、J1=K1=Q0、J2=K2=Q0Q1、J3=K3=Q0Q1Q2 。 在同步計(jì)數(shù)器中，由于計(jì)數(shù)脈沖CP 同時(shí)作用于各個(gè)觸發(fā)器，所有觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)是同時(shí)進(jìn)行的，都比計(jì)數(shù)脈沖CP 的作用時(shí)間滯后一個(gè)tpd ,因此其工作速度一般要比異步計(jì)數(shù)器高。 應(yīng)當(dāng)指出的是，同步計(jì)數(shù)器的電路結(jié)構(gòu)較異步計(jì)數(shù)器復(fù)雜，需要增加一些輸入控制電路，因而其工作速度也要受這些控制

5、電路的傳輸延遲時(shí)間的限制。 二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)要求一個(gè)計(jì)數(shù)器即能作加計(jì)數(shù)又能作減計(jì)數(shù)。同時(shí)兼有加和減兩種計(jì)數(shù)功能的計(jì)數(shù)器稱為可逆計(jì)數(shù)器。 四位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器是在前面介紹的四位二進(jìn)制同步加和減計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上，增加一控制電路構(gòu)成的。 當(dāng)加/減控制信號(hào)X=1時(shí)，F(xiàn)F1FF3中的各J、K 端分別與低位各觸發(fā)器的Q 端接通，進(jìn)行加計(jì)數(shù)；當(dāng)X=0時(shí)，各J、K 端分別與低位各觸發(fā)器的Q 端接通，進(jìn)行減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了可逆計(jì)數(shù)器的功能 。本次設(shè)計(jì)是兩位計(jì)數(shù)器實(shí)驗(yàn)原理圖如下圖所示：兩位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器電路由2個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器組成，具有以下特點(diǎn):每個(gè)D觸發(fā)器輸入端接該觸發(fā)器Q 端信號(hào)

6、，因而Q n1Q n，即各D觸發(fā)器均處于計(jì)數(shù)狀態(tài);計(jì)數(shù)脈沖加到最低位觸發(fā)器的C端，每個(gè)觸發(fā)器的Q 端信號(hào)接到相鄰高位的C端。 假設(shè)各觸發(fā)器均處于0態(tài)，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及D觸發(fā)器工作特性，不難得到其狀態(tài)圖和時(shí)序圖。狀態(tài)圖如下所示：十進(jìn)制數(shù)Q2Q1計(jì)數(shù)N 0000101121023113400進(jìn)位 由狀態(tài)圖可以清楚地看到，從初始狀態(tài)00開(kāi)始，每輸入一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)按二進(jìn)制遞增（加1），輸入第4個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后，計(jì)數(shù)器又回到00狀態(tài)。因此它是四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，也稱模八（M=8）加法計(jì)數(shù)器。 三 設(shè)計(jì)步驟本次設(shè)計(jì)原理圖有兩個(gè)D觸發(fā)器、一個(gè)異或門、一個(gè)非門、一個(gè)與非門之間相互連接組成的兩位二

7、進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。1、子電路設(shè)計(jì)D觸發(fā)器：網(wǎng)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 1N 1N 5N 20NV3 8 0 5VdcM6 6

8、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原理圖如下所示：仿真波形如下圖：異或門：網(wǎng)表文件：XOR Circuit.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 20NM1 1 1 4 4 NCH L=1U W=20U V2 2 0 PULSE .2 4.8 0N 1N 1N 5N 20N M2 1 1 5 5 NCH L=1U W=20U V3 3 0 PULSE .2 4.8

9、0N 1N 1N 5N 20N M3 1 1 6 6 NCH L=1U W=20U M4 4 2 0 0 NCH L=1U W=20U M5 5 3 0 0 NCH L=1U W=20U M6 8 2 0 0 NCH L=1U W=20U M7 6 3 8 8 NCH L=1U W=20U M8 7 4 0 0 NCH L=1U W=20U M9 6 5 7 7 NCH L=1U W=20U V1 1 0 5Vdc.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理圖如下所示：仿真波形如下圖：非門：網(wǎng)表文件：NOT Circuit.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN

10、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原理圖如下所示：仿真波形如下所示：與非門：網(wǎng)表文件：mos nand.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 200NM1 4 2 5 5 NCH L=1U W=40U M2 5 3 0 0 NCH L=1U W=40U M3 4 2 1 1 PCH L=1U W=40U

11、 V2 2 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 20N 50N M4 4 3 1 1 PCH L=1U W=40U V3 3 0 PULSE .2 4.8 2N 1N 1N 20N 50NV1 1 0 5Vdc.MODEL PCH PMOS LEVEL=1.MODEL NCH NMOS LEVEL=1.END原理圖如下所示：仿真波形如下所示：2、寫兩位計(jì)數(shù)器網(wǎng)表文件運(yùn)用Hspice軟件子程序調(diào)用語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)兩位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。網(wǎng)表文件如下：CN2B.OPTIONS LIST NODE POST.TRAN 200P 200N.global V1 .SUBCKT KXOR 2 3 5 V1

12、 1 0 5VDCM1 1 1 4 4 NCH L=1U W=20U M2 1 1 5 5 NCH L=1U W=20U M3 1 1 6 6 NCH L=1U W=20U M4 4 2 0 0 NCH L=1U W=20U M5 5 3 0 0 NCH L=1U W=20U M6 8 2 0 0 NCH L=1U W=20U M7 6 3 8 8 NCH L=1U W=20U M8 7 4 0 0 NCH L=1U W=20U M9 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

13、=20UM2 3 2 0 0 NCH L=1U W=20U.ENDS KNOT.SUBCKT KNAND2 7 4 8V1 1 0 5VDCM1 4 2 5 5 NCH L=1U W=20U M2 5 3 0 0 NCH L=1U W=20U M3 4 2 1 1 PCH L=1U W=20U M4 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=80U M1 1 1 3 3 NCH L=1U W=20U M10 7 8 0 0 NCH L=1U W=80U M2 1 1

14、 4 4 NCH L=1U W=20U M3 1 1 5 5 NCH L=1U W=20U M4 3 2 0 0 NCH L=1U W=80U M5 4 3 6 6 NCH L=1U W=80U M6 6 8 0 0 NCH L=1U W=80U M7 4 5 0 0 NCH L=1U W=80U M8 5 4 0 0 NCH L=1U W=80U .ENDS KDFF.XXOR 2 3 5 KXOR.XNOT 5 6 KNOT.XDFF 6 1 7 KDFF.XDFF1 5 1 4 KDFF.XNAND 7 4 8 KNAND2.XNOT 8 9 KNOTV2 1 0 PULSE .2 4.

15、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、打開(kāi)網(wǎng)表文件與仿真進(jìn)入Hspice軟件點(diǎn)擊open打開(kāi)上面的網(wǎng)表文件，仿真，仿真波形如下所示：時(shí)鐘信號(hào)波形:Q1輸出波形：Q0輸出波形：四 心得體會(huì)通過(guò)這次的Hspice實(shí)習(xí)，是我初步掌握了這門軟件使用方法和電路圖設(shè)計(jì)的流程，也體會(huì)到了很多的樂(lè)趣，也激發(fā)了我對(duì)電子行業(yè)及其產(chǎn)品的興趣。這次實(shí)習(xí)得到了同學(xué)們的許多幫助，也是我深深體會(huì)到集體的力量，團(tuán)隊(duì)合作的重要性，集體互助是多么的重要，讓我知道了學(xué)習(xí)需要互相幫助，在在互助中大家互相提高。也非常感謝指導(dǎo)老師對(duì)我們的幫助和嚴(yán)格要求，只有在嚴(yán)格要求下我們才會(huì)認(rèn)識(shí)到自己的錯(cuò)誤，并小心不會(huì)再犯。指導(dǎo)老師的幫助也讓我能夠快速的掌握這門軟件，真的非常感謝。通過(guò)這次實(shí)習(xí)也大大提升了我的動(dòng)手操作能力。實(shí)習(xí)雖短，但是知識(shí)是無(wú)窮盡的，我會(huì)繼續(xù)努力學(xué)習(xí)更多的知識(shí)，做出更多屬于自己的東西。所以雖然實(shí)習(xí)結(jié)束了，但是我對(duì) Hspice的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，以后的大學(xué)時(shí)光里，我要不要鍛煉自己。實(shí)驗(yàn)中，我們還可以很直觀的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，這樣一些很抽象課本知識(shí)就變的十分容易。我覺(jué)的這次作業(yè)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是寫網(wǎng)表文件。在我看來(lái)，