数字电路与逻辑设计 计数器
基于数字电路两位计数器的设计与实现的实验原理(一)
基于数字电路两位计数器的设计与实现的实验原理(一)基于数字电路两位计数器的设计与实现的实验1. 引言计数器是数字电路中常见的组件，用于记录和显示特定计数方式的信息。
本实验旨在通过设计和实现一个基于数字电路的两位计数器，来加深对数字电路原理的理解和应用能力。
2. 数字电路基础知识回顾在进行计数器设计之前，我们首先回顾一些数字电路的基础知识。
数字电路由逻辑门组成，其中最常见的逻辑门有与门、或门和非门。
通过逻辑门的组合，可以实现各种不同的逻辑功能，比如与门用于实现逻辑与运算，或门用于实现逻辑或运算。
3. 两位计数器的设计原理两位计数器是一种能够计数到99的计数器。
它由两个单独的一位计数器组成，每个一位计数器都能够计数到9。
当一个一位计数器计满9时，它的进位信号会触发下一个一位计数器，使其自动加1。
4. 实验设计与实现步骤下面是基于数字电路的两位计数器的设计与实现步骤：4.1 设计逻辑电路图首先，根据两位计数器的设计原理，我们可以画出相应的逻辑电路图。
逻辑电路图应包含两个一位计数器，以及进位触发器。
4.2 确定引脚连接方式在设计逻辑电路图时，还需要确定各个元件的引脚连接方式。
这些连接方式可能影响计数器的计数方式和功能。
4.3 确定输入和输出在设计计数器时，还需要确定输入和输出的信号。
输入信号通常包括时钟信号和复位信号，而输出信号则是计数器的计数结果。
4.4 制作原型电路板根据逻辑电路图和引脚连接方式，我们可以制作原型电路板。
原型电路板用于测试计数器的功能和性能。
4.5 进行实验验证使用原型电路板进行实验验证，观察计数器的计数过程和结果，确保计数器按照设计预期工作。
5. 实验结果与分析在完成实验验证后，我们可以对实验结果进行分析。
比如，观察计数器的计数方式、计数速度和计数范围等指标，以评估计数器的性能。
6. 结论与展望本实验通过设计和实现基于数字电路的两位计数器，加深了对数字电路原理的理解和应用能力。
通过对实验结果的分析，我们可以得出结论并展望未来可能的改进方向。
数字电路与逻辑设计 第6章计数器11
74190: 4位十进制同步加/减计数器。 74191: 4位二进制同步加/减计数器。
1.
Q0 QA IJA &
集成同步计数器74161
Q1 Q2 Q3 CO QB R IKA & ≥1 IJB & ≥1 & & & & R IKB & QC IJC & ≥1 & & R IKC & QD IJD & ≥1 & R IKD & &
∧
CR LD D3 D2 D1 D 0 1
CR LD D3 D2 D1 D 0 1
∧
CTT CTP CP
1 计数脉冲
由前面例题分析中可以发现，用反馈置零法设计 计数器存在一个普遍规律：
例3：用74161计数器实现模12计数。 Q3Q 2 CR
1 CP
CTP D3D2D1D0 CO CTT
1 CP
例2:分析图示电路的功能
1
CTP CTT D3 D2 D1 D0 CO
74161
Q3 Q2 Q1 Q0
LD
CP
CR
&
2、采用清零法设计任意模值计数器设计步骤
☆
确定有效状态
☆ 找出反馈清零状态 产生反馈清零信号 ☆ 画出计数器的逻辑电路
反馈清0法的基本思想是： 计数器从全0状态S0开始计数，计满 M个状态产生清0信号，使计数器恢复 到初态S0,然后再重复前面过程。
&
&
&
&
1
1
1
&
LD
D0
CR
D1
CP
D2
计数器逻辑功能和设计
2.5 计数器逻辑功能和设计1．实验目的（1）熟悉四位二进制计数器的逻辑功能和使用方法。
（2）熟悉二-五-十进制计数器的逻辑功能和使用方法。
（3）熟悉中规模集成计数器设计任意进制计数器的方法。
（4）初步理解数字电路系统设计方法，以数字钟设计为例。
2．实验仪器设备（1）数字电路实验箱。
（2）数字万用表。
（3）数字集成电路：74161 4位二进制计数器74390 2二-五-十进制计数器7400 4与非门7408 4与门7432 4或门3．预习（1）复习实验所用芯片的逻辑功能及逻辑函数表达式。
（2）复习实验所用芯片的结构图、管脚图和功能表。
（3）复习实验所用的相关原理。
（4）按要求设计实验中的各电路。
4．实验原理（1）计数器是一个用以实现计数功能的时序逻辑部件，它不仅可以用来对脉冲进行计数，还常用做数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能。
计数器的种类很多，按构成计数器中的各触发器是否使用一个时钟脉冲源来分，有同步计数器和异步计数器；根据计数进制的不同，分为二进制、十进制和任意进制计数器；根据计数的增减趋势分为加法、减法和可逆计数器；还有可预置数和可编程功能计数器等。
（2）利用集成计数器芯片构成任意（N）进制计数器方法。
①反馈归零法。
反馈归零法是利用计数器清零端的清零作用，截取计数过程中的某一个中间状态控制清零端，使计数器由此状态返回到零重新开始计数。
把模数大的计数器改成模数小的计数器，关键是清零信号的选择。
异步清零方式以N作为清零信号或反馈识别码，其有效循环状态为0～N-1；同步清零方式以N-1作为反馈识别码，其有效循环状态为0～N-1。
还要注意清零端的有效电平，以确定用与门还是与非门来引导。
②反馈置数法。
反馈置数法是利用具有置数功能的计数器，截取从Nb到Na 之间的N个有效状态构成N进制计数器。
其方法是当计数器的状态循环到Na时，由Na构成的反馈信号提供置数指令，由于事先将并行置数数据输入端置成了Nb 的状态，所以置数指令到来时，计数器输出端被置成Nb，再来计数脉冲，计数器在Nb基础上继续计数至Na，又进行新一轮置数、计数，其关键是反馈识别码的确定与芯片的置数方式有关。
数字电路与逻辑设计实验报告
数字电路与逻辑设计实验报告数字电路与逻辑设计实验报告摘要：本实验旨在通过设计和实现数字电路和逻辑门电路，加深对数字电路和逻辑设计的理解。
实验过程中，我们使用了逻辑门电路、多路选择器、触发器等基本数字电路元件，并通过实际搭建电路和仿真验证，验证了电路的正确性和可靠性。
引言：数字电路和逻辑设计是计算机科学与工程领域的重要基础知识。
在现代科技发展中，数字电路的应用范围非常广泛，涉及到计算机、通信、控制等各个领域。
因此，深入理解数字电路和逻辑设计原理，掌握其设计和实现方法，对于我们的专业学习和未来的工作都具有重要意义。
实验一：逻辑门电路的设计与实现逻辑门电路是数字电路中最基本的元件之一，通过逻辑门电路可以实现各种逻辑运算。
在本实验中，我们通过使用与门、或门、非门等逻辑门电路，设计并实现了一个简单的加法器电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了加法器电路的正确性。
实验二：多路选择器的设计与实现多路选择器是一种常用的数字电路元件，可以根据控制信号的不同，选择不同的输入信号输出。
在本实验中，我们通过使用多路选择器，设计并实现了一个简单的数据选择电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了数据选择电路的正确性。
实验三：触发器的设计与实现触发器是一种常用的数字电路元件，可以存储和传输信息。
在本实验中，我们通过使用触发器，设计并实现了一个简单的二进制计数器电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了二进制计数器电路的正确性。
实验四：时序逻辑电路的设计与实现时序逻辑电路是一种特殊的数字电路，其输出不仅与输入信号有关，还与电路的状态有关。
在本实验中，我们通过使用时序逻辑电路，设计并实现了一个简单的时钟电路。
通过搭建电路和进行仿真验证，我们验证了时钟电路的正确性。
实验五：数字电路的优化与综合数字电路的优化与综合是数字电路设计中非常重要的环节。
在本实验中，我们通过使用逻辑代数和Karnaugh图等方法，对已有的数字电路进行了优化和综合。
数字电路计数器设计
数字电路计数器设计数字电路计数器是计算机中常见的一个重要模块，用于计数、记步等应用场景。
本文将介绍数字电路计数器的设计方法，包括基本设计原理、电路结构以及应用案例等内容。
一、基本设计原理数字电路计数器是一种组合逻辑电路，可以将输入的脉冲信号进行计数，并输出对应的计数结果。
常见的计数器有二进制计数器和十进制计数器等。
1. 二进制计数器二进制计数器是一种常见的计数器，在数字系统中使用较为广泛。
它的组成由多个触发器构成，触发器按照特定的顺序连接，形成计数器的环形结构。
当触发器接收到来自时钟信号的脉冲时，计数器的数值就会加1，然后继续传递给下一个触发器。
当计数器的数值达到最大值时，再次接收到时钟信号后，计数器将复位为初始值。
2. 十进制计数器十进制计数器是一种特殊的计数器，用于十进制数字的计数。
它的设计原理与二进制计数器相似，但是在输出端需要进行十进制的译码，将计数结果转换为相应的十进制数字。
二、电路结构设计根据数字电路计数器的设计原理，我们可以构建一个简单的四位二进制计数器的电路结构，具体如下：1. 触发器触发器是计数器的基本单元，用于存储和传递计数值。
我们选择JK触发器作为计数器的触发器单元，因为JK触发器具有较好的特性，可以实现较好的计数功能。
2. 时钟信号时钟信号是触发器计数的时序基准，常用的时钟信号有正脉冲和负脉冲信号。
我们可以通过外部引入时钟源，使计数器在每个时钟信号的作用下进行计数。
3. 译码器译码器用于将计数器的计数结果转换为相应的输出信号。
在二进制计数器中，我们可以通过数值比较器进行译码，将每个计数值与预设的门限值进行比较，并输出对应的结果。
三、应用案例数字电路计数器在很多实际应用场景中都有广泛的应用。
以下是其中的一个应用案例：假设有一个灯光控制系统，系统中有8盏灯，可以通过按键进行控制。
要求按下按键时，灯光依次进行倒计时，最后一盏灯亮起后，再按下按键时，灯光依次恢复原来的状态。
该应用可以使用四位二进制计数器进行实现。
如何设计简单的计数器电路
如何设计简单的计数器电路在数字电子电路中，计数器是一种常见而重要的电路元件，它能够实现对输入脉冲信号进行计数和展示。
本文将介绍如何设计一个简单的计数器电路。
设计简单的计数器电路可以分为两个步骤：选择适当的计数器类型和设计逻辑电路。
一、选择适当的计数器类型在选择计数器类型时，需要考虑计数器的位数和计数模式。
根据计数器的位数，可以选择4位、8位或更多位的计数器。
根据计数模式，可以选择二进制计数，BCD（二进制编码十进制）计数，或其他计数方式。
以4位二进制计数器为例，设计一个可以从0到15计数的计数器。
二、设计逻辑电路为了实现从0到15的计数，我们可以使用四个JK触发器和适当的逻辑门来构建计数器电路。
首先，将四个JK触发器连接成一个级联结构，即将一个触发器的输出引脚连接到下一个触发器的时钟输入引脚，以此类推。
同时，将第一个触发器的时钟输入引脚连接到输入脉冲信号源。
接下来，需要设置逻辑门来控制计数器的复位和使能。
当计数器达到15时，需要将其复位为0，即重新开始计数。
我们可以使用与门来实现这一功能，将四个触发器的输出引脚连接到与门的输入引脚，当四个引脚全部为高电平时，输出高电平信号，将其作为复位信号。
另外，为了使计数器能够正常工作，还需要设置使能信号。
我们可以使用使能控制器来实现这一功能，将输入脉冲信号和复位信号分别连接到使能控制器的输入引脚，使能控制器的输出引脚连接到四个JK 触发器的使能输入引脚。
通过上述设计，我们就可以获得一个简单的4位计数器电路。
当输入脉冲信号源提供脉冲时，计数器将递增一个单位；当计数器达到15时，将被复位为0，并重新开始计数。
设计计数器电路时，需要注意以下几点：1. 选用适当的计数器类型和位数，根据实际需求确定。
2. 熟悉JK触发器的工作原理和真值表，确保触发器的连线正确。
3. 理解逻辑门的功能，如与门、或门等。
4. 考虑计数器的复位和使能功能，确保计数器能够正常工作。
总结：设计一个简单的计数器电路需要选择适当的计数器类型和设计逻辑电路。
计数器在数字电路中的应用
计数器在数字电路中的应用
计数器是数字电路中常见的一种基本电路元件，主要用于对输入的信号进行计数及产生相应的输出。
它的应用十分广泛，在电子时钟、电子计时器、频率计、计数器等众多领域都有着重要的作用。
首先，计数器能够对输入信号的脉冲进行计数，输出相应的数字信号。
在电子计数器和计时器中，计数器可以实时记录输入信号的数量和频率，并输出相应的结果。
例如，计算器能够自动记录并计算，根据输入的脉冲信号来提供测量精度高，快速可靠的计数措施。
其次，计数器可以被用来实现频率压缩。
频率压缩是一个重要的信号处理技术，广泛应用于电信、声学、遥控等领域。
例如，频率压缩可以使用计数器来实现，通过减小输入信号频率的倍数，将输入信号压缩为较低的频率。
因此，计数器是频率压缩技术的重要组成部分。
同时，计数器还可以用来测量时间和频率。
例如，在钟表和计时器中，计数器能够计算出一个特定的时间或进行频率分析。
实际上，我们可以通过基于计数器的数字时钟来确保时间的准确性和精度。
而频率计可以使用计数器来测量信号的频率，从而快速、准确地分析各种信号的特征。
另外，在音乐合成器中，计数器也有着重要的应用，可以控制不同音调的声音发生器，产生优美的音乐效果。
在硬件设计领域中，计数器也被广泛应用于逻辑控制电路的设计，例如在自
动化控制系统中，计数器可以帮助工程师开发出快速响应和高效控制的系统，提高工业生产效率。
总之，计数器在数字电路中的应用是十分广泛的，不仅可以进行计数和计时，还能实现频率压缩、音乐合成等功能。
作为数字电路中的基本元器件之一，计数器已成为现代科技的不可或缺的一部分。
数字电路与逻辑设计实训课程学习总结基于Verilog的多功能计数器设计与实现
数字电路与逻辑设计实训课程学习总结基于Verilog的多功能计数器设计与实现数字电路与逻辑设计是计算机科学与技术专业的一门重要课程，通过学习这门课程，我深入了解了数字电路与逻辑设计的基本原理和Verilog语言的应用。
在实践中，我通过设计与实现基于Verilog的多功能计数器，不仅巩固了理论知识，而且提高了自己的实践能力和问题解决能力。
首先，在学习数字电路与逻辑设计的过程中，我了解到数字电路是基于二进制运算的电子电路系统，其中包括了门电路、触发器、寄存器等基本组件。
通过对这些组件的学习和理解，我能够准确地分析和设计各种数字电路电子产品。
其次，我学习了Verilog语言的基本语法和使用方法。
Verilog是一种硬件描述语言，可以用来描述数字电路的结构和功能。
通过学习Verilog语言，我可以使用模块化和层次化的设计思路来实现复杂的数字电路功能。
在实践中，我选择了设计和实现一个多功能计数器作为我的项目。
该多功能计数器能够实现多种计数模式，并且能够通过外部输入信号进行控制。
在设计的过程中，我首先进行了功能需求的分析和设计，然后结合Verilog语言的特点，采用模块化设计的思路，将计数器分为了多个子模块，分别实现不同的功能。
最后，我进行了仿真和综合验证，确保设计的正确性和稳定性。
在实现的过程中，我遇到了一些困难和问题，但通过查阅资料和与同学的讨论，我逐渐解决了这些问题。
例如，在设计过程中，我遇到了一些时序逻辑的问题，通过调整时钟信号和状态转移的顺序，最终解决了这些问题。
另外，在测试和验证的过程中，我遇到了一些功能异常的情况，通过对代码的仔细分析和调试，最终找到了问题的源头并进行了修复。
通过这个实训项目，我不仅深入理解了数字电路与逻辑设计的原理，还提高了我的实践能力和问题解决能力。
我学会了如何使用Verilog语言来描述和实现数字电路，如何进行功能需求的分析和设计，如何进行仿真和综合验证。
这对于我今后的学习和工作都具有重要的意义。
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并行进位 同步级联
1
1111
CP
1 × ×× ×
+0 0 0 1
1 × ×× ×
1
CR A B C D
1
CTT
CO
1 CTP 74161(A)
CP
＞CP
QA
QB
LD Q CQ D
1
1
1
CR A CTT
B
CD CO
1 CTP 74161(B) LD
＞CP Q A QB Q CQ D
串行进位 1 异步级联
（1）外引线排列和CT74161相同 （2）置数，计数，保持等功能与CT74161相同
（3）清零功能与CT74161不同 ——采用同步清零方式。 当CR=0时，只有当CP 的上升沿来到时, 输出QDQCQBQA 才被全部清零。
3、集成计数器的计数扩展
例：用74161组成模256计数器。
解：设计思想： • 1片74LS161只能构成模16计数器，模256 = 16×16，所 以可用两片74LS161实现。两片均接成模16计数器并将 两片级联起来，让两个芯片协同工作即可构成模256计 数器 • 片与片之间的连接方式： 并行进位：低位片的进位信号（CO）作为高位片的使能
CR
时序图
LD
d0
d1 d2
d3 CP
CTP CTT
Q0
Q1 Q2
Q3
CO
异步清零 同步 预置
计数
保持
8421BCD码同步加法计数器74160
CTP CTT
LD
D3 D2 D1 ຫໍສະໝຸດ 0 CO74160 CRQ3 Q2 Q1 Q0
清零 CR
0 1 1 1 1
CP
74160的功能表
预置 LD × 0 1 1 1
同步清除： 是当CR=0时，在时钟信号作用下， 实现清除。
74163 4位二进制加法计数（同步清除） 74162 十进制同步计数器（同步清除）
集成同步计数器
74192:双时钟触发的4位十进制同步加/减计数器. 74193: 双时钟触发的4位二进制同步加/减计数器.
74190: 4位十进制同步加/减计数器。 74191: 4位二进制同步加/减计数器。
(一）反馈清零法
例1：分析图示电路的功能
1
CTP CTT
LD
D3 D2 D1 D0
74161
CO
CR
Q3 Q2 Q1 Q0
2 、四位二进制同步计数器——CT74163
CT741631功能表
输
入
CP CR LD CTT CT P
Ф↑
0
Ф
Ф
Ф
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
1
1
0
Ф
Ф
1
1
Ф
0
↑
1
1
1
1
输出
ABCD
QA QB QC QD
ФФФФ 0 0 0 0
AB C D
AB CD
ФФФФ 保 持 ФФФФ 保 持
ФФФФ 计 数
2、四位二进制同步计数器——CT74163
XXXX 计 数
• CR 异步清零（与CP无关）
Q3Q2Q1Q0＝0000
• LD同步并行置数（在CP上升沿时） Q3Q2Q1Q0＝ D3D2D1D0
• CTPCTT=0 保持状态不变 CO=CTTQ0Q1Q2Q3
Q3Q2Q1Q0＝ Q3Q2Q1Q0
• CTPCTT=1 计数
Q3Q2Q1Q0 (CP↑)＝ Q3Q2Q1Q0 ＋ 1
预置数据 输入
输 出
CR LD CTT CTP CP D3D2D1D0 Q3 Q2Q1Q0
0 × × × × ×××× 0 0 0 0
1 0 ××
d3 d2 d1 d0 d3 d2 d1 d0
1 1 0 × × X X X X 保持,CO=0
1 1 1 0 × X X X X 保持,CO保持
1 1 11
CTP CTT
LD
D3 D2 D1 D0
74161
CO
CR
Q3 Q2 Q1 Q0
CP
Q3 ~ Q0:数据输出端 CTP、CTT：使能端，多片级联
2）74161逻辑功能描述
CTP CTT
LD
D3 D2 D1 D0 CO
74161 CR
Q3 Q2 Q1 Q0
CP
74161逻辑功能表
清零 预置 使能
时钟
常用时序逻辑电路：计数器
1. 掌握计数器的基本概念及分类;
2. 学会通过功能表了解计数器的逻辑功能； 3. 灵活运用中规模计数器模块分析设计任 意模计数电路。
一、计数器的概念 计数器 用来计算输入脉冲数目的时序逻辑电路。它是用
电路的不同状态来表示输入脉冲的个数。
电路作用：分频、定时、产生脉冲序列、数字运算等；
计数器的模 计数器所能计算的脉冲数目的最大值
（即电路所能表示状态数目的最大值）
二、计数器的分类 按触发器的翻转次序，分为同步和异步计数器 按进位制，分为模二、模十和任意模计数器 按逻辑功能，分为加法、减法和可逆计数器 按集成度，分为小规模与中规模集成计数器
三、集成同步计数器
介绍:
异步清除：当CR=0时,Q均为0 74161 4位二进制加法计数（异步清除） 74160 十进制同步计数器（异步清除）
信号 （同步级联） 串行进位：低位片的进位信号（CO）作为高位片的时钟
脉冲（异步级联）
• 电路图
1 × ×××
1 × ×× ×
1
CR A B C D
CTT
CO
1 CTP 74161(A)
＞CP
LD Q A QB Q CQ D
CR A B C D
CTT
CO
CTP 74161(B)
1
＞CP
QA
QB
LD Q CQ D
使能
CTT CTP ×× ×× 0× 10 11
时钟 CP × ↑ × × ↑
预置数据输入
D3 D2 D1 D0 ××××
d3 d2 d1 d0 ×××× ×××× ××××
输出
Q3 Q2 Q1 Q0
0000 d3 d2 d1 d0
保持 保持 十进制计数
工作模式
异步清零 同步置数 数据保持 数据保持 加法计数
1. 集成同步计数器74161
Q0
Q1
Q2
Q3
CO
QA
R
IJA
IKA
QB
R
IJB
IKB
QC
R
IJC
IKC
QD
R
IJD
IKD
&
&
&
&
&
&
&
&
&
≥1
≥1
≥1
≥1
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
1
1
1
LD
D0 CR
D1 CP
D2
&
D3
CTP CT T
1、集成同步计数器—74161
1). 逻辑符号
四个J-K触发器构成 D3 ~ D0:数据输入端 CP: 时钟输入, 上升沿有效 CR: 异步清零, 低电平有效 LD: 同步预置，低电平有效
计数状态 : 0000 0000 ～1111 1111
N = 16×16=256
集成计数器可以加适当反馈电路后构成任意 模值M计数器。
通常中规模集成计数器都有清0、置数等多个控制端， 因此实现任意M计数的基本方法有两种：
(一）利用清除端CR的复位法。（反馈清零法）
(二）利用置入控制端LD的置位法。（同步预置法）