【基于74LS163組成100計數器的功能及設計6700字（論文）】

基于74LS163組成100計數器的功能及設計目錄TOC\o"1-3"\h\u105891引言 1247811.1研究目的和意義 2207401.2國內外研究現狀 3150362相關概念研究 452952.1傳統計數器實現方法 4120162.2原理理論 424462374ls163組成100計數器的功能及設計 6103673.174LS163計數器的功能 6293063.2理論分析及進位設計 6180653.2涉及工具 748383.374ls163的計數器電路設計及分析 8307343.3.1邏輯功能表 8159513.3.2芯片特征 8199193.3.374LS163設計模100的計數器的設計思路 8282173.3.4電路仿真圖 9325553.5計數器（74LS163）實現100進制計數器的步驟 963923.6實驗結果問題分析與解決 10153824結語 1115830參考文獻 121引言74LS163儀表是數字邏輯系統的關鍵部件，是數字系統中最常用的時序邏輯電路，主要功能是利用儀表的不同狀態記憶輸入脈沖的個數。此外，它還具有時間、分頻、算術等邏輯功能。該儀表不僅可以用于對時鐘脈沖進行計數，還可以進行分時分頻、產生脈沖脈沖和進行數字運算。除非是更復雜的數字系統，否則幾乎沒有儀表。通常提供N=2n的儀表稱為二進制常數儀表，在一些數字時分頻分系統中，通常需要N≠2n的任意數量的儀表。在設計任何十六進制儀表（計數模塊不是2和10）時，通常可以接受現有的中型集成電路(MSI)芯片并通過適當的反饋來實現。但是，目前市場上最常用的中檔集成電路芯片是十進制計數器和十六進制計數器，實際應用需要二十四和六位十進制計數器，比如數字手表電路。儀表轉換為任意。數計數器。使用74LS163芯片進行適當的連接并生成任意數量的計數。通常使用的方法包括反饋調零法、反饋預置法和級聯法。在任何一個16進制表的設計中使用中型集成表都簡化了設計和調試，具有體積小、功耗低、可靠性高等優點。1.1研究目的和意義時間頻率信號是電子技術及通信領域最重要的信號之一，它具有良好的抗干擾能力，并且可通過多種介質進行合理有效的傳輸。時間是人們日常生活和工作中最常接觸和使用的基本參數，我們的感官接收到的信號。時間信號具有的獨特性質和重要性使得時間測量技術在科學技術發展及工程應用領域中具有不可忽略的意義。工程實際中許多物理量的測量，如懸臂梁的應力大小、速度大小、加速度大小、旋轉軸的轉速測量以及物體的振動變化等。例如工程上經常遇到的旋轉軸的轉速測量，一種行之有效的方法是利用光電式轉速傳感器來進行測量，該傳感器的基本結構由開孔圓盤、光源、縫隙板、光敏原件組成，光源被開孔圓盤周期性的遮擋，利用光敏原件將周期性的光信號轉換為對應頻率的電脈沖信號，通過測量電脈沖信號的頻率就可間接計算出旋轉軸的轉速，該方法將轉速的測量轉化為了脈沖信號頻率量的測量。工程測量中還有許多這樣的例子，即將其他參數量的測量歸結到頻率測量上來。可以看出，頻率測量對于許多工程測量來說是很重要的，因而頻率計被廣泛應用于工業控制、航空航天、國防軍事、工業生產、智能交通運輸、無線通信、電網系統、傳感器、測控及自動化等眾多領域，成為電力電子、自動化及儀器儀表等領域不可或缺的測量與測試儀器。隨著電子、通信等科學領域的不斷發展，對時間測量的要求也越來越高，不同的行業以及不同的應用場景又衍生出了一系列不同的時間頻率測量儀器。一些基于傳統測頻原理的頻率測量儀存在著測量精度低、量程較小等不同方面的缺點，逐漸不能滿足實際工程應用中的測量要求。并且隨著數字集成電路的復雜度逐漸升高，設計一款成熟可靠的芯片所需的投入成本也大幅度增長，日后若要改變芯片的某些功能或升級新的功能，就要對芯片進行重新設計和驗證，周期很長，而可編程器件正好可以克服上述缺點，它既能保證系統的可靠性又便于日后進行維護和升級功能。此外部分的時間頻率測量儀器體積偏大，導致在一些實際測量工作環境中使用時不夠方便、靈活。因此綜合考慮到測量精度、可維護性以及使用方面性的因素，設計一種既能夠保證一定測量精度又便于今后進行改變和升級功能，同時使用起來靈活、方便的頻率測量儀器對于很多實際測量場合是很有必要的。1.2國內外研究現狀隨著信息獲取和信號處理相關技術的不斷進步，如今無論是科學實驗還是工程應用都對時間的測量提出了更高的要求，對于信號時間測量，要求測量儀器的精度更高，穩定性更好。為此，各國的研究者們進行了大量關于時間測量方法和計數器的研究，并在實際的工程應用中取得了一定的進展。美國的科研人員早在20世紀60年代初就研制了第一臺數字化的電子計數器，它的發明大大提高了時間和頻率測量的準確度。從那一時刻起，工作人員們為了能更精確地測量時間頻率，就不斷地研究和開發新的測量儀器，頻率測量儀器通常也稱為頻率計數器。隨著頻率測量方面相關理論的日趨成熟，頻率計數器可以實現的功能越來越多，也越來越強大。頻率測量儀器的發展經歷了從外差及諧振式到數字化，再到多功能及智能化的過程。早期的頻率測量儀器是外差式、諧振式頻率計，國外在20世紀40年代開始有這類外差式、諧振式頻率計產品，我國1955年開始有這類產品。1950年左右國外國外研制出數字式電子計數器，1963年我國電子管式頻率計問世，1965年研制出全晶體管式電子計數器，研制初期測頻上限只到10MHz，此后測頻上限不斷發展，現已有60GHz的微波頻率計。1970年采用集成電路的數字頻率計在我國問世，1981年研制出采用中規模集成電路的電子計數器，隨著大規模集成電路的發展，在1983年基于大規模集成電路的頻率計數器問世。在1970年左右國外已經出現智能化的電子計數器，我國在1978年由多家單位合作研制成計算計數器，到80年代我國已制造出高速的智能化微波計數器。1987年美國的惠普公司研制出測量速度更快并且技術更先進的頻率測量儀器。近年來，隨著測量技術的不斷創新以及工藝水平的提高，頻率計數器也更加智能化、小型化，并且測量精度也越來越高，響應速度越來越快。2相關概念研究2.1傳統計數器實現方法網絡設備中的統計計數器概念由來已久。為了實現多樣的網絡測量、入侵監測、流量工程等網絡應用，網絡設備經常需要以很高的速度維護大量計數器。隨著網絡應用的不斷增加，網絡中流的種類越來越多，針對每條流維護的計數器的整體數量也在不斷增加。最普通的計數器實現方法已經難以滿足目前和未來網絡的需求。特別是，SDN的發展對計數器的實現提出了更加苛刻的需求。OpenFlow規范為了滿足SDN的發展也在不斷擴充計數器類型。因此，國內外的研究人員從二十世紀初開始就在研究計數器的實現方法。在SDN概念提出之前，國內外的研究人員已經開始研究傳統網絡設備(例如.交換機、路由器).上的統計計數器的實現方法。目前主要提出了三類基于硬件優化的傳統計數器實現方法：(1)基于SRAM和DRAM混合架構的實現方法;(2)基于SRAM的實現方法;(3)基于DRAM的實現方法。圖2-1傳統計數器實 現方法總結如圖2-1所示，傳統計數器的實現方法雖然能夠提供很高的更新性能，減少存儲資源開銷，但仍然需要占用大量的存儲資源(SRAM或DRAM)。同時這些純硬件的實現方法靈活性差，每個計數器的定義都有固定專用的計數器存儲器(例如：某條流的字節長度信息會在固定專用的計數器存儲器上統計)，因此很難滿足目前的發展要求。2.2原理理論74LS163是一個很簡單的計數芯片，當CEP和CET接High時，芯片可以正常計數，DO~D3為設置數據輸入端，QA~QD為數據輸出端，置位清零端為電平僅在低電平時打開或關閉。圖2-274LS163原理圖計算是最簡單的基本操作之一。計數器是執行此操作的邏輯電路。在數字系統中，電表主要通過對脈沖數進行計數來實現測量、計數和監控功能，并具有分頻功能。功能和儀表由基本計數單元和一些控件組成。計數部分由具有數據存儲功能的各種觸發器組成。這些激勵器包括RS觸發器、T觸發器、D觸發器和JK激勵器。計數器的種類及作用：(1)根據儀表上的觸發器是否同時轉動，儀表可分為同步儀表和異步儀表兩種。(2)在計數過程中，儀表可分為增量和減量計數器，加減計數器。由時間信號增加的是加計數器和計數器。減號可以減少、增加或減少。這稱為返回儀表。此外，儀表通常根據計數基數分為二進制計數器、十進制計數器等。功能：數字電子中最常用的時序邏輯電路。除了對時鐘脈沖進行計數外，儀表還可以對頻率和時間進行分頻、生成脈沖脈沖、脈沖串和執行數字運算。但是，計算結果不能顯示，通常可以顯示在外部LCD或LED顯示屏上。

374ls163組成100計數器的功能及設計3.174LS163計數器的功能有很多計數器芯片。根據開放時鐘方案分類時：同步表、異步表：根據系統“模塊”分類時：二進制計數器、十進制計數器、按普查方法排序時：加法、減法和可逆性（加/減）如果按照計數芯片型號分類，則更多。例：只有74系列芯片有4位二進制計數器161、163、191、193、197等，十進制計數器有芯片。160、162等。74LSl60的功能說明如下：(1)異步擦除功能。當CR=0時，無論其他輸入是什么，輸出Q3Q2Q1Q0都是000，表中“×”表示任意。(2)同步并聯設定功能。LD為預置數控制端，在CR=1，LD=0的情況下，根據CP的上升沿操作，將預置數據d3d2dld0傳輸到輸出端，即Q3Q2Q1Q0并行。這是d3d2dld0。(3)保持功能。假設CR=1，LD=1，只要TTTP=0，計數器就不會工作，輸出保持不變。(4)計數功能。一般計數時，CR=1，LD=1，TTTP=1，此時計數器根據CP的上升沿操作對CP的個數進行計數。當輸出Q3Q2Q1Q0為1001，C0=1，C0=1時，維護時間為Q3Q2Q1Q0為1001時，直到Q3Q2Q1Q0的狀態發生變化。3.2理論分析及進位設計獲取100進制計數器的常用的方法有兩種:一是用時鐘觸發器和門電路進行設計;二是用集成計數器構成。本題制定用集成芯片74LS163來實現功能，故選用方案二。由于集成計數器是產家生產的定型產品，其函數關系已被固化在芯片中，狀態分配即編碼是不能更改的，而且多為純自然態序編碼，因此僅是利用清零端或置數端控制，讓電路跳過某些狀態而獲得100進制計數器。從74LS163的狀態表可知(如圖一所示)，74LS163的清零和置數均采用同步方式。本次試驗的主要設計理念為:采用數碼管顯示計數數值，個位顯示到9時，下一個上升沿到來時，個位清零，同時向十位進位;同理顯示結果為99時，下一個上升沿到來，則歸零，繼續開始下一輪計數。進位設計：由于74LS163是十六進制計數器，即計滿16個數才能使進位端CO有效，而本題計滿10個數就要進位，所以要給CO一個特定的脈沖，給清零端的脈沖正好能滿足這個要求。即當=1001時，CO得到一個下降沿，=1010時，CO得到一個上升沿，使進位端有效，與此同時，清零端也有效，完美的實現了清零和進位，比如從29到30。3.2涉及工具計數器，觸發器，數碼管。計數器狹義的計數器是指一些常用計時器，例如體育比賽中測試時間的計時器等，但本詞條所要介紹的并不是這種計時器，要介紹的是應用更為廣泛的時序邏輯電路中的計數器。（1）計數器：計數器應用包括通話、短信、數據等類別的記錄，并支持用戶自主選擇清零日期，以及按照類別添加提醒數值，如用戶可以選擇每月任意一天，或者第一天、最后一天作為記錄循環清零日，同時添加通話時長、短信條數、數據流量數量的提醒節點。計數器的應用極為廣泛，不僅能用于計數，還可用于分頻、定時，以及組成各種檢測電路和控制電路。為了使用方便，在有些單片集成計數器上還附加了異步置零、預置數、保持等功能，并設置了相應的控制端。（2）觸發器：觸發器(trigger)是SQLserver提供給程序員和數據分析員來保證數據完整性的一種方法，它是與表事件相關的特殊的存儲過程，它的執行不是由程序調用，也不是手工啟動，而是由事件來觸發，比如當對一個表進行操作(insert，delete，update)時就會激活它執行。觸發器經常用于加強數據的完整性約束和業務規則等。觸發器可以從DBA__TRIGGERS，USER_TRIGGERS數據字典中查到。SQL3的觸發器是一個能由系統自動執行對數據庫修改的語句。觸發器可以查詢其他表，而且可以包含復雜的SQL語句。它們主要用于強制服從復雜的業務規則或要求。例如：您可以根據客戶當前的帳戶狀態，控制是否允許插入新訂單。觸發器也可用于強制引用完整性，以便在多個表中添加、更新或刪除行時，保留在這些表之間所定義的關系。然而，強制引用完整性的最好方法是在相關表中定義主鍵和外鍵約束。如果使用數據庫關系圖，則可以在表之間創建關系以自動創建外鍵約束。觸發器與存儲過程的唯一區別是觸發器不能執行EXECUTE語句調用，而是在用戶執行Transact-SQL語句時自動觸發執行。觸發器的作用：可在寫入數據表前，強制檢驗或轉換數據;觸發器發生錯誤時，異動的結果會被撤銷;部分數據庫管理系統可以針對數據定義語言(DDL)使用觸發器，稱為DDL觸發器;可依照特定的情況，替換異動的指令(INSTEAD0F)。（3）數碼管：數碼管是一種半導體發光器件，其基本單元是發光二極管。數碼管按段數可分為七段數碼管和八段數碼管，八段數碼管比七段數碼管多一個發光二極管單元，也就是多一個小數點(DP)這個小數點可以更精確的表示數碼管想要顯示的內容;按能顯示多少個(8)可分為1位、2位、3位、4位、5位、6位、7位等數碼管。數碼管是顯示屏其中一類，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，會使其發亮，從而顯示出數字能夠顯示時間、日期、溫度等所有可用數字表示的參數。由于它的價格便宜使用簡單在電器特別是家電領域應用極為廣泛，空調、熱水器、冰箱等等。絕大多數熱水器用的都是數碼管，其他家電也用液晶屏與熒光屏。3.374ls163的計數器電路設計及分析3.3.1邏輯功能表表3-174LS163邏輯功能表3.3.2芯片特征74LS163為二進制四位并行輸出的計數器，它有并行裝載輸入和同步清零輸入端。74LS00為四二輸入與非門。74LS20為四輸入與非門。圖3-2芯片圖特征3.3.374LS163設計模100的計數器的設計思路用兩個模為10的計數器構成模為100的計數器。模為10的計數器實現方法：用一個與非門，兩個輸入取自QA和QD，輸出接清零段CLR。當第9個脈沖結束時，QA和QD都為“1”，則與非門輸出為“0”，并加到CLR端，因CLR為同步清零端，此時雖已建立清零信號，但并不執行，只有第10個時鐘脈沖到來后74LS163才被清零。3.3.4電路仿真圖圖3-374ls163設計100計數器電路仿真圖3.5計數器（74LS163）實現100進制計數器的步驟方法一：先用兩片74LS163采用并行進位法構成256進制計數器，然后再用“同步置數”法構成100進制計數器。（如圖3-4）圖3-4若使用反饋置數法，由于74LS163為同步置數，所以用“99”作為反饋狀態。方法二：通過串行進位的方法構成256進制計數器，再用“同步置數”法構成100進制計數器。（如圖3-5）圖3-5方法三：當M可分解成N，和N，時，可將兩個計數器分別接成N，進制計數器和N，進制計數器，然后再將兩個計數器級聯起來。因此，100進制計數器可由兩個10進制計數器級聯而成。（如圖3-6）圖3-63.6實驗結果問題分析與解決（1）設計結果：該設計可以實現0到99循環計數。（2）設計問題：一開始設計時，只簡單完成了2個10位計數器功能，以至于沒有考慮到十位清零問題，做出來的是90進制的計數器。（3）解決方法：將十位163芯片的ENT引腳與QA和Qp一起通過與非門接到CLR，這樣當計數器到99時就會給CLR一個低電平，使十位清零。（4）能實現0到99任意置數并計數。缺點是所用芯片較多，連線復雜。

4結語74LS163是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器，他可以靈活的運用在各種數字電路，以及單片機系統種實現分頻器等很多重要的功能。基于TTL芯片74LS163,利用芯片級聯設計并實現一個100進制計數器的邏輯功能，通過電路的仿真和數電實驗想進行硬件驗證，進一步了解計數器的特征及功能。通過對100進制計數器的設計使我將以前所學的理論知識運用到實際中去，使用軟件進行仿真，使我找到了很多以前沒有完全理解的知識，為了更方便準確地對實際應用中的頻率信號實現測量，針對現有的通用頻率計數器設備復雜、價格昂貴、實際測量使用不便攜的問題，達到了較高的精度，并且符合儀器小型化、便攜的要求。本文設計的頻率測量系統采用等精度法作為測量原理，采用FPGA(現場可編程門陣列)系統結構，FPGA部分實現高速的頻率測量計數，最后對計算出的被測頻率值進行實時地液晶顯示。經過實際測量驗證，使74ls1