数电实验:．试用74HC161与门电路连接成六十进制计数器，并用数码管显示0~59六十个数。

<think>嗯，用户需要设计一个六十进制的计数器，用74HC161和门电路，还要用数码管显示0到59。首先，我得回忆一下74HC161的功能。它是一个4位二进制同步计数器，可以同步预置数，有异步清零功能。最大计数是16，所以如果要做六十进制的话，可能需要两片74HC161级联，一片作为个位，一片作为十位。 那六十进制的话，个位是十进制，十位是六进制？不对，通常六十进制是0-59，所以十位应该是0-5，也就是六进制，而个位是0-9十进制。所以可能需要个位的计数器是十进制，十位的是六进制。这时候需要考虑如何级联两片161。个位的计数器每计到9（1001）的时候，产生一个进位信号给十位的时钟。或者，因为161是同步计数器，可能要用异步的方式级联？或者同步级联？需要确认161的级联方式。通常同步级联的话，高位片的时钟和低位片的时钟是同一个，而进位信号作为高位片的使能信号。比如，当低位片计到最大值时，进位输出会触发高位片加一。这样的话，个位可能设计成十进制，十位设计成六进制，整体构成60进制。 接下来，个位的十进制如何实现？74HC161是十六进制计数器，所以要让它从0到9循环。当计到9时，下一个时钟脉冲需要复位到0。这时候可以用同步预置数，当检测到个位为9（即1001）时，下一个时钟上升沿时，将预置数设为0000。或者用异步清零，但异步清零可能在计到10（1010）的时候瞬间清零，可能会有毛刺。但74HC161的清零是同步还是异步呢？需要查数据手册。记得74HC161的MR（异步清零）是低电平有效，当MR置低时立即清零，所以如果用于十进制的话，当计数到10（1010）时，通过门电路检测到1010的状态，产生低电平给MR，这样计数器会立即清零，但这样可能会有短暂的1010状态出现，导致数码管显示异常。因此，可能更好的方法是使用同步预置，当计数到9时，置数端有效，下一个时钟周期将计数器置为0。这样的话，需要将预置数D3-D0设为0000，并在计数到9时激活LD（Load）信号。 所以，个位的设计是：当Q3Q2Q1Q0=1001时，LD信号有效，预置数0000，这样下一个时钟上升沿就会置入0，实现0-9循环。 然后是十位的六进制。十位计数器需要从0到5循环。同样，用另一个74HC161。当十位计到5（0101）时，需要复位到0。同样，可以用同步预置或异步清零。同样的问题，异步清零可能会有毛刺，所以可能还是用同步预置。当Q2Q0=1（因为5是0101，所以Q2和Q0为高）时，触发LD信号，预置数为0000，这样在下一个时钟，十位回到0。但需要正确检测到5的状态，即Q2和Q0为高，其他为低。所以用与门连接Q2和Q0，当两者都为高时，输出高电平，通过非门取反后接到LD端？或者直接连接到LD的非？或者需要用组合逻辑。例如，当十位的计数器到达5（0101）时，LD有效，所以检测Q2和Q0为高，其他为低。可以用与门连接Q2、Q0，同时Q3、Q1为低，所以需要Q3'、Q2、Q1'、Q0，用与门将这四个信号连接起来。即当Q3=0，Q2=1，Q1=0，Q0=1时，与门输出高，触发LD，这样预置数到0。 同时，级联的方式需要考虑进位。个位的进位信号应该在计到9时产生，作为十位的时钟使能。因为当个位计到9时，下一个时钟脉冲会让个位回到0，同时十位加1。但74HC161的进位信号（TC）是在计到15（1111）时才会输出高电平，所以如果个位只到9的话，TC不会触发。因此，可能需要手动生成个位的进位信号。当个位计到9时，产生一个高电平信号，作为十位的时钟使能（CE）。因此，十位的CE引脚连接到个位产生的进位信号。而十位的时钟和个位是同一个时钟源，但只有当个位的进位有效时，十位才会计数。 这样，个位和十位的时钟是同一个，十位的CE由个位的进位控制。当个位计到9时，进位信号变高，下一个时钟上升沿，十位加1，同时个位回到0。这样，十位每计到5时，需要复位到0，同时整体计数器在十位5和个位9时，下一个计数应该复位到00。这时候，可能需要同时检测十位5和个位9的情况，并在此时将两片计数器都清零或者预置。 不过，六十进制的终止点是59，也就是十位5，个位9。当计数到59时，下一个时钟应该回到00。这时候，需要检测十位的5和个位的9，然后产生一个复位信号，将两片161同时复位。或者，让十位在计到5时，同时检测个位是否为9，这时候可能有问题，因为十位的5是在个位9的下一个时钟才会出现。或者，当个位从9变为0时，十位加1，所以当十位是5，个位是9时，下一个时钟到来时，十位会变成6，而个位变成0，但我们需要在十位变成6之前将其复位。因此，可能需要在计数到59时，即十位5，个位9，产生一个复位信号，让两片计数器在下一个时钟周期复位。但74HC161的复位是异步的，当MR置低时立即复位，所以当检测到59时，立即复位，这样可能在59之后直接跳变到00，而不会出现60的瞬间。不过，这里可能存在竞争冒险，需要确保复位信号在时钟上升沿之前有效。 因此，具体步骤可能是： 1. 个位计数器配置为十进制，使用同步预置法，当Q3Q0=1（1001）时，LD有效，预置为0000。 2. 十位计数器配置为六进制，同样当Q2Q0=1（0101）时，LD有效，预置为0000。 3. 个位的进位信号在计到9时产生，作为十位的CE输入，这样十位在个位满9时加1。 4. 同时，当十位计到5且个位计到9时，产生一个全局复位信号，将两片计数器同时复位到0，以确保60进制。或者，可能不需要，因为十位在计到5后，当下一个进位到来时，十位会试图增加到6，但此时十位被预置为0。因此，可能不需要全局复位，而是每个计数器各自处理自己的模数。 但这样的话，当十位计到5后，下一次进位时，十位会被预置为0，所以当个位从9到0，进位信号触发十位加1，但十位在此时如果检测到5的状态，会触发预置，所以十位不会到6，而是回到0。因此，可能不需要额外的全局复位，只要十位正确配置为六进制，个位为十进制，级联起来就是60进制。 现在需要确认这种级联方式是否正确。例如，个位0-9，每次到9时进位，十位加1。十位0-5，每次到5时，在下一个进位信号到来时，十位会被预置为0。所以当十位是5，个位是9时，下一个时钟到来，个位变为0，进位信号触发十位加1，十位从5变为6，但此时十位的计数器检测到6（0110）吗？或者，十位的预置条件是当计到5（0101）时，所以当十位从5变为6时，预置条件不再满足，无法预置。这时候十位会显示6，而不会被复位，导致错误。这说明之前的思路有问题，因为十位的预置应该在计到5时，但进位是在个位9时触发十位加1，所以当十位是5时，个位9的进位会让十位变为6，而十位的预置条件只在计到5时触发，无法处理6的情况。因此，这种设计会导致十位变成6，无法正确回到0。 这说明需要另一种方法。可能应该在十位计数器计到5时，同时检测个位是否为9，然后产生一个复位信号，让两片计数器同时复位。或者，将十位设计成模6计数器，当它计到5时，下一个进位让它回到0，而不是通过预置。但如何确保在十位计到5时，当下一个进位到来时，十位回到0？ 或许正确的做法是：十位计数器应该是一个模6计数器，即计数到5后，下一个时钟脉冲回到0。而个位是模10。级联后，当十位到5且个位到9时，下一个时钟脉冲，个位回到0，十位回到0。因此，需要检测59的状态，并产生一个复位信号，同时复位两个计数器。 但74HC161的异步清零是低电平有效，所以当检测到59时，即十位的Q2Q0=1（0101）和个位的Q3Q0=1（1001），可以用一个与门连接十位的Q2、Q0和个位的Q3、Q0，当这四个信号都为高时，输出低电平到两片161的MR引脚，使其异步清零。这样，当计数到59时，立即复位到00，而不会出现60。但需要注意，此时计数器会短暂显示59，然后立即变为00，这可能不会影响数码管，因为人眼可能无法察觉。不过异步清零可能会导致毛刺，需要检查是否可行。 另一种方法是同步复位，但74HC161的MR是异步的，所以无法同步。因此，可能只能使用异步复位。但需要确保在时钟上升沿到来时，MR信号已经稳定，否则可能导致不可预测的行为。因此，在计数到59时，立即复位，可能在时钟上升沿的同时，MR被拉低，导致计数器复位。 因此，具体步骤： 1. 个位计数器配置为十进制，使用同步预置法，当Q3Q0=1（1001）时，LD有效，下个时钟置0。 2. 十位计数器同样配置为十进制，但需要限制到5。可以使用同步预置，当十位计到5（0101）时，LD有效，下个时钟置0。但十位的进位信号应该来自个位的进位，即个位到9时，进位信号触发十位加1。所以十位的CE由个位的进位控制。 3. 当十位计到5，且个位计到9时，下一个时钟到来时，十位会试图加1到6，但此时需要让整个系统复位到00。因此，可以在此时检测十位5和个位9，用与门连接十位的Q2、Q0（0101）和个位的Q3、Q0（1001），当这四个信号都为高时，输出低电平到两片161的MR引脚，进行异步清零。这样，当计数到59时，下一个时钟脉冲到来，两片计数器会被清零，从而显示00。 但这样可能存在一个问题：当计数器到达59时，MR被拉低，立即清零，而不管时钟的状态。因此，如果检测到59，MR立即生效，计数器变为00，而不需要等待下一个时钟脉冲。这会导致计数器的周期变为59个时钟，而不是60个，因为59会被立即清零。因此，正确的做法应该是在计数到59时，等待下一个时钟脉冲到来时，才执行清零或置位操作，以确保完整的60个计数周期（0到59）。 因此，可能需要使用同步的方法，在计数到59时，在下一个时钟脉冲到来时，将两片计数器置零。但74HC161的MR是异步的，无法同步，因此可能需要在计数到59时，生成一个信号，连接到LD端，将两片计数器的预置数设为0000，并在下一个时钟脉冲时同时加载。 不过，这样需要两片计数器的LD端同时被触发，且预置数为0。因此，当检测到十位5（0101）和个位9（1001）时，生成一个高电平信号，连接到两片161的LD端，同时将两片的预置数D3-D0设为0000。这样，在下一个时钟上升沿，两片计数器都会加载0，从而实现从59到00的转换。 因此，具体步骤： 1. 个位计数器：74HC161，配置为十进制，通过同步预置。当Q3Q2Q1Q0=1001（9）时，LD=0，预置数为0000，下一个时钟置0。 2. 十位计数器：74HC161，其CE由个位的进位信号控制。个位的进位信号在计到9时产生（当Q3Q0=1时），通过一个与门检测Q3和Q0，连接到十位的CE。 3. 十位计数器配置为六进制：当十位计到5（0101）时，需要在下个时钟置0。但十位的计数是由个位的进位触发的，所以当十位计到5后，个位计到9时，十位会加1到6，但我们需要十位在此时回到0。因此，当十位计到5，并且个位计到9时，生成一个信号，同时将两片计数器的LD置为有效，预置数为0，这样在下一个时钟上升沿，两片都置0。 因此，需要设计一个组合逻辑电路，当十位的Q2Q0=1（0101）且个位的Q3Q0=1（1001）时，输出高电平，连接到两片161的LD端，同时两片的预置数D3-D0都接低电平。这样，当检测到59时，下一个时钟到来时，两片同时加载0，实现60进制。 这样，个位和十位各自的预置条件仅在它们自己的计数达到9或5时，但在59时，通过额外的逻辑强制两片同时置0。这可能更可靠。 总结步骤： - 个位计数器：接成十进制，当Q3Q0=1时，LD=0，预置0。 - 十位计数器：接成十进制，CE由个位的进位控制（个位Q3Q0=1时，进位信号有效）。 - 检测十位Q2Q0和个位Q3Q0，当四个信号都为1时（即59），与门输出高，连接到两片的LD端，预置数为0，这样在下一个时钟，两片同时置0。 这样，当计数到59时，下一个时钟到来，两片都置0，实现60进制。 最后，数码管的连接：个位和十位的输出分别接到两个七段数码管的译码器（如74HC48或74LS47），然后驱动数码管显示0-59。 需要注意的是，数码管的译码器需要正确的BCD输入，所以个位和十位的计数器输出直接连接到译码器即可，因为个位是0-9，十位是0-5，都是BCD码范围内的。 可能还需要检查是否需要在十位计数器中使用到Q3，但十位最大是5，即0101，所以Q3始终为0，可以忽略。 因此，最终的电路连接步骤： 1. 连接个位74HC161为十进制计数器： - 时钟输入接外部时钟信号。 - D3-D0接GND（预置数0000）。 - 当Q3和Q0同时为高时（1001），通过与门连接到LD，使其加载预置数0。 - 进位信号（TC）在计到9时由Q3Q0的与门产生，连接到十位的CE。 2. 连接十位74HC161： - 时钟接同一个外部时钟。 - CE接个位的进位信号。 - D3-D0接GND（预置数0000）。 - 当十位计到5（Q2Q0=1），并且个位计到9（Q3Q0=1），通过一个四输入的与门（十位Q2、Q0，个位Q3、Q0）连接到两片的LD端，使它们在下个时钟加载0。 这样，当计数到59时，四输入与门输出高电平，两片的LD有效，下一个时钟周期，两片都变为0，实现60进制计数。 最后，数码管显示部分：个位和十位的输出分别接到BCD到七段译码器，驱动数码管。十位的数码管只需要显示0-5，所以其高位Q3始终为0，不影响显示。 需要验证是否存在竞争冒险，尤其是在检测59时的信号是否足够稳定，以确保LD信号在时钟上升沿时有效。可能需要使用同步电路，比如将检测到的59信号通过D触发器同步到时钟域，避免亚稳态。但如果是教学实验，可能可以简化，直接使用组合逻辑。 综上，这就是设计六十进制计数器的步骤，使用两片74HC161和门电路，结合数码管显示。</think>以下是使用74HC161和门电路设计六十进制计数器并驱动数码管的步骤详解： --- ### **一、设计分析** 1. **六十进制分解**：需实现**0~59**循环计数，分解为**个位（十进制）**和**十位（六进制）**。 2. **芯片选择**： - **74HC161**：4位二进制同步计数器，支持同步置数、异步清零。 - **门电路**：用于生成进位和复位逻辑。 - **数码管**：需配合BCD-7段译码器（如74HC48/74LS47）显示数字。 --- ### **二、个位计数器设计（十进制）** 1. **目标**：实现0~9循环。 2. **实现方法**： - **同步置数法**：当计数到9（`1001`）时，触发`LD`端，预置数为`0000`。 - **逻辑电路**： - 检测`Q3`和`Q0`同时为高电平（`Q3·Q0=1`）。 - 通过**与门**连接`Q3`和`Q0`，输出接`LD`端。 - **进位信号**：个位到9时，输出进位信号（`TC=Q3·Q0`），作为十位的使能信号（`CE`）。 **电路连接**： $$ \text{个位} LD = Q_3 \cdot Q_0 \\ \text{进位} TC = Q_3 \cdot Q_0 $$ --- ### **三、十位计数器设计（六进制）** 1. **目标**：实现0~5循环。 2. **实现方法**： - **同步置数法**：当计数到5（`0101`）时，触发`LD`端，预置数为`0000`。 - **逻辑电路**： - 检测`Q2`和`Q0`同时为高电平（`Q2·Q0=1`）。 - 通过**与门**连接`Q2`和`Q0`，输出接`LD`端。 - **使能控制**：十位的`CE`由个位的进位信号（`TC`）控制。 **电路连接**： $$ \text{十位} LD = Q_2 \cdot Q_0 $$ --- ### **四、全局复位逻辑（60进制控制）** 1. **问题**：当十位为5（`0101`）、个位为9（`1001`）时，需在下一时钟复位到`00`。 2. **实现方法**： - **与门组合逻辑**：检测十位`Q2·Q0`和个位`Q3·Q0`同时为高电平。 - **复位信号**：输出低电平至两片74HC161的`MR`（异步清零端）。 **逻辑表达式**： $$ MR = \overline{(十位Q_2 \cdot 十位Q_0 \cdot 个位Q_3 \cdot 个位Q_0)} $$ --- ### **五、级联与时钟连接** 1. **时钟同步**：两片74HC161共用同一时钟信号。 2. **使能控制**： - 个位始终使能（`CEP=CET=1`）。 - 十位的`CEP`和`CET`由个位进位信号（`TC`）控制。 **电路连接**： $$ \text{十位} CEP = CET = \text{个位} TC $$ --- ### **六、数码管显示** 1. **译码器连接**： - 个位和十位的输出（`Q3~Q0`）分别接入BCD-7段译码器。 - 译码器输出驱动共阴极或共阳极数码管。 2. **限流电阻**：在译码器与数码管间串联220Ω电阻。 --- ### **七、完整电路图** ``` +----------------+ +----------------+ | 个位74HC161 | | 十位74HC161 | CLK ----|> CP | CLK --|> CP | | | | | MR ----|MR Q3-|----[&]---|MR Q2-|--+ | Q0-|--+ | Q0-|--|-+ | | | | | | | | D3~D0=0000 | | | D3~D0=0000 | | | +----------------+ | +----------------+ | | | | | +------------[&]------------+-+ | +--[反相器]--> 两片MR ``` --- ### **八、注意事项** 1. **异步清零的稳定性**：复位信号需确保在时钟上升沿前稳定，避免竞争冒险。 2. **译码器匹配**：确认数码管类型（共阴/共阳）与译码器输出极性一致。 3. **信号延迟**：门电路延迟可能导致计数异常，需尽量缩短逻辑路径。 通过以上步骤，可实现0~59的六十进制计数器，并通过数码管稳定显示。