Исследование асинхронных счетчиков и регистров в среде NI Multisim 10.1

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 
 
 
 
 
В. А. Соболев, А. Б. Красовский 
 
 
 
Исследование асинхронных счетчиков  
и регистров в среде NI Multisim 10.1 
 
 
Методические указания к практическому занятию  
по курсу «Электротехника и электроника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 

УДК 621.38 
ББК 32.973 
 С54 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/72/book706.html 
Факультет «Фундаментальные науки» 
Кафедра «Электротехника и промышленная электроника» 
 
Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве методических указаний 
 
Рецензент  
д-р техн. наук, профессор В. Н. Енин  
С54 
Соболев, В. А. 
Исследование асинхронных счетчиков и регистров в среде NI Multisim 
10.1 : методические указания к практическому занятию по курсу «Электротехника и электроника» / В. А. Соболев, А. Б. Красовский. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 36, [4] c. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4054-2 
Изложены основные схемотехнические решения, используемые при построении 
асинхронных суммирующих, вычитающих и реверсивных счетчиков на различных 
типах триггеров и регистров с последовательным входом и параллельным выходом 
информации, параллельным входом и последовательным выходом информации. Приведено краткое описание компьютерной программы NI Multisim 10.1 и основные теоретические сведения по построению этих цифровых устройств. 
Для студентов, обучающихся по программам подготовки бакалавров и специалистов факультета «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана, изучающих дисциплину «Электротехника и электроника». 
 
УДК 621.38 
ББК 32.973 
 
 
 
 
 
 
 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4054-2 
 
          МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 
 
2 

Предисловие 
Асинхронные счетчики и регистры, относящиеся к группе последовательностных цифровых устройств, широко используются в различных устройствах 
управления и обработки информации.  
Основным элементом асинхронных счетчиков и регистров является триггер.  
Триггер — электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями, 
переключаемое внешними управляющими импульсами. Режим работы триггера описывается характеристическим уравнением. 
Асинхронный счетчик — цифровое устройство, синтезированное на 
триггерах и логических элементах, для счета и запоминания числа поступивших на его вход импульсов. В асинхронных счетчиках переключение триггеров происходит последовательно (асинхронно). Они могут работать в суммирующем, вычитающем и реверсивном режимах, а кроме того, в режиме 
делителя частоты. 
Делитель частоты — устройство, которое при подаче на его вход периодической последовательности прямоугольных импульсов формирует на 
его выходе такую же последовательность импульсов, но имеющую частоту 
повторения импульсов, в некоторое число раз меньшую, чем частота исходного входного сигнала. 
Регистр — цифровое устройство, осуществляющее хранение, преобразование и выдачу поступившей числовой информации в определенном коде и 
последовательности, синтезированное также на триггерах и логических элементах.  
Регистры различаются по принципу работы, способу ввода-вывода информационных сигналов — последовательного, параллельного и смешанного 
типов. Регистры с последовательным вводом и параллельным выводом информации называют SIPO (Serial Input — Parallel Output), а с параллельным 
вводом и последовательным выводом информации — PISO (Parallel Input — 
Serial Input). Возможны и другие комбинации типов входов и выходов.  
Цель практического занятия — изучение режимов работы JK-триггера, 
различных типов асинхронных счетчиков и регистров с использованием программной среды NI Multisim 10.1.  
 
3

 
Краткие сведения о компьютерной среде  
NI Multisim 10.1 
Компьютерный программный продукт NI Multisim 10.1, разработанный 
корпорацией National Instruments (NI), позволяет анализировать различные 
схемы электротехнических устройств, в том числе и цифровых в формате 
SPICE, что очень важно, поскольку моделирование проводится на близкой к 
реальной элементной базе. В свою очередь, элементная база продукта позволяет реализовывать большое количество электротехнических и электронных 
устройств с имитацией работы реальных приборов. 
Запуск программы NI Multisim 10.1 осуществляется с рабочего стола 
компьютера с помощью установленного там ее ярлыка. После запуска появляется главное окно программы, в котором собирается исследуемая расчетная 
схема из требуемых элементов (компонентов), расположенных в разных разделах библиотеки программы (базы данных). Внешний вид панели библиотеки показан на рис. 1. 
 
 
 
Рис. 1. Панель элементов Components 
 
Библиотека содержит 16 разделов:  
Sources (1) — группа источников напряжения, генераторов напряжения, заземление; 
Analog (2) — группа аналоговых интегральных микросхем; 
Basic (3) — группа пассивных элементов, переключателей и реле;  
Transistor (4) — группа биполярных и полевых транзисторов; 
Diode (5) — группа различных диодов, тиристоров и выпрямительных 
мостов; 
Power (6) — группа преобразователей напряжения, стабилитронов и 
предохранителей; 
TTL (7) — группа логических элементов серии ТТЛ1; 
CMOS (8) — группа логических элементов и микросхем серии КМОП2; 
                                                          
 
1 Транзисторно-транзисторная логика. 
2 Комплементарный металлооксидный полупроводник.  
 
4

Electromechanical (9) — группа электромеханических устройств; 
Indicator (10) — группа индикаторных и измерительных устройств 
(пробники, индикаторы, амперметры и вольтметры);  
Place Miscellaneous (11) — группа смешанных элементов (электронные 
лампы, фильтры, длинные линии); 
Place Misc Digital (12) — группа различных микросхем высокой степени 
интеграции (триггеры, регистры, счетчики, элементы памяти, микропроцессоры, логические интегральные схемы); 
Place Mixed (13) — группа микросхем смешанного типа; 
RF (14) — группа радиочастотных элементов (высокочастотные конденсаторы и катушки индуктивности, волноводы, СВЧ-транзисторы, туннельные диоды); 
Advanced Peripherals (15) — группа современных периферийных 
устройств (набор клавиш, жидкокристаллические индикаторы); 
MCU Module (16) — группа микроконтроллеров. 
Любой раздел библиотеки открывается при нажатии соответствующего 
значка на панели, после чего в рабочем окне появляется меню выбора элементов (Select Component). Выбрав необходимый элемент для его размещения в рабочем окне, надо нажать кнопку ОК.  
Процесс синтеза схемы начинается с размещения в рабочем окне программы 
нужных компонентов и приборов из библиотеки на панели инструментов с последующим их соединением «проводниками» между собой. Изменение расположения элементов схемы осуществляется стандартным приемом их перетаскивания внутри рабочего окна. 
После того как схема собрана, процесс моделирования начинается с 
нажатия кнопки «Пуск» (см. рис. 1), а остановка моделирования — нажатием 
кнопки «Стоп». Чтобы удалить линию соединения между элементами схемы, 
нужно щелкнуть на ней правой клавишей мыши (на концах этой линии появятся квадратики) и затем нажать клавишу Delete. Для поворота или разворота элемента его нужно выделить, открыть раздел меню Edit и выбрать нужное действие. 
Задания и порядок выполнения работы  
Задание 1. Исследовать полную таблицу переходов JK-триггера, вывести его характеристические уравнения.  
1.1. Запустить программу Multisim 10.1. В рабочем окне программы собрать схему, показанную на рис. 2. Источник питания VDD, заземление GND 
находятся в разделе Sources; ключ — в разделе Basic / SWITCH / тип SPST; 
JK-триггер — в разделе Place Misc Digital; индикатор Х1 — в разделе Indicator / PROBE. 
JK-триггер принимает входную информацию при поступлении переднего фронта синхроимпульса на вход CLK (синхронизация по перепаду 
напряжения от 0 к 1
), т. е. при замыкании ключа КС. В табл. 1 буква Р 
означает, что данный контакт разомкнут. 
1.2. Включить процесс моделирования. Проведя последовательные переключения ключами KJ и KK, заполнить таблицу переходов JK-триггера по 
 
5

показаниям индикатора Х1 (прямой выход триггера) и определить режимы 
его работы. 
 
Таблица 1 
Последовательность переходов JK-триггера 
КС 
KS 
KR 
Jt 
Kt 
Qt 
Qt+1 
Режим 
 
Р 
Р 
0 
0 
0 
 
 
Р 
Р 
0 
0 
1 
 
 
 
Р 
Р 
0 
1 
0 
 
 
Р 
Р 
0 
1 
1 
 
 
 
Р 
Р 
1 
0 
0 
 
 
Р 
Р 
1 
0 
1 
 
 
 
Р 
Р 
1 
1 
0 
 
 
Р 
Р 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 
Рис. 2. Схема исследования режимов работы JK-триггера 
 
 
1.3. С помощью устройства Logic Converter получить выражение для характеристического уравнения JK-триггера, считая Jt, Kt и Qt переменными, а 
Qt+1 — логической функцией этих переменных. 
1.4. Повторить моделирование аналогично п. 1.2 с поочередно замкнутыми ключами KS и KK, т. е. составить две таблицы переходов триггера 
(табл. 2, 3) при KS — З (замкнут), KR — Р (разомкнут) и наоборот: KS — 
Р (разомкнут), KR — З (замкнут). 
 
6

Таблица 2 
Последовательность переходов JK-триггера 
КС 
KS 
KR 
Jt 
Kt 
Qt 
Qt+1 
Режим 
 
З 
Р 
0 
0 
0 
 
 
З 
Р 
0 
0 
1 
 
 
 
З 
Р 
0 
1 
0 
 
 
З 
Р 
0 
1 
1 
 
 
 
З 
Р 
1 
0 
0 
 
 
З 
Р 
1 
0 
1 
 
 
 
З 
Р 
1 
1 
0 
 
 
З 
Р 
1 
1 
1 
 
 
 
Таблица 3 
Последовательность переходов JK-триггера 
КС 
KS 
KR 
Jt 
Kt 
Qt 
Qt+1 
Режим 
 
Р 
З 
0 
0 
0 
 
 
Р 
З 
0 
0 
1 
 
 
 
Р 
З 
0 
1 
0 
 
 
Р 
З 
0 
1 
1 
 
 
 
Р 
З 
1 
0 
0 
 
 
Р 
З 
1 
0 
1 
 
 
 
Р 
З 
1 
1 
0 
 
 
Р 
З 
1 
1 
1 
 
 
 
1.5. Отчет по заданию 1 должен содержать:  
• цель задания, копию экрана (PrtScr) исследуемой схемы, таблицы переходов, полученные по п. 1.2 и 1.4; 
• описание используемого триггера, назначение всех его выводов, способы установки его в начальное состояние; 
• характеристическое уравнение; 
• определение по таблице переходов условия работы JK-триггера в режиме Т- триггера; 
• выводы по режимам работы триггера.  
 
Задание 2. Исследовать режимы работы асинхронного четырехразрядного реверсивного счетчика на Т-триггерах. 
2.1. Открыть новый лист моделирования в рабочем окне программы. Для 
этого остановить моделирование по предыдущему заданию и нажать кнопку 
New на панели Меню.  
2.2. В разделе Place Misc Digital найти T_FF-триггер, элементы NAND и 
AND_OR_I. Разместить их в рабочем окне программы. На панели инструментов найти функциональный генератор XFG1 (Function Generation). В 
разделе Indicator выбрать элемент DCD HEX, а также найти элементы 
 
7

NAND и AND_OR_I. Собрать схему реверсивного асинхронного счетчика с 
модулем счета 16 согласно рис. 3. Параметры генератора XFG1 установить 
в соответствии с рис. 4. Включить моделирование и убедиться, что счетчик 
функционирует. Направление счета изменять переключением двухпозиционного ключа К. 
2.3. Открыть новый лист моделирования в рабочем окне программы. Для 
этого остановить моделирование по предыдущему заданию и нажать кнопку 
New на панели Меню. Скопировать предыдущую схему во вновь открывшемся рабочем окне. Дополнить предыдущую схему логическими элементами в 
соответствии с рис. 5.  
2.4. Установить ключи в следующие положения: ключ К на режим суммирования, К1-Р (разомкнут). 
Включить моделирование: 
• убедиться, что счетчик работает в режиме остановки счета; 
• замкнуть, а потом разомкнуть ключ К. Убедиться, что счетчик вновь заработал в режиме счета с остановкой счета; 
• остановить моделирование. 
 
 
 
Рис. 3. Схема исследования режимов работы реверсивного асинхронного счетчика 
 
8

 
 
Рис. 4. Диалоговое окно установки параметров генератора XFG1 
 
 
 
Рис. 5. Схема исследования режимов работы реверсивного асинхронного счетчика  
с остановкой счета 
 
9

2.5. Переключить ключ К на режим вычитания, включить моделирование:  
• определить, на какой цифре остановится счет; 
• замкнуть, а потом разомкнуть ключ К3. Убедиться, что счетчик вновь 
заработал в режиме счета с остановкой счета. 
2.6. По результатам проведенных исследований определить принцип работы асинхронного счетчика с остановкой счета. 
2.7. Сделать необходимые переключения в схеме, чтобы счетчик останавливал счет в режиме суммирования на цифре 7. Данный режим работы 
показать преподавателю. 
2.8. Открыть новый лист моделирования в рабочем окне программы. 
Для этого остановить моделирование по предыдущему заданию и нажать 
кнопку New на панели Меню. Скопировать схему (см. рис. 3). Во вновь 
открывшемся рабочем окне расположить дешифратор DCD4TO16, который находится в разделе Place Misc Digital (рис. 6). 
 
 
Рис. 6. Исходная схема для синтеза асинхронного счетчика с ограничением счета с 
помощью дешифратора 
 
2.9. Провести необходимые соединения, чтобы счетчик работал в суммирующем режиме с ограничением счета до 10. Работу счетчика показать преподавателю. 
2.10. Отчет по заданию 2 должен содержать:  
• цель задания, PrtScr исследуемых схем;  
• выводы по заданию — описание принципа построения асинхронного реверсивного счетчика, а также способов изменения модуля счета и режимов работы. 
 
10