數(shù)字電路課程課件：第6章_2 計數(shù)器

1、6.3.2 計數(shù)器在數(shù)字電路中，把記憶輸入CLK脈沖個數(shù)的操作叫做計數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計數(shù)操作的電子電路稱為計數(shù)器。 計數(shù)器是種類最多、應(yīng)用最廣、最典型的時序電路。 用于計數(shù)、分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等分類：按時鐘引入方式分-同步、異步按計數(shù)過程中數(shù)字增減分-加法、減法和可逆計數(shù)器按計數(shù)器中的數(shù)字編碼分-二進制、二-十進制和循環(huán)碼按計數(shù)容量分-十進制，六十進制一、同步計數(shù)器1、同步二進制計數(shù)器同步二進制加法計數(shù)器原理：根據(jù)二進制加法運算規(guī)則可知：在多位二進制數(shù)末位加1，若第i位以下皆為1時，則第i位應(yīng)翻轉(zhuǎn)。由此得出規(guī)律，若用T觸發(fā)器構(gòu)成計數(shù)器，則第i位觸發(fā)器輸入端Ti的邏輯式應(yīng)為：用T觸發(fā)器構(gòu)成的同

2、步二進制加法計數(shù)器驅(qū)動方程狀態(tài)方程輸出方程根據(jù)狀態(tài)方程和輸出方程可得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16000000001111111100000111100001111000110011001100110010101010101010100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415000000000000000010計數(shù)順序 等效 十進制數(shù)進位輸出 電 路 狀 態(tài)4位同步二進制加法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時序圖4位同步二進制加法計數(shù)器每輸入16個計數(shù)脈沖計數(shù)器工作一個循環(huán)，所以為十六進制計數(shù)器（模16的計數(shù)器）可用Q3

3、或C的下降沿向高位計數(shù)器進位 （異步級聯(lián)方式）可用C的高電平向高位計數(shù)器進位 （同步級聯(lián)方式） 中規(guī)模集成計數(shù)器4位同步二進制加法計數(shù)器74161 附加功能：異步清零、同步置數(shù)、保持數(shù)據(jù)輸入端預(yù)置數(shù)控制端異步置零端工作狀態(tài)控制端進位輸出端工作狀態(tài)X0XXX置 0（異步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計數(shù)4位同步二進制計數(shù)器74161的功能表74161的符號例：用三片74LS161構(gòu)成12位二進制同步加法計數(shù)器工作狀態(tài)0XXX置 0（同步）10XX預(yù)置數(shù)（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111計數(shù)4位同步二進制計數(shù)器7416

4、3的功能表74163的符號4位同步二進制加法計數(shù)器74163 附加功能：同步清零、同步置數(shù)、保持4位同步二進制加法計數(shù)器的另一種結(jié)構(gòu)形式4位同步二進制加法計數(shù)器的另一種結(jié)構(gòu)形式：用 觸發(fā)器組成FF0每次CLK都翻轉(zhuǎn)，其余觸發(fā)器只有在低位觸發(fā)器全為1時，CLK才能使其翻轉(zhuǎn)。2、同步十進制計數(shù)器加法計數(shù)器000000001100000111100000110011000010101010100000000101000100010001010101001111111111Q3 Q2 Q1 Q0T3 T2 T1 T000X000X101XX00XX0000011110011110T3同理可得：用T觸發(fā)

5、器組成時：驅(qū)動方程狀態(tài)方程輸出方程JK觸發(fā)器實現(xiàn)T觸發(fā)器0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 0 1 2 0 1 2000000001101101101100000111100000111111000110011000111000111010101010100100100100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 11 6 12 13 4 14 15 200000000010010010010計數(shù)順序等效十進制數(shù)輸 出電 路 狀 態(tài)同步十進制計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表同步十進制計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖該電路有10個有效狀態(tài)，6個偏離狀態(tài)，能夠自啟動。 中規(guī)模集成計數(shù)器同步十進制

6、加法計數(shù)器74160，功能表與74161相同，只是計數(shù)長度不同 。 異步清零、同步置數(shù)同步十進制加法計數(shù)器74162，功能表與74163相同，只是計數(shù)長度不同 。 同步清零、同步置數(shù)三、任意進制計數(shù)器的構(gòu)成方法N進制M進制用已有的N進制芯片，組成M進制計數(shù)器，是常用的方法。1. M N 的情況必須使用多片N進制計數(shù)器構(gòu)成M進制計數(shù)器。各片之間的連接方式：串行進位、并行進位、整體置零、整體置數(shù)。（1）若M可以分解為兩個小于N的因數(shù)相乘即 ：M=N1N2 ， 可采用串行進位或并行進位方式。串行進位方式：低位片的進位輸出作為高位片的CLK，兩片始終同時處于計數(shù)狀態(tài)并行進位方式：用同一個CLK，低位片

7、的進位輸出作為高位片的計數(shù)控制信號（如74160的EP和ET）例：用兩片74160接成一百進制計數(shù)器并行進位法串行進位法在N1、N2 不等于N 時，可以先將兩個N 進制計數(shù)器，分別接成 N1 進制計數(shù)器和 N2 進制計數(shù)器，然后再以并行進位方式將它們連接起來。思考：以上兩圖在什么計數(shù)狀態(tài)進位輸出為1（2）當M為大于N的素數(shù)時，不能分解為N1和N2 ， 必須采取整體置零或整體置數(shù)方式。整體置零：首先將兩片N進制計數(shù)器接成一個大于M的計數(shù)器（如N*N進制），然后從M狀態(tài)譯出異步置零信號，從M-1狀態(tài)譯出同步置零信號，將兩片N進制計數(shù)器同時置零。 整體置數(shù)：首先將兩片N進制計數(shù)器接成一個大于M的計數(shù)

8、器（如N*N進制），然后在選定的某一狀態(tài)下譯出置數(shù)信號，將兩個N進制計數(shù)器同時置入適當?shù)臄?shù)據(jù)，跳過多余的狀態(tài)，獲得M進制計數(shù)器。例:試用兩片同步十進制計數(shù)器74160接成二十九進制計數(shù)器。整體置零（異步）從狀態(tài)29譯出異步置零信號。整體置數(shù)（同步）從狀態(tài)28譯出同步置數(shù)信號。一、同步計數(shù)器1、同步二進制計數(shù)器同步二進制減法計數(shù)器原理：根據(jù)二進制減法運算規(guī)則可知：在多位二進制數(shù)末位減1，若第i位以下皆為0時，則第i位應(yīng)翻轉(zhuǎn)。由此得出規(guī)律，若用T觸發(fā)器構(gòu)成計數(shù)器，則第i位觸發(fā)器輸入端Ti的邏輯式應(yīng)為：同步二進制加/減計數(shù)器（可逆計數(shù)器）加/減計數(shù)器加/減計數(shù)結(jié)果加/減計數(shù)器計數(shù)結(jié)果兩種解決方案單時

9、鐘方式雙時鐘方式a.單時鐘方式加/減脈沖用同一輸入端，由加/減控制線的高低電平?jīng)Q定加/減器件實例： 74LS191（用T觸發(fā)器）工作狀態(tài) X11X保持 XX0X預(yù)置數(shù)(異步)010加計數(shù)011減計數(shù)74LS191的功能表C/B為進位/借位輸出信號： 加計數(shù)時，Q3Q2Q1Q0=1111C/B=1 減計數(shù)時，Q3Q2Q1Q0=0000C/B=1CLKO為串行輸出端：當C/B=1時，在下一個CLKI上升沿到達前CLKO有一個負脈沖輸出。利用C/B和CLKO進行計數(shù)器級聯(lián)更方便。b.雙時鐘方式器件實例：74LS193（采用T觸發(fā)器，即T=1）工作狀態(tài) 1X X X異步置0 00 X X異步置數(shù) 01

10、 1加計數(shù) 01 1減計數(shù)74LS193的功能表2、同步十進制計數(shù)器減法計數(shù)器011000000000001111000000011001100010101010101010000000001000100000101010101111111111Q3 Q2 Q1 Q0T3 T2 T1 T0同理可得：用T觸發(fā)器組成時：T310X100X000XX00XX0000011110011110能自啟動同步十進制減法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖同步十進制減法計數(shù)器電路同步十進制加/減計數(shù)器（可逆計數(shù)器）74LS190單時鐘同步十進制加/減計數(shù)器。 功能表、引腳、用法同74LS191，只是進制不同74LS192雙時鐘

11、同步十進制加/減計數(shù)器。 功能表、引腳、用法同74LS193，只是進制不同電路只用到00001001的十個狀態(tài)二. 異步計數(shù)器1. 異步二進制計數(shù)器異步二進制加法計數(shù)器000011110001100110010101010 Q2 Q1 Q0高位翻轉(zhuǎn)發(fā)生在低位由1 0時刻。若采用下降沿觸發(fā)的 觸發(fā)器（用JK觸發(fā)器時，J=K=1），只要將低位觸發(fā)器的Q端接至高位的時鐘端，低位由1 0時，下降沿使高位翻轉(zhuǎn)。如用上升沿觸發(fā)的 觸發(fā)器只要將低位觸發(fā)器的 端接至高位的時鐘端。電路圖時序圖異步二進制減法計數(shù)器011110000011001100010101010 Q2 Q1 Q0高位翻轉(zhuǎn)發(fā)生在低位由0 1時

12、刻。若采用下降沿觸發(fā)的 觸發(fā)器（用JK觸發(fā)器時，J=K=1），只要將低位觸發(fā)器的 端接至高位的時鐘端，低位Q由0 1時， 的下降沿使高位翻轉(zhuǎn)。如用上升沿觸發(fā)的 觸發(fā)器只要將低位觸發(fā)器的Q 端接至高位的時鐘端。電路圖時序圖2. 異步十進制計數(shù)器 在4位異步二進制加法計數(shù)器基礎(chǔ)上修改而成，要跳過1010 1111這六個狀態(tài)與270頁【例6.2.4】電路相同器件實例：二五十進制異步計數(shù)器74LS290置9輸入端置0輸入端CLK0 輸入 Q0 輸出，二進制計數(shù)器。CLK1 輸入 Q3 Q2Q1 輸出，五進制計數(shù)器。CLK0 輸入 CLK1接Q0 Q3 Q2 Q1Q0輸出，十進制計數(shù)器。異步計數(shù)器的優(yōu)點

13、：異步計數(shù)器的缺點：電路簡單，用 構(gòu)成的二進制計數(shù)器，不需要附加任何其它電路。工作頻率低，各級觸發(fā)器串行工作，新狀態(tài)的建立需經(jīng)過各級觸發(fā)器的傳輸延遲時間。狀態(tài)譯碼時存在競爭冒險現(xiàn)象，即各級不是同時變化，存在中間結(jié)果。如111 000時，低位先變出現(xiàn)111 110 100 000的變化過程四、移位寄存器型計數(shù)器 用移位寄存器構(gòu)成的計數(shù)器叫移位寄存器型計數(shù)器。因移位寄存器有移存規(guī)律，因此計數(shù)狀態(tài)也必然符合移存規(guī)律。1. 環(huán)形計數(shù)器移位寄存器的首尾相接，D0=Q3，循環(huán)右移環(huán)形計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖此電路不能自啟動，在輸出與輸入之間接入適當?shù)姆答佭壿嬰娐罚薷臑槟茏詥拥沫h(huán)形計數(shù)器。能自啟動的環(huán)形計數(shù)器

14、電路能自啟動的環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖環(huán)形計數(shù)器的優(yōu)點：環(huán)形計數(shù)器的缺點：電路結(jié)構(gòu)簡單，每個狀態(tài)只包含一個1（或0），不需譯碼。狀態(tài)利用率低，n位移位寄存器組成的環(huán)形計數(shù)器只有n個狀態(tài)。2. 扭環(huán)形計數(shù)器（約翰遜計數(shù)器）不能自啟動11101010修改為能自啟動的方法11110000000011110000011110011110原圖 ，D0的卡諾圖如下：修改后11110110000011110000011110011110能自啟動的扭環(huán)形計數(shù)器01111000001111000001111000001111Q0 Q1 Q2 Q3思考：4位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)形計數(shù)器有幾個有效狀態(tài)，幾個無效狀態(tài)。思

15、考：3位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)形計數(shù)器有幾個有效狀態(tài)，幾個無效狀態(tài)。n位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)形計數(shù)器有2n個有效狀態(tài)， 2n-2n個無效狀態(tài)。扭環(huán)形計數(shù)器的特點：每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換時只有一位觸發(fā)器改變狀態(tài)，因而在將電路狀態(tài)譯碼時不會產(chǎn)生競爭-冒險現(xiàn)象。6.3.3 順序脈沖發(fā)生器 在一些數(shù)字系統(tǒng)中，有時需要系統(tǒng)按照事先規(guī)定的順序進行一系列的操作。這就要求系統(tǒng)的控制部分能給出一組在時間上有一定先后順序的脈沖信號，再用這組脈沖形成所需要的各種控制信號。順序脈沖發(fā)生器就是用來產(chǎn)生這樣一組順序脈沖的電路。1、用移位寄存器構(gòu)成 順序脈沖發(fā)生器可以用移位寄存器構(gòu)成。當環(huán)形計數(shù)器工作在每個狀態(tài)中只有一個1的循環(huán)狀態(tài)時

16、，它就是一個順序脈沖發(fā)生器。用環(huán)形計數(shù)器作順序脈沖發(fā)生器的電路圖和波形圖優(yōu)點：不必附加譯碼電路，結(jié)構(gòu)比較簡單。缺點：使用的觸發(fā)器數(shù)目較多， 同時還必須采用能自啟動的反饋邏輯電路。2、用計數(shù)器和譯碼器構(gòu)成 在順序脈沖較多時，可以用計數(shù)器和譯碼器組合成順序脈沖發(fā)生器。用觸發(fā)器和與門實現(xiàn)用D觸發(fā)器接成 觸發(fā)器組成3位二進制異步加法計數(shù)器用與門組成高電平有效的3線-8線譯碼器Q2Q1Q0由001 010時，001 000 010P0有尖峰脈沖Q2Q1Q0由101 110時，101 100 110P4有尖峰脈沖Q2Q1Q0由011 100時，011 010 000 100P2、P0有尖峰脈沖Q2Q1Q0

17、由111 000時，111 110 100 000P6、P4有尖峰脈沖由于計數(shù)器為異步計數(shù)器，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)有先后，譯碼器輸出端會出現(xiàn)尖峰脈沖用中規(guī)模計數(shù)器和譯碼器實現(xiàn)雖然74LS161中的觸發(fā)器是在同一時鐘信號操作下工作的，但由于各個觸發(fā)器的傳輸延遲時間不可能完全相同，所以在將計數(shù)器的狀態(tài)譯碼時仍然存在競爭-冒險現(xiàn)象。在連續(xù)輸入信號的情況下，Q2、Q1、Q0 的狀態(tài)將按000一直到111的順序反復(fù)循環(huán)，并在譯碼器的輸出端依次輸出順序脈沖。改進電路：74LS161改變狀態(tài)時封鎖74LS138的選通端用扭環(huán)形計數(shù)器實現(xiàn)扭環(huán)形計數(shù)器扭環(huán)計數(shù)器每次只有一個觸發(fā)器改變，因此無競爭-冒險現(xiàn)象。01

18、11100000111100000111100000111110000000010000000010000000000001Q0 Q1 Q2 Q3P0 P1 P2 P71X000XXX000XXX0X00000111100111100X010XXX000XXX0X00000111100111106.3.4 序列信號發(fā)生器 在數(shù)字信號的傳輸和數(shù)字系統(tǒng)的測試中，有時需要用到一組特定的串行數(shù)字信號。通常把這種串行數(shù)字信號叫做序列信號。產(chǎn)生序列信號的電路稱為 序列信號發(fā)生器。1、用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成例：產(chǎn)生一個8位的序列信號000101112、用移位寄存器實現(xiàn)用移位寄存器加上反饋邏輯電路構(gòu)成，如產(chǎn)生00010111的8位序列，可用3個觸發(fā)器，即3位的移位寄存器，序列信號從Q2輸出。用移位