數(shù)字電路課程課件：第6章_2 計(jì)數(shù)器

1、6.3.2 計(jì)數(shù)器在數(shù)字電路中，把記憶輸入CLK脈沖個(gè)數(shù)的操作叫做計(jì)數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)數(shù)操作的電子電路稱(chēng)為計(jì)數(shù)器。 計(jì)數(shù)器是種類(lèi)最多、應(yīng)用最廣、最典型的時(shí)序電路。 用于計(jì)數(shù)、分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等分類(lèi)：按時(shí)鐘引入方式分-同步、異步按計(jì)數(shù)過(guò)程中數(shù)字增減分-加法、減法和可逆計(jì)數(shù)器按計(jì)數(shù)器中的數(shù)字編碼分-二進(jìn)制、二-十進(jìn)制和循環(huán)碼按計(jì)數(shù)容量分-十進(jìn)制，六十進(jìn)制一、同步計(jì)數(shù)器1、同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器原理：根據(jù)二進(jìn)制加法運(yùn)算規(guī)則可知：在多位二進(jìn)制數(shù)末位加1，若第i位以下皆為1時(shí)，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(jì)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(jìn)制加法計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)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(jì)數(shù)順序 等效 十進(jìn)制數(shù)進(jìn)位輸出 電 路 狀 態(tài)4位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖4位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器每輸入16個(gè)計(jì)數(shù)脈沖計(jì)數(shù)器工作一個(gè)循環(huán)，所以為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器（模16的計(jì)數(shù)器）可用Q3

3、或C的下降沿向高位計(jì)數(shù)器進(jìn)位 （異步級(jí)聯(lián)方式）可用C的高電平向高位計(jì)數(shù)器進(jìn)位 （同步級(jí)聯(lián)方式） 中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器4位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74161 附加功能：異步清零、同步置數(shù)、保持?jǐn)?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(jìn)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(jì)數(shù)4位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74161的功能表74161的符號(hào)例：用三片74LS161構(gòu)成12位二進(jìn)制同步加法計(jì)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(jì)數(shù)4位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器7416

4、3的功能表74163的符號(hào)4位同步二進(jìn)制加法計(jì)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(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的另一種結(jié)構(gòu)形式4位同步二進(jìn)制加法計(jì)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(shí)，CLK才能使其翻轉(zhuǎn)。2、同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)器000000001100000111100000110011000010101010100000000101000100010001010101001111111111Q3 Q2 Q1 Q0T3 T2 T1 T000X000X101XX00XX0000011110011110T3同理可得：用T觸發(fā)

5、器組成時(shí)：驅(qū)動(dòng)方程狀態(tài)方程輸出方程JK觸發(fā)器實(shí)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(jì)數(shù)順序等效十進(jìn)制數(shù)輸 出電 路 狀 態(tài)同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖該電路有10個(gè)有效狀態(tài)，6個(gè)偏離狀態(tài)，能夠自啟動(dòng)。 中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器同步十進(jìn)制

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

7、的進(jìn)位輸出作為高位片的計(jì)數(shù)控制信號(hào)（如74160的EP和ET）例：用兩片74160接成一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器并行進(jìn)位法串行進(jìn)位法在N1、N2 不等于N 時(shí)，可以先將兩個(gè)N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，分別接成 N1 進(jìn)制計(jì)數(shù)器和 N2 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后再以并行進(jìn)位方式將它們連接起來(lái)。思考：以上兩圖在什么計(jì)數(shù)狀態(tài)進(jìn)位輸出為1（2）當(dāng)M為大于N的素?cái)?shù)時(shí)，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(jìn)制計(jì)數(shù)器接成一個(gè)大于M的計(jì)數(shù)器（如N*N進(jìn)制），然后從M狀態(tài)譯出異步置零信號(hào)，從M-1狀態(tài)譯出同步置零信號(hào)，將兩片N進(jìn)制計(jì)數(shù)器同時(shí)置零。 整體置數(shù)：首先將兩片N進(jìn)制計(jì)數(shù)器接成一個(gè)大于M的計(jì)數(shù)

8、器（如N*N進(jìn)制），然后在選定的某一狀態(tài)下譯出置數(shù)信號(hào)，將兩個(gè)N進(jìn)制計(jì)數(shù)器同時(shí)置入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，跳過(guò)多余的狀態(tài)，獲得M進(jìn)制計(jì)數(shù)器。例:試用兩片同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160接成二十九進(jìn)制計(jì)數(shù)器。整體置零（異步）從狀態(tài)29譯出異步置零信號(hào)。整體置數(shù)（同步）從狀態(tài)28譯出同步置數(shù)信號(hào)。一、同步計(jì)數(shù)器1、同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器原理：根據(jù)二進(jìn)制減法運(yùn)算規(guī)則可知：在多位二進(jìn)制數(shù)末位減1，若第i位以下皆為0時(shí)，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(jì)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(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器（可逆計(jì)數(shù)器）加/減計(jì)數(shù)器加/減計(jì)數(shù)結(jié)果加/減計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)結(jié)果兩種解決方案單時(shí)

9、鐘方式雙時(shí)鐘方式a.單時(shí)鐘方式加/減脈沖用同一輸入端，由加/減控制線(xiàn)的高低電平?jīng)Q定加/減器件實(shí)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(jì)數(shù)011減計(jì)數(shù)74LS191的功能表C/B為進(jìn)位/借位輸出信號(hào)： 加計(jì)數(shù)時(shí)，Q3Q2Q1Q0=1111C/B=1 減計(jì)數(shù)時(shí)，Q3Q2Q1Q0=0000C/B=1CLKO為串行輸出端：當(dāng)C/B=1時(shí)，在下一個(gè)CLKI上升沿到達(dá)前CLKO有一個(gè)負(fù)脈沖輸出。利用C/B和CLKO進(jìn)行計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)更方便。b.雙時(shí)鐘方式器件實(shí)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(jì)數(shù) 01 1減計(jì)數(shù)74LS193的功能表2、同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器011000000000001111000000011001100010101010101010000000001000100000101010101111111111Q3 Q2 Q1 Q0T3 T2 T1 T0同理可得：用T觸發(fā)器組成時(shí)：T310X100X000XX00XX0000011110011110能自啟動(dòng)同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器電路同步十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器（可逆計(jì)數(shù)器）74LS190單時(shí)鐘同步十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器。 功能表、引腳、用法同74LS191，只是進(jìn)制不同74LS192雙時(shí)鐘

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

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

13、：異步計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，用 構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，不需要附加任何其它電路。工作頻率低，各級(jí)觸發(fā)器串行工作，新?tīng)顟B(tài)的建立需經(jīng)過(guò)各級(jí)觸發(fā)器的傳輸延遲時(shí)間。狀態(tài)譯碼時(shí)存在競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，即各級(jí)不是同時(shí)變化，存在中間結(jié)果。如111 000時(shí)，低位先變出現(xiàn)111 110 100 000的變化過(guò)程四、移位寄存器型計(jì)數(shù)器 用移位寄存器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器叫移位寄存器型計(jì)數(shù)器。因移位寄存器有移存規(guī)律，因此計(jì)數(shù)狀態(tài)也必然符合移存規(guī)律。1. 環(huán)形計(jì)數(shù)器移位寄存器的首尾相接，D0=Q3，循環(huán)右移環(huán)形計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖此電路不能自啟動(dòng)，在輸出與輸入之間接入適當(dāng)?shù)姆答佭壿嬰娐?，修改為能自啟?dòng)的環(huán)形計(jì)數(shù)器。能自啟動(dòng)的環(huán)形計(jì)數(shù)器

14、電路能自啟動(dòng)的環(huán)形計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖環(huán)形計(jì)數(shù)器的優(yōu)點(diǎn)：環(huán)形計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，每個(gè)狀態(tài)只包含一個(gè)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(jì)數(shù)器只有n個(gè)狀態(tài)。2. 扭環(huán)形計(jì)數(shù)器（約翰遜計(jì)數(shù)器）不能自啟動(dòng)11101010修改為能自啟動(dòng)的方法11110000000011110000011110011110原圖 ，D0的卡諾圖如下：修改后11110110000011110000011110011110能自啟動(dòng)的扭環(huán)形計(jì)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(jì)數(shù)器有幾個(gè)有效狀態(tài)，幾個(gè)無(wú)效狀態(tài)。思

15、考：3位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器有幾個(gè)有效狀態(tài)，幾個(gè)無(wú)效狀態(tài)。n位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器有2n個(gè)有效狀態(tài)， 2n-2n個(gè)無(wú)效狀態(tài)。扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)：每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)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(shí)需要系統(tǒng)按照事先規(guī)定的順序進(jìn)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(shí)間上有一定先后順序的脈沖信號(hào)，再用這組脈沖形成所需要的各種控制信號(hào)。順序脈沖發(fā)生器就是用來(lái)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(dāng)環(huán)形計(jì)數(shù)器工作在每個(gè)狀態(tài)中只有一個(gè)1的循環(huán)狀態(tài)時(shí)

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

17、由111 000時(shí)，111 110 100 000P6、P4有尖峰脈沖由于計(jì)數(shù)器為異步計(jì)數(shù)器，狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)有先后，譯碼器輸出端會(huì)出現(xiàn)尖峰脈沖用中規(guī)模計(jì)數(shù)器和譯碼器實(shí)現(xiàn)雖然74LS161中的觸發(fā)器是在同一時(shí)鐘信號(hào)操作下工作的，但由于各個(gè)觸發(fā)器的傳輸延遲時(shí)間不可能完全相同，所以在將計(jì)數(shù)器的狀態(tài)譯碼時(shí)仍然存在競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象。在連續(xù)輸入信號(hào)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(jìn)電路：74LS161改變狀態(tài)時(shí)封鎖74LS138的選通端用扭環(huán)形計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)扭環(huán)形計(jì)數(shù)器扭環(huán)計(jì)數(shù)器每次只有一個(gè)觸發(fā)器改變，因此無(wú)競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象。01

18、11100000111100000111100000111110000000010000000010000000000001Q0 Q1 Q2 Q3P0 P1 P2 P71X000XXX000XXX0X00000111100111100X010XXX000XXX0X00000111100111106.3.4 序列信號(hào)發(fā)生器 在數(shù)字信號(hào)的傳輸和數(shù)字系統(tǒng)的測(cè)試中，有時(shí)需要用到一組特定的串行數(shù)字信號(hào)。通常把這種串行數(shù)字信號(hào)叫做序列信號(hào)。產(chǎn)生序列信號(hào)的電路稱(chēng)為 序列信號(hào)發(fā)生器。1、用計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成例：產(chǎn)生一個(gè)8位的序列信號(hào)000101112、用移位寄存器實(shí)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(gè)觸發(fā)器，即3位的移位寄存器，序列信號(hào)從Q2輸出。用移位