Ch5-計數(shù)器和寄存器-2014

第五章5.1計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)：具有記憶輸入脈沖個數(shù)的作用稱為計數(shù)。計數(shù)器：具有記憶輸入脈沖個數(shù)的功能的電路稱為計數(shù)器。用途：計數(shù)，定時，分頻和進行數(shù)字計算等。是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的部分。計數(shù)器分類-按計數(shù)長度（或容量）進行分類二進制計數(shù)器（機器）：按照二進制數(shù)規(guī)律計數(shù)的計數(shù)器。對于n位二進制計數(shù)器，共有2的n次方個狀態(tài)（2，4，8，16，32……）對應需要的觸發(fā)器為n個十進制計數(shù)器（人）：按照十進制數(shù)規(guī)律計數(shù)的計數(shù)器。一位十進制計數(shù)器應有10個狀態(tài)。而兩位十進制計數(shù)器應有100個狀態(tài)，n位十進制計數(shù)器應有10的n次方個狀態(tài)。對應需要的觸發(fā)器[log2(10n)]+1進位輸出/溢出：計數(shù)結(jié)束（計數(shù)狀態(tài)有限）時的指示信號。下一次重新開始循環(huán)計數(shù)。計數(shù)器分類-按各觸發(fā)器的轉(zhuǎn)態(tài)更新狀況可分為同步計數(shù)器：各觸發(fā)器受同一時鐘脈沖—輸入計數(shù)脈沖控制，同步更新狀態(tài)異步計數(shù)器：有的觸發(fā)器受計數(shù)脈沖控制，有的是以其它觸發(fā)器輸出為時鐘脈沖，狀態(tài)更新有先有后計數(shù)器分類-按計數(shù)器增減情況進行分類加法計數(shù)器：隨計數(shù)脈沖的輸入遞增計數(shù)減法計數(shù)器：隨計數(shù)脈沖的輸入遞減計數(shù)可逆計數(shù)器：隨計數(shù)脈沖的輸入可控制進行遞減或遞增計數(shù)通常把常用計數(shù)電路用集成工藝制造在一個芯片內(nèi)，并將引腳封裝成集成模塊，稱之為集成計數(shù)器。我們主要學習它的原理和使用方法就可以了（掌握原理，考核應用）一.同步計數(shù)器

1.同步二進制加法計數(shù)器按照二進制數(shù)規(guī)律對時鐘脈沖進行遞增計數(shù)的同步電路稱為同步二進制加法計數(shù)器。例4.1現(xiàn)態(tài)（計數(shù)輸出）：Qn0Qn1Qn2

進位輸出（C）功能分析：3位二進制計數(shù)器

J0=K0=1,J1=K1=Qn0,J2=K2=Qn0Qn1圖5―1四位同步二進制加法計數(shù)器由圖可以寫出電路的方程如下:時鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP輸出方程:驅(qū)動方程:

將驅(qū)動方程代入JK觸發(fā)器的特性方程中,得到各個觸發(fā)器的狀態(tài)方程為

表5―1圖5―1所示四位同步二進制加法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖5―2圖5―1所示四位同步二進制加法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5―3圖5―1所示四位同步二進制加法計數(shù)器的時序圖

各個JK觸發(fā)器都接成T觸發(fā)器的形式。用T觸發(fā)器構造m位同步二進制加法計數(shù)器的連接規(guī)律為2.同步二進制減法計數(shù)器按照二進制數(shù)規(guī)律對時鐘脈沖進行遞減計數(shù)的同步電路稱為同步二進制減法計數(shù)器。用T觸發(fā)器構造m位同步二進制減法計數(shù)器的連接規(guī)律為

相同之處是將JK觸發(fā)器接成T觸發(fā)器的形式;不同之處是觸發(fā)器驅(qū)動信號及輸出信號的連接規(guī)律,即由接到Q端改為接到端。圖5―4四位同步二進制減法計數(shù)器時鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP輸出方程:驅(qū)動方程:狀態(tài)方程:表5―2圖5―4所示四位同步二進制減法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖5―5圖5―4所示四位同步二進制減法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5―6圖5―4所示四位同步二進制減法計數(shù)器的時序圖3.同步二進制加/減可逆計數(shù)器將同步二進制加法計數(shù)器和同步二進制減法計數(shù)器合并,同時加上加/減控制信號,可以構成同步二進制加/減可逆計數(shù)器。

圖5―7四位同步二進制加/減可逆計數(shù)器輸出方程為

現(xiàn)在我們對信號分兩種情況進行討論:當=0時,輸出方程為驅(qū)動方程為

上述方程和圖5―1所示電路的輸出方程及驅(qū)動方程相同?？梢姰擴/D=0時,圖5―7所示電路實現(xiàn)四位同步二進制加法計數(shù)器的功能。當時,輸出方程為驅(qū)動方程為

上述方程和圖5―4所示電路的輸出方程及驅(qū)動方程相同。因此當時,圖5―7所示電路實現(xiàn)四位同步二進制減法計數(shù)器的功能。圖5―8圖5―7所示四位同步二進制加/減可逆計數(shù)器的時序圖4.同步十進制加法計數(shù)器按照十進制數(shù)規(guī)律對時鐘脈沖進行遞增計數(shù)的同步電路稱為同步十進制加法計數(shù)器。

圖5―9同步十進制加法計數(shù)器從圖5―9中可以得到:

時鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP

輸出方程:驅(qū)動方程:狀態(tài)方程:表5―3圖5―9所示同步十進制加法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

圖5―10狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5―11圖5―9所示同步十進制加法計數(shù)器的時序圖5.同步十進制減法計數(shù)器按照十進制數(shù)規(guī)律對時鐘脈沖進行遞減計數(shù)的同步電路稱為同步十進制減法計數(shù)器。

圖5―12同步十進制減法計數(shù)器由圖可以寫出如下方程:

時鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP

輸出方程:驅(qū)動方程:狀態(tài)方程:

表5―4圖5―12所示同步十進制減法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖5―13圖5―12所示同步十進制減法計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5―14圖5―12所示同步十進制減法計數(shù)器的時序圖6.同步十進制可逆計數(shù)器將同步十進制加法計數(shù)器和同步十進制減法計數(shù)器合并,同時加上加/減控制信號,可以構成十進制加/減可逆計數(shù)器。

圖5―15同步十進制加/減可逆計數(shù)器當時,時鐘方程為

CP0=CP1=CP2=CP3=CP輸出方程為驅(qū)動方程為

上述方程和圖5―9所示電路的方程相同。因此,當時,圖5-15所示邏輯電路實現(xiàn)同步十進制加法計數(shù)器的功能。當時,時鐘方程為

CP0=CP1=CP2=CP3=CP

輸出方程為

上述方程和圖5―12所示電路的方程相同。也就是說,當時,圖5―15所示邏輯電路實現(xiàn)同步十進制減法計數(shù)器的功能。圖5―16圖5―15所示同步十進制加/減可逆計數(shù)器的時序圖二.MSI計數(shù)器模塊及應用

1.74163MSI計數(shù)器模塊

74163是中規(guī)模集成四位同步二進制加法計數(shù)器,計數(shù)范圍是0~15。它具有同步置數(shù)、同步清零、保持和二進制加法計數(shù)等邏輯功能。圖5―2974163MSI四位同步二進制加法計數(shù)器（a）國標符號;（b）慣用模塊符號表5―974163MSI四位同步二進制加法計數(shù)器功能表圖5―3074163MSI四位同步二進制加法計數(shù)器的時序圖2.74160MSI計數(shù)器模塊

74160是中規(guī)模集成8421BCD碼同步十進制加法計數(shù)器,計數(shù)范圍是0~9。它具有同步置數(shù)、異步清零、保持和十進制加法計數(shù)等邏輯功能。圖5―3174160MSI四位同步十進制加法計數(shù)器（a）國標符號;（b）慣用模塊符號表5―1074160MSI四位同步十進制加法計數(shù)器功能表圖5―3274160MSI四位同步十進制加法計數(shù)器的時序圖3.74191MSI計數(shù)器模塊

74191是中規(guī)模集成四位單時鐘同步二進制加/減可逆計數(shù)器,計數(shù)范圍是0~15。它具有異步置數(shù)、保持、二進制加法計數(shù)和二進制減法計數(shù)等邏輯功能。圖5―3374191MSI四位單時鐘同步二進制加/減可逆計數(shù)器（a）國標符號;（b）慣用模塊符號表5―1174191MSI四位單時鐘同步二進制加/減可逆計數(shù)器功能表圖5―3474191MSI四位單時鐘同步二進制加/減可逆計數(shù)器的時序圖4.用MSI計數(shù)器模塊構成任意進制計數(shù)器

利用MSI計數(shù)器模塊的清零端和置數(shù)端,結(jié)合MSI計數(shù)器模塊的串接,可以構成任意進制的計數(shù)器。假設已有N進制的計數(shù)器模塊,要構造M進制的計數(shù)器,當N>M時,只用一個MSI計數(shù)器模塊即可;當N<M時,必須要用多個MSI計數(shù)器模塊進行串接。下面分別來討論這兩種情況。1)已有計數(shù)器的模N大于要構造計數(shù)器的模M

當已有計數(shù)器的模N大于要構造計數(shù)器的模M時,要設法讓計數(shù)器繞過其中的N-M個狀態(tài),提前完成計數(shù)循環(huán),實現(xiàn)的方法有清零法和置數(shù)法。清零法是在計數(shù)器尚未完成計數(shù)循環(huán)之前,使其清零端有效,讓計數(shù)器提前回到全0狀態(tài)。

置數(shù)法是在計數(shù)器計數(shù)到某個狀態(tài)時,給它置入一個新的狀態(tài),從而繞過若干個狀態(tài)。

計數(shù)器模塊的清零和置數(shù)功能有同步和異步兩種不同的方式,相應的轉(zhuǎn)換電路也有所不同。要讓計數(shù)器繞過SM狀態(tài)而從SM-1

狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個狀態(tài)時,如果是同步清零或同步置數(shù)方式,就要在SM-1

狀態(tài)時使計數(shù)器的同步清零端或同步置數(shù)端有效,這樣，在下一個計數(shù)脈沖到來時,計數(shù)器轉(zhuǎn)為全0狀態(tài)或預置的狀態(tài)而非SM狀態(tài)，如果是異步清零或異步置數(shù)方式,則要在SM狀態(tài)時才使計數(shù)器的異步清零端或異步置數(shù)端有效,此時，計數(shù)器立即被清零或置數(shù),SM狀態(tài)只會維持很短的時間,不是一個穩(wěn)定的計數(shù)狀態(tài)。圖5―35十六進制加法轉(zhuǎn)換為十五進制加法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖【例5.1】用74163構造十五進制加法計數(shù)器。圖5―36用74163構造十五進制加法計數(shù)器（a）同步清零法;(b)同步置數(shù)法【例5.2】用74160構造八進制加法計數(shù)器。解:74160是具有異步清零和同步置數(shù)功能的十進制加法計數(shù)器,它的計數(shù)循環(huán)中包含10個狀態(tài)。因此,用74160構造八進制加法計數(shù)器時,要使它提前兩個狀態(tài)結(jié)束計數(shù)循環(huán),使狀態(tài)0111的下一個狀態(tài)改為0000而非原來的1000,如圖5―37所示。

圖5―37十進制加法轉(zhuǎn)換為八進制加法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖【例5.2】用74160構造八進制加法計數(shù)器。圖5―38用74160構造八進制加法計數(shù)器（a）異步清零法;(b)同步置數(shù)法2)已有計數(shù)器的模N小于要構造計數(shù)器的模M

當已有計數(shù)器的模N小于要構造計數(shù)器的模M時,如果M可以表示為已有計數(shù)器的模的乘積,則只需將計數(shù)器串接起來即可,無需利用計數(shù)器的清零端和置數(shù)端;如果M不能表示為已有計數(shù)器的模的乘積,則不僅要將計數(shù)器串接起來,還要利用計數(shù)器的清零端和置數(shù)端,使計數(shù)器繞過多余的狀態(tài)。【例5.3】用74160和74163構造一百六十進制計數(shù)器。解:74160的模為10,74163的模是16,兩者的乘積正好為160,因此可以直接將一個74160和一個74163連接起來實現(xiàn)一百六十進制計數(shù)器。圖5―40并行進位連接方式【例5.4】用74163構造二百進制計數(shù)器。解:74163的模為16,將兩片74163連接起來可以構成二百五十六進制計數(shù)器。要構造二百進制計數(shù)器,必須讓計數(shù)器繞過56個多余的狀態(tài),使計數(shù)器從全0狀態(tài)開始計數(shù),即經(jīng)過輸入200個計數(shù)脈沖后,重新回到全0狀態(tài)?？梢圆捎谜w清零或整體置數(shù)方法。由于74163的清零和置數(shù)功能是同步方式的,因此要在計數(shù)199個脈沖后,使兩片計數(shù)器的清零輸入端或置數(shù)輸入端都有效。199（10）=11000111（2）圖5―41用兩片74163構成二百進制計數(shù)器(a)整體清零法;(b)整體置數(shù)法【例5.5】用74160構造60進制計數(shù)器。解:74160的模為10,將兩片74160連接起來可以構成100進制計數(shù)器。要構造60進制計數(shù)器,必須讓計數(shù)器繞過40個多余的狀態(tài),使計數(shù)器從全0狀態(tài)開始計數(shù),即經(jīng)過輸入40個計數(shù)脈沖后,重新回到全0狀態(tài)。可以采用整體清零或整體置數(shù)方法。由于74160的清零是異步的，因此要在計數(shù)到60后清零。置數(shù)功能是同步方式的,因此要在計數(shù)到59后,使兩片計數(shù)器置數(shù)輸入端都有效。5.MSI計數(shù)器模塊的其他應用 分頻器、定時器、并行/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、序列信號發(fā)生器等。

圖5―42用74160構成分頻電路圖5―43并行/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路圖5―44圖5―43所示并行/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路的時序圖

5.2寄存器

寄存器是另一種常用的時序邏輯電路,主要用于對數(shù)據(jù)進行寄存和移位。 寄存器可分為兩大類:基本寄存器和移位寄存器。

基本寄存器只能寄存數(shù)據(jù),其特點是:數(shù)據(jù)并行輸入、并行輸出。 移位寄存器不僅可以寄存數(shù)據(jù),還可以對數(shù)據(jù)進行移位,數(shù)據(jù)在移位脈沖的控制下依次逐位左移或右移。移位寄存器有四種不同的工作方式:并行輸入/并行輸出、并