數(shù)字邏輯6-4計數(shù)器 (Counter)

1、6.2.1 計數(shù)器的特點和分類計數(shù)器的特點和分類一、計數(shù)器的功能及應(yīng)用一、計數(shù)器的功能及應(yīng)用1. 功能：功能： 對時鐘脈沖對時鐘脈沖 CP 計數(shù)。計數(shù)。2. 應(yīng)用：應(yīng)用：分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列、進行數(shù)字運算等。序列、進行數(shù)字運算等。二、計數(shù)器的特點二、計數(shù)器的特點1. 輸入信號：輸入信號：計數(shù)脈沖計數(shù)脈沖 CPMoore 型型2. 主要組成單元：主要組成單元：時鐘觸發(fā)器時鐘觸發(fā)器三、三、 計數(shù)器的分類計數(shù)器的分類按數(shù)制分：按數(shù)制分：二進制計數(shù)器二進制計數(shù)器十進制計數(shù)器十進制計數(shù)器N 進制進制( (任意進制任意進制) )計數(shù)器計數(shù)器按計數(shù)按計數(shù)方式分：方

2、式分：加法計數(shù)器加法計數(shù)器減法計數(shù)器減法計數(shù)器可逆計數(shù)可逆計數(shù) (Up-Down Counter)按時鐘按時鐘控制分：控制分：同步計數(shù)器同步計數(shù)器 (Synchronous )異步計數(shù)器異步計數(shù)器 (Asynchronous )按開關(guān)按開關(guān)元件分：元件分：TTL 計數(shù)器計數(shù)器CMOS 計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)器計數(shù)容量計數(shù)容量、長度長度或或模模的概念的概念 計數(shù)器能夠記憶輸入脈沖的數(shù)目，即電路的有效計數(shù)器能夠記憶輸入脈沖的數(shù)目，即電路的有效狀態(tài)數(shù)狀態(tài)數(shù) 。3 位二進制同步加法計數(shù)器：位二進制同步加法計數(shù)器：823 M00001111/14 位二進制同步加法計數(shù)器：位二進制同步加法計數(shù)器：0001

3、11/11624 Mn 位二進制同步加法計數(shù)器：位二進制同步加法計數(shù)器：nM2 (一一) 二進制同步加法計數(shù)器二進制同步加法計數(shù)器FF2、FF1、FF0Q2、Q1、Q0設(shè)計方法一：設(shè)計方法一：按前述設(shè)計步驟進行按前述設(shè)計步驟進行 （P270 271）設(shè)計方法二：設(shè)計方法二： 按計數(shù)規(guī)律進行級聯(lián)按計數(shù)規(guī)律進行級聯(lián) CPQ2Q1Q0C0123456780 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 0000000010C = Q2n Q1n Q0n Carry向高位的進位向高位的進位來一個來一個CP翻轉(zhuǎn)一次翻轉(zhuǎn)一次J0= K0 = 1當(dāng)當(dāng)Q0=1，CP到來即

4、翻轉(zhuǎn)到來即翻轉(zhuǎn)J1= K1 = Q0當(dāng)當(dāng)Q1Q0=1，CP到來即翻轉(zhuǎn)到來即翻轉(zhuǎn)J2= K2 = Q1Q0= T0= T1= T2n 位二進制位二進制同步加法同步加法計數(shù)器計數(shù)器級聯(lián)級聯(lián)規(guī)律：規(guī)律： 1-00121 ijnjnnniniiQQQQQTJ0= K0 =1J1= K1 = Q0J2= K2 = Q1Q0CP1J1KC1FF011J1KC1FF11J1KC1FF2&CQ0Q1Q2Q0Q1Q2串行進位串行進位觸發(fā)器觸發(fā)器負載均勻負載均勻CP1J1KC1FF011J1KC1FF11J1KC1FF2&CQ0Q1Q2Q0Q1Q2并行進位并行進位低位觸發(fā)低位觸發(fā)器負載重器負載重B

5、 = Q2n Q1n Q0nBorrow若用若用T 觸發(fā)器：觸發(fā)器：(二二) 二進制同步減法計數(shù)器二進制同步減法計數(shù)器CPQ2Q1Q0B012345670 0 01 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 110000000012FF FF FF、012 QQQ、 向高位發(fā)出的借位信號向高位發(fā)出的借位信號T0 = 1T1=Q0nT2= Q1n Q0n級聯(lián)規(guī)律：級聯(lián)規(guī)律： 1-00121 ijnjnnniniiQQQQQTCP1J1KC1FF011J1KC1FF11J1KC1FF1&BQ0Q1Q2Q0Q1Q2(三三) 二進制同步可逆計數(shù)器二進制同步可逆計數(shù)器單時鐘

6、輸入二進制同步可逆計數(shù)器單時鐘輸入二進制同步可逆計數(shù)器加加/ /減減控制端控制端 0/ DU加計數(shù)加計數(shù)T0 = 1、T1= Q0n、 T2 = Q1nQ0n /012nnnQQQBC 1/ DU減計數(shù)減計數(shù)T0 = 1、T1= Q0n、 T2= Q1nQ0nnnnQQQBC012 / CPQ01J1KC1FF01Q0Q21J1KC1FF2Q2Q11J1KC1FF1Q1U / D 1&1&1&1C/B雙時鐘輸入二進制同步可逆計數(shù)器雙時鐘輸入二進制同步可逆計數(shù)器加計數(shù)脈沖加計數(shù)脈沖減計數(shù)脈沖減計數(shù)脈沖CP0= CPU+ CPD CP1= CPU Q0n + CPD Q0n

7、 CP2= CPU Q1n Q0n + CPD Q1n Q0nCPU 和和CPD 互相排斥互相排斥CPU = CP，CPD= 0CPD= CP，CPU= 0CPUQ01J1KC1FF01Q0Q21J1KC1FF21Q2Q11J1KC1FF11Q11&1&1CPD(四四) 集成二進制同步計數(shù)器集成二進制同步計數(shù)器1. 集成集成 4 位二進制同步加法計數(shù)器位二進制同步加法計數(shù)器1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9VCC CO Q0 Q1 Q2 Q3 CTT LDCR CP D0 D1 D2 D3 CTP 地地引腳排列圖引腳排列圖邏輯功能示意圖邏

8、輯功能示意圖Q0 Q1 Q2 Q3CTTLDCOCPCTPCR D0 D1 D2 D30 0 0 00 0 1 1 0 0 1 1CR = 0Q3 Q0 = 0000同步同步并行置數(shù)并行置數(shù)CR=1，LD=0，CP 異步異步清零清零Q3 Q0 = D3 D0 1) 74LS161 和和 74LS16374161的狀態(tài)表的狀態(tài)表2) CC4520VDD 2CR 2Q32Q22Q12Q02EN2CP1CP1EN1Q0 1Q1 1Q1Q31CR VSS1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9Q0 Q1 Q2 Q3EN CP CR21使能端使能端也可作也可作計數(shù)脈計數(shù)

9、脈沖輸入沖輸入計數(shù)脈計數(shù)脈沖輸入沖輸入也可作也可作使能端使能端異異步步清清零零 輸輸 入入 輸輸 出出CR EN CPQ3n+1 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0加加 計計 數(shù)數(shù)加加 計計 數(shù)數(shù) 保保 持持 保保 持持 2. 集成集成 4 位二進制同步可逆計數(shù)器位二進制同步可逆計數(shù)器1) 74191（單時鐘）（單時鐘）Q0 Q1 Q2 Q3U/DLDCO/BOCPCTD0 D1 D2 D3RC加計數(shù)時加計數(shù)時CO/BO= Q3nQ2nQ1nQ0n并行異并行異步置數(shù)步置數(shù)減計數(shù)時減計數(shù)時CO/BO= Q3nQ2nQ1nQ0nCT = 1,CO

10、/BO = 1時，時，CPRC CTBOCOCPRC /1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9D1 Q1 Q0 CT U/D Q2 Q3 地地VCC D0 CP RC CO/BO LD D2 D3LD CT U/D CP D3 D2 D1 D0Q3n+1 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 0 d3 d2 d1 d0 1 0 0 1 0 1 1 1 d3 d2 d1 d0加加 法法 計計 數(shù)數(shù) 減減 法法 計計 數(shù)數(shù) 保保 持持 1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9D1 Q1 Q0 CPD CPU Q2 Q3 地地VCC

11、 D0 CR BO CO LD D2 D32) 74193( (雙時鐘雙時鐘) )COQ0 Q1 Q2 Q3LDCPUCRD0 D1 D2 D3BOCPDCR LD CPU CPD D3 D2 D1 D0Q3n+1 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1注注 1 0 0 d3 d2 d1 d0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 d3 d2 d1 d0 加加 法法 計計 數(shù)數(shù) 減減 法法 計計 數(shù)數(shù) 保保 持持異步清零異步清零異步置數(shù)異步置數(shù)BO =CO=1(一一) 二進制異步加法計數(shù)器二進制異步加法計數(shù)器CPQ0Q1Q2CP0 = CPCP1 = Q0CP2 = Q1用用T

12、觸發(fā)器觸發(fā)器 (J = K = 1)下降沿下降沿觸發(fā)觸發(fā)C = Q2n Q1n Q0n1Q01J1KC1FF0Q0Q11J1KC1FF1Q11Q21J1KC1FF2Q21CCP&并行并行進位進位若采用若采用上升沿上升沿觸發(fā)的觸發(fā)的 T 觸發(fā)器觸發(fā)器CP0= CPCP1=Q0CP2=Q1D 觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)器構(gòu)成的 T 觸發(fā)器觸發(fā)器 ( D = Q )， 下降沿下降沿觸發(fā)觸發(fā)若改用若改用上升沿上升沿觸發(fā)的觸發(fā)的 D 觸發(fā)器觸發(fā)器？Q0Q1FF1FF2C11DC11DQ2FF0C11DQ1Q2&Q0Q0Q1FF1FF2C11DC11DQ2FF0C11DQ1Q2&Q0(二二)

13、 二進制異步減法計數(shù)器二進制異步減法計數(shù)器CPQ2Q1Q00123456780 0 01 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 0用用T 觸發(fā)器觸發(fā)器 (J = K = 1) 上升沿觸發(fā)上升沿觸發(fā)CP0= CPCP1= Q0CP2= Q1B = Q2n Q1n Q0n二進制異步計數(shù)器級間連接規(guī)律二進制異步計數(shù)器級間連接規(guī)律計數(shù)規(guī)律計數(shù)規(guī)律T 觸發(fā)器的觸發(fā)沿觸發(fā)器的觸發(fā)沿上升沿上升沿下降沿下降沿加法計數(shù)加法計數(shù)CPi = Qi-1CPi = Qi-1減法計數(shù)減法計數(shù)CPi = Qi-1CPi = Qi-11Q01J1KC1FF0Q0Q11J1KC1FF1Q11

14、Q21J1KC1FF2Q21BCP&1 2 3 4 5 6 714 13 12 11 10 9 8CT/LD Q2 D2 D0 Q0 CP1 地地VCC CR Q3 D3 D1 Q1 CP0Q0 Q1 Q2 Q3CRCP1D0 D1 D2 D3CP0CT/LD( (三三) ) 集成二進制異步計數(shù)器集成二進制異步計數(shù)器 74197、74LS197計數(shù)計數(shù)/ /置數(shù)置數(shù)異步清零異步清零0 CR000030 QQ異步置數(shù)異步置數(shù) 1 CR0/ LDCT 3030DDQQ 加法計數(shù)加法計數(shù) 1 CR1/ LDCT二二 八八 十六進制計數(shù)十六進制計數(shù)二二-八八-十六進制計數(shù)器的實現(xiàn)十六進制計數(shù)器

15、的實現(xiàn)M = 2CPCP 0計數(shù)輸出：計數(shù)輸出：0QM = 8CPCP 1計數(shù)輸出：計數(shù)輸出：1 23 QQQQ1Q1Q21J1KC1FF2Q21Q31J1KC1FF3Q3111J1KC1FF1CP1CP011J1KC1FF0Q0Q0M = 16010,QCPCPCP 計數(shù)輸出：計數(shù)輸出：0 1 23QQQQ其它：其它：74177、74LS177、74293、74LS293 等。等。301,QCPCPCP 1 2 30QQQQ（8421BCD 碼）碼）(一一) 十進制同步加法計數(shù)器十進制同步加法計數(shù)器0123QQQQ00000001/00010/00011/00100/00101/00110/

16、0011110001001/0/0/0/100000000Q3nQ2nQ1nQ0n00 01 11 10 10 0001 11 10CCPCPCPCPCP 3210 nnQQC03 Q1nQ0nQ3nQ2n 00 01 11 100001 11 10Q3n+1 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 0 0 0 10 1 0 11 0 0 1 0 0 0 00 0 1 00 1 1 00 1 0 01 0 0 00 0 1 10 1 1 1 nnQQ010 nnnnnnQQQQQQ0101311 nnnnnnnnQQQQQQQQ021201212 nnnnnnQQQQQQ0301213 狀態(tài)方程狀

17、態(tài)方程選擇選擇下降沿下降沿、JK 觸發(fā)器觸發(fā)器驅(qū)動方程驅(qū)動方程J0 = K0 = 1,J1= Q3nQ0n, K1= Q0J2 = K2 = Q1nQ0nJ3 = Q2nQ1nQ0n , K3 = Q0n 邏輯圖邏輯圖CP1KC1FF2&1JC1J1KC1FF01KC1FF3&1J1&Q1Q01KC1FF1&1J&Q2Q3Q3檢查能否自啟動檢查能否自啟動將無效狀態(tài)將無效狀態(tài)1010 1111代入狀態(tài)方程：代入狀態(tài)方程：1010 1011 01001110 1111 10001100 1011 0100能自啟動能自啟動nnQQC03 (二二) 十進制同步減

18、法計數(shù)器十進制同步減法計數(shù)器00001001/11000/00111/00110/00101/00100/0001100100001/0/0/0/0(略略)(三三) 十進制同步可逆計數(shù)器十進制同步可逆計數(shù)器(略略)(四四) 集成十進制同步計數(shù)器集成十進制同步計數(shù)器74160、741621 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9VCC CO Q0 Q1 Q2 Q3 CTT LDCR CP D0 D1 D2 D3 CTP 地地(引腳排列與引腳排列與74161相同相同)0 CR(74162 同步清零同步清零) 1 CR0 LD CP1 LDCR1PT CTCTnnQQ

19、CO03 nnQQCTCO03T 0PT CTCT1T CT進位信號保持進位信號保持0T CT進位輸出低電平進位輸出低電平1. 集成十進制同步加法計數(shù)器集成十進制同步加法計數(shù)器2. 集成十進制同步可逆計數(shù)器集成十進制同步可逆計數(shù)器(1) 74190 (單時鐘，引腳與單時鐘，引腳與74191相同相同)0 LD 3030DDQQ 1 LD0 CT 0/ DU加法計數(shù)加法計數(shù)1/ DU減法計數(shù)減法計數(shù)nnQQBOCO03/ nnnnQQQQBOCO0123 / 1 LD1 CT1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9D1 Q1 Q0 CT U/D Q2 Q3 地地V

20、CC D0 CP RC CO/BO LD D2 D3(2) 74192 (雙時鐘，引腳與雙時鐘，引腳與74193相同相同)1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9D1 Q1 Q0 CPD CPU Q2 Q3 地地VCC D0 CR BO CO LD D2 D31 CR0 LD 3030DDQQ 0 CR1 LD0 CR1 DUCP,CP加法計數(shù)加法計數(shù)1 UDCP,CPnnUQQCPCO03 減法計數(shù)減法計數(shù)nnnnDQQQQCPBO0123 1 LD0 CR 1 DUCPCP1 2 3 4 5 6 714 13 12 11 10 9 8S9A S9B Q2

21、Q1 地地VCC R0B R0A CP1 CP0Q0 Q3(三三) 集成十進制異步計數(shù)器集成十進制異步計數(shù)器S9A S9BQ0 Q1 Q2 Q3R0B R0AM1=2M1 = 5CP0CP11 1 0 0 0 0 1 11 0 0 1M = 2CPCP 00QM = 5CPCP 11 23 QQQM = 10CP010,QCPCPCP 01 23 QQQQ301,QCPCPCP 1 230QQQQCPCPCP1 2 3 4 5 6 714 13 12 11 10 9 8S9A S9B Q2 Q1 地地VCC R0B R0A CP1 CP0Q0 Q3(三三) 集成十進制異步計數(shù)器集成十進制異步計

22、數(shù)器S9A S9BQ0 Q1 Q2 Q3R0B R0AM1=2M1 = 5CP0CP11 10 0 0 01 11 0 0 1M = 2CPCP 00QM = 5CPCP 11 23 QQQM = 10CP010,QCPCPCP 01 23 QQQQ301,QCPCPCP 1 230QQQQCPCPCP同步置數(shù)同步置數(shù)異步異步清零清零六六進制進制計數(shù)器計數(shù)器七七進制進制計數(shù)器計數(shù)器方法方法用觸發(fā)器和門電路設(shè)計用觸發(fā)器和門電路設(shè)計用集成計數(shù)器構(gòu)成用集成計數(shù)器構(gòu)成)102(4 MM或或清零端清零端置數(shù)端置數(shù)端(同步、異步同步、異步) 例例 利用利用EWB觀察同步和異步歸零的區(qū)別。觀察同步和異步歸零

23、的區(qū)別。一、利用同步清零或置數(shù)端獲得一、利用同步清零或置數(shù)端獲得 N 進制計數(shù)進制計數(shù)當(dāng)當(dāng) M 進制計數(shù)到進制計數(shù)到 SN 1 后使計數(shù)回到后使計數(shù)回到 S0 狀態(tài)狀態(tài)2. 求歸零邏輯表達式；求歸零邏輯表達式；1. 寫出狀態(tài)寫出狀態(tài) SN 1 的二進制代碼；的二進制代碼；3. 畫連線圖。畫連線圖。 例例 用用4位二進制計數(shù)器位二進制計數(shù)器 74163 構(gòu)成構(gòu)成十二進制十二進制計數(shù)器。計數(shù)器。解：解：1. 013QQQCR 111SSN 013QQQLD 或或= 10112. 歸零表達式：歸零表達式：3. 連線圖連線圖Q0 Q1 Q2 Q3CTTLDCOCPCTPD0 D1 D2 D3CR1&a

24、mp;同步清零同步清零同步置零同步置零二、利用異步清零或置數(shù)端獲得二、利用異步清零或置數(shù)端獲得 N 進制計數(shù)進制計數(shù) 當(dāng)計數(shù)到當(dāng)計數(shù)到 SN 時，立即產(chǎn)生清零或置數(shù)信號，時，立即產(chǎn)生清零或置數(shù)信號， 使返回使返回 S0 狀態(tài)。狀態(tài)。（瞬間即逝）（瞬間即逝）1. 寫出狀態(tài)寫出狀態(tài) SN 的二進制代碼；的二進制代碼；2. 求歸零邏輯表達式；求歸零邏輯表達式；3. 畫連線圖。畫連線圖。 例例 用二用二-八八-十六進制異步計數(shù)器十六進制異步計數(shù)器74197構(gòu)成十二進制計數(shù)器。構(gòu)成十二進制計數(shù)器。110012 S23QQCR 23QQLD 或或Q0 Q1 Q2 Q3CP0D0 D1 D2 D3CRCP1

25、LDCT/&狀態(tài)狀態(tài)S12的作用：的作用：產(chǎn)生歸零信號產(chǎn)生歸零信號異步清零異步清零異步置零異步置零(一一) 歸零法存在的問題和解決辦法歸零法存在的問題和解決辦法 各觸發(fā)器的動態(tài)特性和帶負載情況不盡相同，且有隨各觸發(fā)器的動態(tài)特性和帶負載情況不盡相同，且有隨 機干擾信號，造成有的觸發(fā)器已歸零，有的不能歸零。機干擾信號，造成有的觸發(fā)器已歸零，有的不能歸零。Q0 Q1 Q2 Q3CTTLDCOCPCTPD0 D1 D2 D3CR11&1 1 001一種一種提高提高歸零歸零可靠可靠性的性的方法方法&QQSR計到計到 S12 = 1100 前：前：1, 00, 1 QQCPRS10

26、101計到計到 S12 = 1100時時( )：0110 Q,QCPR,S1 1010001CP = 0 之后：之后：01101001 Q,QCPR,S0有足夠的時間歸零有足夠的時間歸零三、提高歸零可靠性和計數(shù)容量的擴展三、提高歸零可靠性和計數(shù)容量的擴展思路：思路：用用 RS 觸發(fā)器暫存清零信號，觸發(fā)器暫存清零信號，保證有足夠的歸零時間。保證有足夠的歸零時間。(二二) 計數(shù)容量的擴展計數(shù)容量的擴展1. 集成計數(shù)器的級聯(lián)集成計數(shù)器的級聯(lián) Q0 Q1 Q2 Q3CTTLDCOCP CTP D0 D1 D2 D3CRQ4 Q5 Q6 Q7Q0 Q1 Q2 Q3CTTLDCOCP CTP D0 D1 D2 D3CRQ0 Q1 Q2 Q3CP11111CO016 16 = 256 Q0 Q1 Q2 Q3S9A S9B R0B R0ACP0CP1 Q0 Q1 Q2 Q3S9A S9B R0B R0ACP0CP1Q0 Q1 Q2 Q3Q0 Q1 Q2 Q31 2 4 810 20 40 8010 10 = 1002. 利用級聯(lián)獲得大容量利用級聯(lián)獲得大容量 N 進制計數(shù)器進制計數(shù)器1) 級聯(lián)級聯(lián) N1 和和 N2 進制計數(shù)器，容量擴展為進制計數(shù)器，容量擴展為 N1 N2N1進