Ch5-計(jì)數(shù)器和寄存器-2014

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

1.同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器按照二進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)的同步電路稱為同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。例4.1現(xiàn)態(tài)（計(jì)數(shù)輸出）：Qn0Qn1Qn2

進(jìn)位輸出（C）功能分析：3位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

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

將驅(qū)動(dòng)方程代入JK觸發(fā)器的特性方程中,得到各個(gè)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(jìn)制加法計(jì)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(jìn)制加法計(jì)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(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

各個(gè)JK觸發(fā)器都接成T觸發(fā)器的形式。用T觸發(fā)器構(gòu)造m位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的連接規(guī)律為2.同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器按照二進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)的同步電路稱為同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。用T觸發(fā)器構(gòu)造m位同步二進(jìn)制減法計(jì)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(dòng)信號(hào)及輸出信號(hào)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(jìn)制減法計(jì)數(shù)器時(shí)鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP輸出方程:驅(qū)動(dòng)方程:狀態(tài)方程:表5―2圖5―4所示四位同步二進(jìn)制減法計(jì)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(jìn)制減法計(jì)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(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖3.同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器將同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器和同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器合并,同時(shí)加上加/減控制信號(hào),可以構(gòu)成同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器。

圖5―7四位同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器輸出方程為

現(xiàn)在我們對(duì)信號(hào)分兩種情況進(jìn)行討論:當(dāng)=0時(shí),輸出方程為驅(qū)動(dòng)方程為

上述方程和圖5―1所示電路的輸出方程及驅(qū)動(dòng)方程相同?？梢姰?dāng)U/D=0時(shí),圖5―7所示電路實(shí)現(xiàn)四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的功能。當(dāng)時(shí),輸出方程為驅(qū)動(dòng)方程為

上述方程和圖5―4所示電路的輸出方程及驅(qū)動(dòng)方程相同。因此當(dāng)時(shí),圖5―7所示電路實(shí)現(xiàn)四位同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的功能。圖5―8圖5―7所示四位同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖4.同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器按照十進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行遞增計(jì)數(shù)的同步電路稱為同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

圖5―9同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器從圖5―9中可以得到:

時(shí)鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP

輸出方程:驅(qū)動(dòng)方程:狀態(tài)方程:表5―3圖5―9所示同步十進(jìn)制加法計(jì)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(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖5.同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器按照十進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行遞減計(jì)數(shù)的同步電路稱為同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。

圖5―12同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器由圖可以寫出如下方程:

時(shí)鐘方程:CP0=CP1=CP2=CP3=CP

輸出方程:驅(qū)動(dòng)方程:狀態(tài)方程:

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

圖5―15同步十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器當(dāng)時(shí),時(shí)鐘方程為

CP0=CP1=CP2=CP3=CP輸出方程為驅(qū)動(dòng)方程為

上述方程和圖5―9所示電路的方程相同。因此,當(dāng)時(shí),圖5-15所示邏輯電路實(shí)現(xiàn)同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的功能。當(dāng)時(shí),時(shí)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(dāng)時(shí),圖5―15所示邏輯電路實(shí)現(xiàn)同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的功能。圖5―16圖5―15所示同步十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖二.MSI計(jì)數(shù)器模塊及應(yīng)用

1.74163MSI計(jì)數(shù)器模塊

74163是中規(guī)模集成四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)范圍是0~15。它具有同步置數(shù)、同步清零、保持和二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)等邏輯功能。圖5―2974163MSI四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器（a）國(guó)標(biāo)符號(hào);（b）慣用模塊符號(hào)表5―974163MSI四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能表圖5―3074163MSI四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖2.74160MSI計(jì)數(shù)器模塊

74160是中規(guī)模集成8421BCD碼同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)范圍是0~9。它具有同步置數(shù)、異步清零、保持和十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)等邏輯功能。圖5―3174160MSI四位同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器（a）國(guó)標(biāo)符號(hào);（b）慣用模塊符號(hào)表5―1074160MSI四位同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器功能表圖5―3274160MSI四位同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖3.74191MSI計(jì)數(shù)器模塊

74191是中規(guī)模集成四位單時(shí)鐘同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)范圍是0~15。它具有異步置數(shù)、保持、二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)和二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)等邏輯功能。圖5―3374191MSI四位單時(shí)鐘同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器（a）國(guó)標(biāo)符號(hào);（b）慣用模塊符號(hào)表5―1174191MSI四位單時(shí)鐘同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器功能表圖5―3474191MSI四位單時(shí)鐘同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖4.用MSI計(jì)數(shù)器模塊構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器

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

當(dāng)已有計(jì)數(shù)器的模N大于要構(gòu)造計(jì)數(shù)器的模M時(shí),要設(shè)法讓計(jì)數(shù)器繞過其中的N-M個(gè)狀態(tài),提前完成計(jì)數(shù)循環(huán),實(shí)現(xiàn)的方法有清零法和置數(shù)法。清零法是在計(jì)數(shù)器尚未完成計(jì)數(shù)循環(huán)之前,使其清零端有效,讓計(jì)數(shù)器提前回到全0狀態(tài)。

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

計(jì)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(yīng)的轉(zhuǎn)換電路也有所不同。要讓計(jì)數(shù)器繞過SM狀態(tài)而從SM-1

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

狀態(tài)時(shí)使計(jì)數(shù)器的同步清零端或同步置數(shù)端有效,這樣，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來時(shí),計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)為全0狀態(tài)或預(yù)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(shí)才使計(jì)數(shù)器的異步清零端或異步置數(shù)端有效,此時(shí)，計(jì)數(shù)器立即被清零或置數(shù),SM狀態(tài)只會(huì)維持很短的時(shí)間,不是一個(gè)穩(wěn)定的計(jì)數(shù)狀態(tài)。圖5―35十六進(jìn)制加法轉(zhuǎn)換為十五進(jìn)制加法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖【例5.1】用74163構(gòu)造十五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。圖5―36用74163構(gòu)造十五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器（a）同步清零法;(b)同步置數(shù)法【例5.2】用74160構(gòu)造八進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。解:74160是具有異步清零和同步置數(shù)功能的十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,它的計(jì)數(shù)循環(huán)中包含10個(gè)狀態(tài)。因此,用74160構(gòu)造八進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器時(shí),要使它提前兩個(gè)狀態(tài)結(jié)束計(jì)數(shù)循環(huán),使?fàn)顟B(tài)0111的下一個(gè)狀態(tài)改為0000而非原來的1000,如圖5―37所示。

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

當(dāng)已有計(jì)數(shù)器的模N小于要構(gòu)造計(jì)數(shù)器的模M時(shí),如果M可以表示為已有計(jì)數(shù)器的模的乘積,則只需將計(jì)數(shù)器串接起來即可,無需利用計(jì)數(shù)器的清零端和置數(shù)端;如果M不能表示為已有計(jì)數(shù)器的模的乘積,則不僅要將計(jì)數(shù)器串接起來,還要利用計(jì)數(shù)器的清零端和置數(shù)端,使計(jì)數(shù)器繞過多余的狀態(tài)?！纠?.3】用74160和74163構(gòu)造一百六十進(jìn)制計(jì)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(gè)74160和一個(gè)74163連接起來實(shí)現(xiàn)一百六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖5―40并行進(jìn)位連接方式【例5.4】用74163構(gòu)造二百進(jìn)制計(jì)數(shù)器。解:74163的模為16,將兩片74163連接起來可以構(gòu)成二百五十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。要構(gòu)造二百進(jìn)制計(jì)數(shù)器,必須讓計(jì)數(shù)器繞過56個(gè)多余的狀態(tài),使計(jì)數(shù)器從全0狀態(tài)開始計(jì)數(shù),即經(jīng)過輸入200個(gè)計(jì)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(jì)數(shù)199個(gè)脈沖后,使兩片計(jì)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(gòu)成二百進(jìn)制計(jì)數(shù)器(a)整體清零法;(b)整體置數(shù)法【例5.5】用74160構(gòu)造60進(jìn)制計(jì)數(shù)器。解:74160的模為10,將兩片74160連接起來可以構(gòu)成100進(jìn)制計(jì)數(shù)器。要構(gòu)造60進(jìn)制計(jì)數(shù)器,必須讓計(jì)數(shù)器繞過40個(gè)多余的狀態(tài),使計(jì)數(shù)器從全0狀態(tài)開始計(jì)數(shù),即經(jīng)過輸入40個(gè)計(jì)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74160的清零是異步的，因此要在計(jì)數(shù)到60后清零。置數(shù)功能是同步方式的,因此要在計(jì)數(shù)到59后,使兩片計(jì)數(shù)器置數(shù)輸入端都有效。5.MSI計(jì)數(shù)器模塊的其他應(yīng)用 分頻器、定時(shí)器、并行/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路、序列信號(hào)發(fā)生器等。

圖5―42用74160構(gòu)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(shí)序圖

5.2寄存器

寄存器是另一種常用的時(shí)序邏輯電路,主要用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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