第三章 時(shí)序電路(鎖存器與寄存器)

§3-3寄存器3.3.1寄存器（1）寄存器的概念

若干個(gè)鐘控D觸發(fā)器或正沿D觸發(fā)器構(gòu)成的一次能存儲(chǔ)多位二進(jìn)制代碼的時(shí)序邏輯電路，叫寄存器。（2）鐘控D觸發(fā)器構(gòu)成的寄存器的工作過程①當(dāng)G=1時(shí)，Q=D，電路接收輸入數(shù)據(jù)；即當(dāng)使能信號(hào)到來（不鎖存數(shù)據(jù)）時(shí)，輸出端的信號(hào)隨輸入信號(hào)變化；（3）邏輯結(jié)構(gòu)與功能表（74LS373）②當(dāng)G=0時(shí)，D數(shù)據(jù)輸入不影響電路的狀態(tài)，電路鎖定原來的數(shù)據(jù)。（電位）（3）正沿D觸發(fā)器構(gòu)成的寄存器的邏輯結(jié)構(gòu)與功能表（74LS374）（脈沖）3.3.3移位寄存器向右移位的叫右移位寄存器，向左移位的叫左移位寄存器。具有右移、左移并行置數(shù)功能的寄存器叫做通用移位寄存器。（1）移位寄存器的概念在時(shí)鐘信號(hào)控制下，將所寄存的數(shù)據(jù)能夠向左或向右進(jìn)行移位的寄存器叫做移位寄存器。（2）右移位寄存器①右移位寄存器的邏輯結(jié)構(gòu)圖②右移位寄存器的功能描述把左邊一位觸發(fā)器的輸出端接到右邊一位觸發(fā)器的輸入端，進(jìn)行串行連接，其連接關(guān)系滿足如下表達(dá)式：所有時(shí)鐘端連在一起，接在一個(gè)CP同步脈沖信號(hào)源上。③右移位寄存器的工作波形圖RD完成觸發(fā)器“清零”的功能，低電平有效。（3）左移位寄存器①左移位寄存器的邏輯結(jié)構(gòu)圖②左移位寄存器的功能描述把右邊一位觸發(fā)器的輸出端接到左邊一位觸發(fā)器的輸入端，進(jìn)行串行連接，其連接關(guān)系滿足如下表達(dá)式：所有時(shí)鐘端接在同一個(gè)CP同步脈沖信號(hào)源上。③左移位寄存器的工作波形圖（4）通用移位寄存器①通用移位寄存器的邏輯結(jié)構(gòu)圖（74LS299）多路開關(guān)MUX功能選擇輸入端輸出控制端②

通用移位寄存器的邏輯功能表具有清零、并行置數(shù)、保持、左移、右移等功能。③通用移位寄存器的功能描述（74LS194）VCCQAQBQCQDS1S0CP16151413121110913456782QAQBQCQDCPS1S0RDLDCBARABCDDSRCRGND74LS194并行輸入DSL右移串行輸入左移串行輸入工作方式控制0111100011011直接清零保持右移(從QA向右移動(dòng))左移(從QD向左移動(dòng))并行置數(shù)

CRCPS1

S0功能74LS194功能表④

通用移位寄存器的四種工作方式并行輸入－并行輸出串行輸入－串行輸出串行輸入－并行輸出并行輸入－串行輸出§3-3計(jì)數(shù)器§3.3.4計(jì)數(shù)器的應(yīng)用§3.3.1

同步計(jì)數(shù)器§3.3.2異步計(jì)數(shù)器§3.3.3中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器§3.3.0

計(jì)數(shù)器的概念與分類（1）計(jì)數(shù)器的概念記憶輸入脈沖的個(gè)數(shù)。用于定時(shí)、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等等。（2）計(jì)數(shù)器的分類構(gòu)成計(jì)數(shù)器的核心元件是觸發(fā)器。

按功能分按進(jìn)位基數(shù)分按進(jìn)位方式分加法計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（模為2r的計(jì)數(shù)器，r為整數(shù)）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)器（又稱為并行計(jì)數(shù)器）異步計(jì)數(shù)器（又稱為串行計(jì)數(shù)器）§3.3.1

同步計(jì)數(shù)器電路中所有觸發(fā)器的時(shí)鐘都來自同一個(gè)時(shí)鐘脈沖源，即所有觸發(fā)器的狀態(tài)變化都與時(shí)鐘脈沖同步。1）根據(jù)已知的邏輯電路圖，寫出激勵(lì)方程和輸出方程；2）由激勵(lì)方程和觸發(fā)器特征方程寫出觸發(fā)器的狀態(tài)方程；3）作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表和狀態(tài)圖；4）進(jìn)一步分析其邏輯功能。（1）同步計(jì)數(shù)器：（2）同步計(jì)數(shù)器的一般分析步驟如下：【例1】分析下圖所示的同步計(jì)數(shù)器?！窘狻浚?）寫出輸出方程和激勵(lì)方程：

輸出方程：激勵(lì)方程：（2）寫出狀態(tài)方程（3）作狀態(tài)轉(zhuǎn)移表PS（現(xiàn)態(tài)）NS（次態(tài)）輸出Q3nQ2nQ1nQ3n+1Q2n+1Q1n+1Z00000100010100010011001110001001010101110011011101110001（4）作狀態(tài)圖

若是同步二進(jìn)制減法器，則連接關(guān)系為：（5）分析說明根據(jù)狀態(tài)圖，這個(gè)計(jì)數(shù)器是模M=8的二進(jìn)制加法器，計(jì)數(shù)循環(huán)從000-111，共8個(gè)狀態(tài)。當(dāng)計(jì)滿8個(gè)數(shù)時(shí)(狀態(tài)7)，輸出等于1，相當(dāng)于逢8進(jìn)1的進(jìn)位輸出。

同步二進(jìn)制加法器的組成很有規(guī)律，若JK觸發(fā)器的數(shù)目為k,模數(shù)為M=2k，各級(jí)之間的連接關(guān)系為：【例2】分析下圖所示的同步計(jì)數(shù)器?！窘狻?/p>

（1）寫出激勵(lì)函數(shù)：即，該計(jì)數(shù)器由右移寄存器構(gòu)成。若計(jì)數(shù)器中由端引入反饋，稱為扭環(huán)計(jì)數(shù)器。若計(jì)數(shù)器中由端引入反饋，稱為循環(huán)計(jì)數(shù)器。故本例為由3位右移寄存器構(gòu)成的扭環(huán)計(jì)數(shù)器。,連接方式為：（2）通常K位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)計(jì)數(shù)器，可以計(jì)2K個(gè)數(shù)，即M=2K。故本例為模6計(jì)算器。

（3）扭環(huán)計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表

CPPSNS輸出/輸入Q2Q1Q0Q2Q1Q0=D000000011100101112011111131111100411010005100000060000011（4）扭環(huán)計(jì)數(shù)器波形圖

（5）扭環(huán)計(jì)數(shù)器狀態(tài)圖

§3.3.2

異步計(jì)數(shù)器電路中各觸發(fā)器的時(shí)鐘不是來自同一個(gè)時(shí)鐘脈沖源。1）將時(shí)鐘信號(hào)引入觸發(fā)器的狀態(tài)方程

；（1）異步計(jì)數(shù)器：（2）異步計(jì)數(shù)器的一般分析步驟：分析方法與同步計(jì)數(shù)器類似，但要把時(shí)鐘信號(hào)作為輸入信號(hào)來處理。但應(yīng)注意以下三點(diǎn)：若是JK觸發(fā)器，狀態(tài)方程修改為：若是D觸發(fā)器，狀態(tài)方程修改為：第一項(xiàng)表示：CP有效（CP=1）時(shí)觸發(fā)器按JK或D觸發(fā)器規(guī)律變化；第二項(xiàng)表示：CP無效（CP=0）時(shí)觸發(fā)器維持原狀態(tài)。3）從第一級(jí)開始寫時(shí)鐘表達(dá)式和觸發(fā)器狀態(tài)方程，直到最后一級(jí)。

在全部狀態(tài)方程寫完后，再作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表和狀態(tài)圖。2）確定各級(jí)觸發(fā)器時(shí)鐘信號(hào)的表達(dá)式

；若時(shí)鐘取自觸發(fā)器端，則：若時(shí)鐘取自觸發(fā)器端，則

【例3】分析下圖所示的異步計(jì)數(shù)器。【解】（1）依次寫出Q0～Q3的時(shí)鐘表達(dá)式、激勵(lì)方程和次態(tài)方程：依次寫出Q0-Q3的時(shí)鐘表達(dá)式、激勵(lì)方程和次態(tài)方程：根據(jù)JK觸發(fā)器修改后的狀態(tài)方程：以及時(shí)鐘信號(hào)表達(dá)式：觸發(fā)器Q0

：

觸發(fā)器Q1

：觸發(fā)器Q2

：觸發(fā)器Q3

：（2）根據(jù)次態(tài)方程，作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表

PS（現(xiàn)態(tài)）NS（次態(tài)）00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110001001000110100010101100111100010010000101101001101010011110000（3）根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，作出狀態(tài)圖

從狀態(tài)圖可以看出，這是一個(gè)8421碼十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器。6個(gè)多余狀態(tài)也可以進(jìn)入計(jì)數(shù)循環(huán)，可以自啟動(dòng)。§3.3.3

中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器（3）中規(guī)模異步計(jì)數(shù)器（1）幾種常見的中規(guī)模計(jì)數(shù)器（2）中規(guī)模同步計(jì)數(shù)器（4）中規(guī)模計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)（5）用中規(guī)模計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器型號(hào)模式預(yù)置清零工作頻率74LS162A十進(jìn)同步同步（低）25MHz74LS160A十進(jìn)同步異步（低）25MHz74LS168十進(jìn)可逆同步無40MHz74LS190十進(jìn)可逆異步無20MHz74ALS568十進(jìn)可逆同步同步（低）20MHz74LS163A4位二進(jìn)同步同步（低）25MHz74LS161A4位二進(jìn)同步異步（低）25MHz74ALS5614位二進(jìn)同步同步（低）

異步（低）30MHz74LS1934位二進(jìn)可逆異步異步（高）25MHz74LS1914位二進(jìn)可逆異步無20MHz74ALS5694位二進(jìn)可逆同步異步（低）20MHz74ALS8678位二進(jìn)同步同步115MHz74ALS8698位二進(jìn)異步異步115MHz（1）幾種常見的中規(guī)模計(jì)數(shù)器（2）中規(guī)模同步計(jì)數(shù)器1）同步計(jì)數(shù)器特點(diǎn)：工作速度快，譯碼后輸出波形好。2）同步計(jì)數(shù)器主要功能：◆

可逆計(jì)數(shù)①加減控制方式：控制信號(hào)，時(shí)加計(jì)數(shù)，，時(shí)減計(jì)數(shù)。端輸入時(shí)加計(jì)數(shù)，端輸入時(shí)減計(jì)數(shù)。

②雙時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘從從可逆計(jì)數(shù)又稱加減計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)有以下兩種方式：◆預(yù)置功能所謂預(yù)置，就是控制端時(shí)，使計(jì)數(shù)器同步預(yù)置方式：即，QDQCQBQA=DCBA（輸入數(shù)據(jù)）。的狀態(tài)變成設(shè)定的外部輸入常數(shù)，，且下一個(gè)時(shí)鐘有效邊沿到來時(shí)完成預(yù)置。異步預(yù)置方式：時(shí)，立即預(yù)置數(shù)據(jù)送入各觸發(fā)器，與CP無關(guān)?！魪?fù)位功能所謂復(fù)位，就是從復(fù)位端輸入有效信號(hào)后，計(jì)數(shù)器恢復(fù)成初始狀態(tài)（全0或某個(gè)常數(shù)）。同步復(fù)位方式：用復(fù)位信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)CP配合完成。異步復(fù)位方式：用復(fù)位信號(hào)直接完成，與CP無關(guān)?！魰r(shí)鐘邊沿選擇

同步計(jì)數(shù)器一般用上升沿觸發(fā)，異步計(jì)數(shù)器一般用下降沿觸發(fā)。有的同步計(jì)數(shù)器有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端，既可用上升沿觸發(fā)，也可用下降沿觸發(fā)?！羝渌δ苡?jì)數(shù)器滿模值時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位輸出CO信號(hào)或借位輸出BO信號(hào)，作為標(biāo)志信號(hào)或進(jìn)位功能擴(kuò)展。計(jì)數(shù)控制輸入端（P、T），用來控制計(jì)數(shù)器是否計(jì)數(shù)。多片計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)時(shí)，可控制各級(jí)計(jì)數(shù)器的工作?！纠?】分析74LS163同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖(a)是它的邏輯電路圖，圖(b)是邏輯波形圖，表是功能表。

74LS163功能表

清除PTCPDCBAQD

QC

QB

QA0

1

1

1×

0

0

1×

1

0

1×

×

↑

↑××××××××dcba××××0000保持原狀態(tài)dcba計(jì)數(shù)【解】根據(jù)邏輯圖、波形圖、功能表分析，74LS163具有如下功能：①是同步4位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，M=16，CP上升沿觸發(fā)。②既可同步清除，也可異步清除。同步清除時(shí)，清除信號(hào)的低電平將在下一個(gè)CP上升沿配合下把四個(gè)觸發(fā)器的輸出置為低電平。異步清除時(shí)，直接用清除信號(hào)的低電平把四個(gè)觸發(fā)器的輸出置為低電平。⑤CO為進(jìn)位輸出，可用來級(jí)聯(lián)成n位同步計(jì)數(shù)器。③同步預(yù)置方式：當(dāng)LD=0時(shí)，在CP作用下，計(jì)數(shù)器可并行打入預(yù)置數(shù)據(jù).④當(dāng)LD=1時(shí)，使能輸入PT同時(shí)為高電平，在CP作用下，進(jìn)行正常計(jì)數(shù)。PT任一為低時(shí)，計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)。（3）中規(guī)模異步計(jì)數(shù)器下圖是異步計(jì)數(shù)器74LS90的邏輯電路圖，它包含M=2和M=5兩個(gè)獨(dú)立計(jì)數(shù)器。其中CP1、CP2為時(shí)鐘輸入端，R01、R02和R91、R92是兩組復(fù)位輸入端，但是沒有預(yù)置端。

74LS90的結(jié)構(gòu)框架圖⑥CP2輸入時(shí)鐘，QD輸出接CP1，實(shí)現(xiàn)5421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即當(dāng)模5計(jì)數(shù)器由100-->000時(shí)，QD產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘，使QA改變狀態(tài)。④CP1=0，CP2輸入時(shí)鐘，QDQCQB輸入，實(shí)現(xiàn)模5計(jì)數(shù)器。⑤CP1輸入時(shí)鐘，QA輸出接CP2，實(shí)現(xiàn)8421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。【解】從邏輯圖看出，計(jì)數(shù)器具有如下功能：①R91R92=0，R01R02=1時(shí)，計(jì)數(shù)器置全0。②R01R02=0，R91R92=1時(shí)，計(jì)數(shù)器置為9，即QDQCQBQA=1001。③CP2=0，CP1輸入時(shí)鐘，QA輸出，實(shí)現(xiàn)模2計(jì)數(shù)器。74LS90異步計(jì)數(shù)器功能表R01

R02R91

R91CP1

CP2QD

QC

QB

QA說明1

1

1

10

×

×

0×

×

×

×0

0

0

0

0

0

0

0異步置0

異步置00

×

×

01

1

1

1×

×

×

×1

0

0

1

1

0

0

1異步置9

異步置9×

0×

0↓

0二進(jìn)計(jì)數(shù)由QA輸出×

00

×0

↓五進(jìn)計(jì)數(shù)由QDQCQB輸出0

××

0↓

QA8421碼十進(jìn)計(jì)數(shù)QDQCQBQA輸出0

×0

×QD

↓5421碼十進(jìn)計(jì)數(shù)QDQCQBQA輸出（4）中規(guī)模計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)①同步級(jí)聯(lián)同步級(jí)聯(lián)方式的要點(diǎn)如下：◆外加時(shí)鐘CP同時(shí)接各片計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端。使各片同時(shí)工作?！暨M(jìn)位信號(hào)采用串行傳送時(shí)用前級(jí)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出CO來控制后級(jí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制輸入端（CTP+CTT）。只有CTP+CTT=0時(shí)才能計(jì)數(shù)?！鬋TP和CTT都用來控制計(jì)數(shù)，但CTT還能控制進(jìn)位的產(chǎn)生，因此在進(jìn)位采用并行傳送時(shí)，要求其單獨(dú)接地。為了實(shí)現(xiàn)高速，要求進(jìn)位信號(hào)必須并行傳送，為此需要外加或門，另外CTT端單獨(dú)接地。見圖所示。

【例3】請(qǐng)采用74LS169設(shè)計(jì)一個(gè)以216為模的高速計(jì)數(shù)器?！窘狻?4LS169是模16的同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要實(shí)現(xiàn)216為模的計(jì)數(shù)器，需要4片74LS169。②異步級(jí)聯(lián)異步級(jí)聯(lián)方式的特點(diǎn)是：用前級(jí)計(jì)數(shù)器的輸出作為后級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。如圖所示，用兩片74LS192構(gòu)成M=100的計(jì)數(shù)器。◆74LS192是雙時(shí)鐘方式的十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。◆CPU為加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD為減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端?！鬖D為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。◆CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除?！鬋O為進(jìn)位輸出：1001狀態(tài)后，負(fù)脈沖輸出。◆BO為借位輸出：0000狀態(tài)后，負(fù)脈沖輸出。要點(diǎn)說明：（5）用中規(guī)模計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器方法：狀態(tài)跳越法——復(fù)位法和預(yù)置法S0S1

S2

S3SM-1

SMSN-2SN-1復(fù)位法S0S1SiSm

Sk預(yù)置法Sk-1基本思想：計(jì)數(shù)器從某個(gè)預(yù)置狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，到達(dá)滿足M的終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，產(chǎn)生預(yù)置控制信號(hào)，加載到預(yù)置端LD，將外部輸入的預(yù)置信號(hào)值打入計(jì)數(shù)器。然后重復(fù)進(jìn)行。

①預(yù)置法◆同步預(yù)置方式加計(jì)數(shù)

預(yù)置值=N-M減計(jì)數(shù)

預(yù)置值=M-1其中N為原來計(jì)數(shù)器的模值，M為現(xiàn)在要求實(shí)現(xiàn)的模值?！舢惒筋A(yù)置方式加計(jì)數(shù)

預(yù)置值=N-M-1減計(jì)數(shù)

預(yù)置值=M

74LS192原來的模值為N=10，預(yù)置控制為異步方式，現(xiàn)用加計(jì)數(shù)預(yù)置值=N-M-1=3?！纠?】將74LS192十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器改造成M=6的計(jì)數(shù)器。【解】基本思想：計(jì)數(shù)器從某個(gè)狀態(tài)開始計(jì)數(shù)，到達(dá)滿足M的終止?fàn)顟B(tài)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)，加載到計(jì)數(shù)器的復(fù)位輸入端，使計(jì)數(shù)器恢復(fù)到初始狀態(tài)。然后重復(fù)進(jìn)行。復(fù)位法的先決條件是計(jì)數(shù)器必須有復(fù)位輸入端。②復(fù)位法◆

使用中規(guī)模同步計(jì)數(shù)器以74LS163為例，它是模16的計(jì)數(shù)器，采用同步清除，且只有一個(gè)復(fù)位端?，F(xiàn)要求構(gòu)造一個(gè)M=12的計(jì)數(shù)器，因此必須外加門電路來檢測(cè)終止?fàn)顟B(tài)。我們采用復(fù)0法，由于是同步清除，計(jì)數(shù)器的狀態(tài)見圖所示。外加的門電路一旦檢測(cè)出計(jì)數(shù)器狀態(tài)QDQCQBQA=1011時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電位，并在CP上升沿到來時(shí)將計(jì)數(shù)器清0?！?/p>

使用中規(guī)模異步計(jì)數(shù)器以74LS90異步計(jì)數(shù)器為例，它由模2和模5計(jì)數(shù)器組成，有R01R02和R91R92兩組復(fù)位輸入端，采用異步復(fù)位方式?，F(xiàn)要求用74LS90構(gòu)成M=6的計(jì)數(shù)器，我們采用復(fù)0法，不需要外加門邏輯，其邏輯連接和狀