第7章 常用時序邏輯功能器件

第7章常用時序邏輯功能器件7.1計數(shù)器7.2寄存器和移位寄存器§7.1計數(shù)器一、計數(shù)器的功能和分類1、概念：計數(shù)器是一種用來對輸入脈沖進行計數(shù)的時序邏輯電路。2、特點：（1）時鐘脈沖即為計數(shù)脈沖。（2）計數(shù)器實現(xiàn)指定計數(shù)范圍內(nèi)計數(shù)所需要的狀態(tài)數(shù)目稱為計數(shù)器的模。（3）計數(shù)器除了完成計數(shù)功能外，還可用于實現(xiàn)定時、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等特定功能，用途十分廣泛。

§7.1計數(shù)器一、計數(shù)器的功能和分類3.計數(shù)器的分類按工作方式分：同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。按功能分：加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。按計數(shù)器的計數(shù)容量(或稱模數(shù))來分：如二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、二－十進制計數(shù)器等等。計數(shù)器的分析計數(shù)器的設(shè)計電路由觸發(fā)器構(gòu)成電路由集成組件構(gòu)成用觸發(fā)器實現(xiàn)用集成組件實現(xiàn)4、計數(shù)器的研究內(nèi)容§7.1計數(shù)器一、計數(shù)器的功能和分類二、異步計數(shù)器的分析異步計數(shù)器的特點：在異步計數(shù)器內(nèi)部，有的觸發(fā)器直接受輸入計數(shù)脈沖控制，有的觸發(fā)器則是把其它觸發(fā)器的輸出信號作為自己的時鐘脈沖，因此各個觸發(fā)器狀態(tài)變換的時間先后不一，故被稱為“異步計數(shù)器”。Q2D2Q1D1Q0D0Q2Q1Q0CP計數(shù)脈沖三位二進制異步加法計數(shù)器例：三位二進制異步加法計數(shù)器。Q0Q1Q2

210001010101010001010110

11100000101計數(shù)規(guī)律：逢二進一。三位二進制異步加法計數(shù)器Q2D2Q1D1Q0D0Q2Q1Q0CP計數(shù)脈沖三位二進制異步加法計數(shù)器000001010011100101110111Q3Q2Q1

1200010101010111100101

10000異步計數(shù)器優(yōu)點：電路簡單、可靠。異步計數(shù)器缺點：速度慢。000001010011100101110111例：三位二進制異步減法計數(shù)器。JKQF3Q3JKQF2Q2JKQF1Q1計數(shù)輸入借位輸出Rd

10三、同步計數(shù)器的分析同步計數(shù)器的特點：在同步計數(shù)器內(nèi)部，各個觸發(fā)器都受同一時鐘脈沖——輸入計數(shù)脈沖的控制，因此，它們狀態(tài)的更新幾乎是同時的，故被稱為“同步計數(shù)器”。例：三位二進制同步加法計數(shù)器。三位二進制同步加法計數(shù)器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&計數(shù)脈沖CP分析步驟:1.先列寫控制端的邏輯表達式：J2=K2=Q1Q0J1=K1=Q0J0=K0=1三位二進制同步加法計數(shù)器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&計數(shù)脈沖CP2.再列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。001010000001010011011100100101101110110111111000

Q2Q1Q0Q2

Q1

Q0

現(xiàn)態(tài)次態(tài)n+1n+1n+1000001010011100101110111CPQ0Q1Q23.還可以用波形圖顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。思考題：試設(shè)計一個四位二進制同步加法計數(shù)器電路，并檢驗其正確性。Q0的輸出的波形的頻率是CP的1/2。Q1的輸出的波形的頻率是CP的1/4。Q2的輸出的波形的頻率是CP的1/8。二分頻四分頻八分頻說明：①計數(shù)器計數(shù)之前應(yīng)清零。但初始數(shù)據(jù)可以人為地置入。

②計數(shù)器的位數(shù)視需要而定。N個觸發(fā)器具有2n個狀態(tài)，稱為以2n為模的計數(shù)器（或模2n計數(shù)器），其計數(shù)容量為2n-1。

③異步二進制計數(shù)器也稱為紋波計數(shù)器。④同步計數(shù)器的計數(shù)速度比異步計數(shù)器高，但電路較復(fù)雜。四、任意進制計數(shù)器的分析1.寫出控制端的邏輯表達式。J1=K1＝1

J3=Q1Q2，K3＝Q1例1：分析步驟：JCPKQJKQF3F11JKQF2J2=Q1Q3，K2＝Q12.再列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程：所分析的電路為同步六進制加法計數(shù)器。001010000001010011011100100101101000110111111000Q3Q2Q1Q3Q2Q1

現(xiàn)態(tài)次態(tài)n+1n+1n+10000010101111100111001014.檢驗其能否自動啟動？3.還可以用波形圖顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換表(略)1.寫出控制端的邏輯表達式。D2=Q1

D4=Q3

例2：分析步驟：D3=Q2

DCPQDQF3F1DQF2DQF42.狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：該電路為格雷碼的八進制計數(shù)器該電路不會“掛起”Q4Q3Q2Q1Q4Q3Q2Q1

n+1n+1n+1n+1000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100010011010101111000101111001111000000100100011010001010110011100010110110010100000010000111110000110001101010110110010111111110用觸發(fā)器構(gòu)成的計數(shù)器電路的分析首先寫出觸發(fā)器的控制端的邏輯表達式再列寫計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表獲得計數(shù)器的模(即進制數(shù))最后需檢驗計數(shù)器的可靠性五、計數(shù)器的設(shè)計

計數(shù)器的設(shè)計方法很多，大抵可分為兩類：一是根據(jù)要求用觸發(fā)器(Flop-Flip)構(gòu)成，再就是利用具有特定功能的中規(guī)模集成組件適當(dāng)連接而成。1、利用觸發(fā)器設(shè)計某計數(shù)電路

例：數(shù)字控制裝置中常用的步進電動機有A、B、C三個繞組。電動機運行時要求三個繞組以AABBBC

CCA再回到A的順序循環(huán)通電，試設(shè)計一個電路實現(xiàn)之。設(shè)計步驟(分7步)如下：(1)根據(jù)任務(wù)要求，確定計數(shù)器的模數(shù)和所需的觸發(fā)器個數(shù)。本任務(wù)所需計數(shù)器的模數(shù)為6，所以觸發(fā)器的個數(shù)為3。(2)確定觸發(fā)器的類型。最常用的觸發(fā)器有D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，本任務(wù)中選用JK觸發(fā)器。001011010110100101(3)列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或轉(zhuǎn)換圖。用三個觸發(fā)器的輸出端QA、QB、QC分別控制電動機的三個繞組A、B、C，并以“1”表示通電，“0”表示不通電。以QCQBQA為序排列：(4)根據(jù)所選觸發(fā)器的激勵表，確定各個觸發(fā)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對控制端的電平要求。步進電動機繞組通電激勵表QnQn+1JKJK觸發(fā)器的驅(qū)動表000d011d10d111d00010110d1

d

d

00110100dd

0d

10101101dd

00

d110100d0d

10

d100101d00

d

1d101001d10

dd

0

原狀態(tài)下狀態(tài)對各控制端的電平要求QCQBQAQCQBQAJCKCJBKBJAKA

n+1n+1n+1(5)寫出各個控制端的邏輯表達式。JC=QAKC=QA

JB=QCKB=QC

JA=QBKA=QB

AABBBC

CCA再回到AJC=QAKC=QA

JB=QCKB=QC

JA=QBKA=QB

RDQCQCJCKCQBQBJBKBJAQAQAKARDSD預(yù)置數(shù)計數(shù)脈沖CP(6)畫出計數(shù)器的邏輯電路圖。RDQCQCJCKCQBQBJBKBJAQAQAKARDSD預(yù)置數(shù)計數(shù)脈沖CP(6)畫出計數(shù)器的邏輯電路圖。(7)檢驗該計數(shù)電路能否自動啟動。本計數(shù)電路有三個觸發(fā)器，可有八個狀態(tài)組合，可是只用去六個，尚有兩個未利用，因此需要檢驗一下，若不能自行啟動要進行修改。2、利用集成功能組件設(shè)計計數(shù)電路（Ⅰ）二-五-十進制計數(shù)器74LS90A、結(jié)構(gòu)和工作原理簡介QCQAJKQBJKJKQDQDJKCPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)QAQBQCQD74LS90內(nèi)部含有兩個獨立的計數(shù)電路：一個是模2計數(shù)器(CPA為其時鐘，QA為其輸出端)，另一個是模5計數(shù)器(CPB為其時鐘，QDQCQB為其輸出端)。外部時鐘CP是先送到CPA還是先送到CPB，在QDQCQBQA這四個輸出端會形成不同的碼制。CPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)NCNCVCCQAQDQBQCGND1234567141312111098QAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)CPBCPA74LS9074LS90管腳分布圖CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90R0(1)R0(2)R9(1)R9(2)QDQCQBQA

dd111

001110d000011d00

0

000d0d0dd

0d00d

d0d

0計數(shù)狀態(tài)74LS90功能表歸納：1.74LS90在“計數(shù)狀態(tài)”或“清零狀態(tài)”時，均要求R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”。2.只有在R0(1)和R0(2)同時為“1”時，它才進入“清零狀態(tài)”；否則它必定處于“計數(shù)狀態(tài)”。QCQAJKQBJKJKQDQDJKCPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)QAQBQCQD情況一：計數(shù)時鐘先進入CPA時的計數(shù)編碼。CPACPCPBQBQDQCQA25QDQCQB

000001010011100QDQCQBCPBQA

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

0000結(jié)論：上述連接方式形成

8421

碼。QDQCQBCPBQA

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

10008

10019

00000十進制數(shù)情況二：

計數(shù)時鐘先進入CPB時的計數(shù)編碼。CPACPQA2CPBQBQDQC5QDQCQB

000001010011100結(jié)論：上述連接方式形成5421

碼。

0000QAQDQCQBCPA

0001

0010

0011

0100

1000

1001

1010

1011

1100

0

0

00

00000QAQDQCQBCPA

00011

00102

00113

01004

10005

10016

10107

10118

11009

0

0

000

十進制數(shù)例1：構(gòu)成BCD碼六進制計數(shù)器。CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90方法：令R0(1)=QB，

R0(2)=QCCPB、74LS90的應(yīng)用QDQCQBQA00000000110010200113010040101501100000R0(1)和R0(2)同時為“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”時，它才進入“清零狀態(tài)”；CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP討論：下述接法行不行?錯在何處?注意：輸出端不可相互短路??！CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP&例2：用兩片74LS90構(gòu)成36進制8421碼計數(shù)器。QDQCQBQA

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

10008

10019

00000

十進制數(shù)問題分析：從右面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中可以看到：個位片的QD可以給十位片提供計數(shù)脈沖信號。1.如何解決片間進位問題？2.如何滿足“36進制”的要求？當(dāng)出現(xiàn)(00110110—36)狀態(tài)時，個位十位同時清零。R0(1)和R0(2)同時為“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”時，它才進入“清零狀態(tài)”；CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90(十位)CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90(個位)&&CP例2：用兩片74LS90構(gòu)成36進制8421碼計數(shù)器。個位片的QD可以給十位片提供計數(shù)脈沖信號。當(dāng)出現(xiàn)(00110110—36)狀態(tài)時，個位十位同時清零。R0(1)和R0(2)同時為“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”時，它才進入“清零狀態(tài)”；例3：用74LS90構(gòu)成5421碼的六進制計數(shù)器。

00000QAQDQCQB

00011

00102

00113

01004

10005

10016

10107

10118

11009

00

000

十進制數(shù)至此結(jié)束在此狀態(tài)下清零異步清零，此狀態(tài)出現(xiàn)時間極短，不能計入計數(shù)循環(huán)。CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖8421碼制下：在QDQCQBQA＝0110

時清零同為六進制計數(shù)器，兩種碼制不同接法的比較：5421碼制下：在QAQDQCQB＝1001

時清零CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖（2）四位二進制同步計數(shù)器74LS163前面所講述的74LS90其清零方式通常稱為“異步清零”，即只要Q0(1)=Q0(2)=1，不管有無時鐘信號，輸出端立即為0；而且它的計數(shù)方式是異步的，即CP不是同時送到每個觸發(fā)器。下面將要講述的74LS163，不但計數(shù)方式是同步的，而且它的清零方式也是同步的：即使控制端CLR＝0，清零目的真正實現(xiàn)還需等待下一個時鐘脈沖的上升沿到來以后才能夠變?yōu)楝F(xiàn)實。這就是“同步清零”的含義。16151413121110123456789QAQDQDQCQBQAQBQCVCCTTPPCPAABBCCDDCLRLOADENABLERC串行進位輸出允許允許GND時鐘清除輸出數(shù)據(jù)輸入置入74LS16374LS163管腳圖A、74LS163的介紹TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS16374LS163功能表1111計數(shù)0111X

保持1011X保持(RC=0)

XX01

并行輸入XXX0

清零PTLOADCLRCP

功能

清除置入ABCD時鐘允許P允許TQAQBQCQD串行進位輸出輸出數(shù)據(jù)輸入例1：用一片74LS163構(gòu)成六進制計數(shù)器。QDQCQBQA000000010010001101000101六個穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)備清零：使CLR＝0TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163&+5VCPB、74LS163的應(yīng)用在QDQCQBQA＝0110

時立即清零。比較用74LS90與用74LS163構(gòu)成六進制計數(shù)器:在QDQCQBQA＝0101時準(zhǔn)備清零。TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163&+5VCPCPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖例2：用74LS163構(gòu)成二十四進制計數(shù)器。(1).需要兩片74LS163；(2).為了提高運算速度，使用同步計數(shù)方式。TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163+5V+5V,,,,CPCLR應(yīng)該在QDQCQBQAQDQCQBQA＝00010111時準(zhǔn)備清零。,,,,QDQCQBQAQDQCQBQA,,,,CLR=六、計數(shù)器的應(yīng)用舉例

例1：數(shù)字頻率計原理電路的設(shè)計。清零計數(shù)1秒鐘顯示譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPA數(shù)字頻率計原理圖1Hz!計數(shù)器：用于確定清零、計數(shù)、顯示的時間。根據(jù)計數(shù)器的狀態(tài)確定何時清零、何時計數(shù)、何時顯示。被測信號Q2Q1Q0=001、101時：ux作為CPA被送入計數(shù)器進行計數(shù)1.計數(shù)顯示部分1110譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0=100、000時：計數(shù)器清零譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPA1011譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0=010、011、111、110時：ux被封鎖，計數(shù)器輸出保持。002.循環(huán)計數(shù)器部分自動時:譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0001011111110100Q2Q1Q0組成五進制計數(shù)器：計數(shù)清零顯示手動時：Q2Q1Q0的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系000001011111計數(shù)顯示手動清零譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPA自動測量過程：000001011111110100手動清零計數(shù)顯示顯示顯示自動清零1秒3秒1秒手動測量過程：手動清零計數(shù)顯示顯示0000010111111秒例2.電子表電路。功能說明：2.只顯示1、2、3、…9、10、11、12，十位不顯示“0”!1.只計12個小時；小時脈沖QAQDQCQBQ

顯示結(jié)果

0000011

1000102

2000113

3001004

4001015

5001106

6001117

7010008

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91000010

101000111

111001012

121001113

000011十位個位清零如何實現(xiàn)?小時脈沖QAQDQCQBQ

顯示結(jié)果

0000011

1000102

2000113

3001004

4001015

5001106

6001117

7010008

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111001012

121001113

000011十位個位清零CLR=QAQBQR0(1)=QAQBQR0(2)=1數(shù)字表整體框圖QAQDQCQBQDCBA74LS48顯示顯示bc

74LS907個位十位74LS20清零清零小時脈沖JKDCP一個D觸發(fā)器組成1位的數(shù)碼寄存器CP上升沿,Q=DCP高電平、低電平、下降沿，Q不變RDSDDCPQQ§7.2寄存器寄存器是計算機的主要部件之一，它用來暫時存放數(shù)據(jù)或指令?！?.2寄存器一、數(shù)碼寄存器Q3Q2Q1Q0&&&&QQDQQDQQDQQDA0A1A2A3CLR取數(shù)脈沖接收脈沖(CP)寄存器是計算機的主要部件之一，它用來暫時存放數(shù)據(jù)或指令。四位數(shù)碼寄存器由4D集成電路74LS175組成4位二進制數(shù)寄存器RDQQRDQQRDQQRDQQCP1D2D3D4DR2Q1Q3Q4Q1Q2Q3Q4QVcc(+5V)GNDRCP1D2D3D4D1Q2Q3Q4QLdddddLLLLH↑1D2D3D4D

1D2D3D4DHHddddHLdddd保持由4D集成電路74LS175組成4位二進制數(shù)寄存器〔吊高電平〕D3D2D1D0CPQ3Q2Q1Q0RGNDVcc+5V+5V74LS175（電源〕CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q4D鎖存器4位二進制數(shù)數(shù)碼寄存器(續(xù))由8D集成電路74LS273組成8位二進制數(shù)寄存器D3D2D1D0CPQ3Q2Q1Q0R+5V74LS2731D8D1Q8Q8D鎖存器Q4Q5Q6Q7D4D5D6D7CP8位二進制數(shù)D7~D0數(shù)碼寄存器用于計算機并行輸入/輸出接口外部設(shè)備(打印機)8D鎖存器1D~8D1Q~8QCPD7~D0計算機CPU控制信號計算機CPU數(shù)據(jù)總線輸出接口計算機總線畫法:一條粗線代表8條線二、移位寄存器

所謂“移位”，就是將寄存器所存各位數(shù)據(jù)，在每個移位脈沖的作用下，向左或向右移動一位。根據(jù)移位方向，常把它分成三種：寄存器左移(a)寄存器右移(b)寄存器雙向移位(c)1、移位寄存器根據(jù)移位數(shù)據(jù)的輸入－輸出方式，又可將它分為四種：FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF串入－串出串入－并出并入－串出并入－并出串行輸入－串行輸出串行輸入－并行輸出并行輸入－串行輸出并行輸入－并行輸出：SDQQDQQDQQDQQD&&&&A0A1A2A3RDCLRLOAD移位脈沖CP0串行輸出數(shù)據(jù)預(yù)置3210存數(shù)脈沖清零脈沖四位并入-串出的左移寄存器初始狀態(tài)：設(shè)A3A2A1A0＝1011在存數(shù)脈沖作用下，Q3Q2Q1Q0＝1011。D0＝0D1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2下面將重點討論藍顏色電路—移位寄存器的工作原理。QQDQQDQQDQQD移位脈沖CP0串行輸出3210D0＝0D1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2QQDQQDQQDQQD移位脈沖CP0串行輸出3210101101100110110011001000100000000000000000000000Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0設(shè)初態(tài)Q3Q2Q1Q0＝1011用波形圖表示如下：Q3Q2Q1Q0CP110100110011000000000001四位串入-串出的左移寄存器：D0

＝LD1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2四位串入-串出的右移寄存器：D1＝Q2D2＝Q3D3＝RD0＝Q1QQDQQDQQDQQDCP串行輸出3210串行輸入QDQQ3DQDQDCP串行輸出Q1Q2Q0串行輸入雙向移位寄存器的構(gòu)成：只要設(shè)置一個控制端S，當(dāng)S＝0時左移；而當(dāng)S＝1時右移即可。集成組件電路74LS194就是這樣的多功能移位寄存器。2、循環(huán)移位寄存器CQSRDQSRDQSRDQSRDQ1Q2Q3Q4CP經(jīng)4個CP脈沖