數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)（第三版）課件：常用時(shí)序邏輯電路及MSI時(shí)序電路模塊的應(yīng)用

常用時(shí)序邏輯電路及MSI時(shí)序電路模塊的應(yīng)用5.1計(jì)數(shù)器5.2寄存器5.3移位寄存器型計(jì)數(shù)器習(xí)題

本章介紹常用時(shí)序邏輯電路——計(jì)數(shù)器、移位寄存器和移位寄存器型計(jì)數(shù)器的基本概念、工作原理和邏輯功能，

同時(shí)還介紹了它們的典型MSI模塊及應(yīng)用。

5.1計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器是一種用途非常廣泛的時(shí)序邏輯電路，

它不僅可以對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，

還可以用在定時(shí)、分頻、信號(hào)產(chǎn)生等邏輯電路中。

計(jì)數(shù)器的種類很多，

根據(jù)它們的不同特點(diǎn)，

可以將計(jì)數(shù)器分成不同的類型。典型的分類方法有如下幾種:

(1)按計(jì)數(shù)器中觸發(fā)器狀態(tài)的更新是否同步可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器。

在同步計(jì)數(shù)器中，

所有要更新狀態(tài)的觸發(fā)器都是同時(shí)動(dòng)作的；

異步計(jì)數(shù)器中，

并非所有要更新狀態(tài)的觸發(fā)器都是同時(shí)動(dòng)作的。

(2)按計(jì)數(shù)進(jìn)制可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。按照二進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路稱為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在計(jì)數(shù)器中，

被用來計(jì)數(shù)的狀態(tài)組合的個(gè)數(shù)稱為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長度，

或稱為計(jì)數(shù)器的模。在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，

觸發(fā)器的所有狀態(tài)組合都被用來計(jì)數(shù)，

因此，n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長度為2n。

按照十進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路稱為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在十進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，

只有十個(gè)狀態(tài)組合被用來計(jì)數(shù)，

十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長度為10。

按照N進(jìn)制數(shù)規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路稱為N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在N進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，

有N個(gè)狀態(tài)組合被用來計(jì)數(shù)，N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)長度為N。

(3)按計(jì)數(shù)過程中的增減規(guī)律可以分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。按照遞增規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路，

稱為加法計(jì)數(shù)器；按照遞減規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖

進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路，

稱為減法計(jì)數(shù)器。在控制信號(hào)的作用下，

既可以按照遞增規(guī)律也可以按照遞減規(guī)律對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路，

稱為可逆計(jì)數(shù)器。

5.1.1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。圖5－1所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

圖5－1四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

由圖可以分別寫出電路的各方程:

時(shí)鐘方程:

輸出方程:

驅(qū)動(dòng)方程:

以上狀態(tài)方程在各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)有效時(shí)成立。由圖5－1可以看到，

各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)都連接在CP上，

而且四個(gè)觸發(fā)器都是下降沿動(dòng)作的，

這是一個(gè)同步電路，因此，

以上狀態(tài)方程在CP的下降沿到來時(shí)同時(shí)成立。

據(jù)狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，

列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表5-1所示。

根據(jù)表5-1，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，如圖5-2所示。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

從狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以清楚地看到，從任一狀態(tài)開始，經(jīng)過輸入16(24)個(gè)有效的CP信號(hào)(下降沿)后，計(jì)數(shù)器返回到原來的狀態(tài)。如果初始狀態(tài)為0000，則在第15個(gè)CP下降沿到

來后，輸出C變?yōu)?；在第16個(gè)CP下降沿到來后，輸出C由1變?yōu)??？梢岳肅的這一下降沿作為向高位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)。

圖5-3所示是該四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖。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

從時(shí)序圖中我們看到，各個(gè)觸發(fā)器的輸出Q0

、Q1

、Q2

和Q3

的頻率分別為時(shí)鐘信號(hào)頻率的1/2、1/4、1/8和1/16，可見計(jì)數(shù)器具有分頻功能。

在圖5-1所示電路中，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

圖5-4四位同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器

圖5-4所示電路的方程分別如下:

利用狀態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，列出計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表5-2所示。圖5-5所示為該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。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5-5表明，從任一狀態(tài)開始，經(jīng)過輸入16(24)個(gè)有效的CP信號(hào)(下降沿)后，計(jì)數(shù)器將返回到原來的狀態(tài)。如果初始狀態(tài)為0000，此時(shí)輸出B為1，則在第一個(gè)CP下降沿到來后，輸出B由1變?yōu)??？梢岳肂的這一下降沿作為向高位計(jì)數(shù)器的借位信號(hào)。

圖5-4所示電路的時(shí)序圖如圖5-6所示。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

將圖5-1所示的同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器和圖5-4所示的同步二進(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，如圖5-7所示。圖5-7四位同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器

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所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的同步十進(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

表5-3是電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，圖5-10為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。圖5-11所示是初始狀態(tài)為0000時(shí)的時(shí)序圖。圖5-10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所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的同步十進(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

表5-4和圖5-13所示分別為該同步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。當(dāng)初始狀態(tài)為0000時(shí)，時(shí)序圖如圖5-14所示。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

圖5-15同步十進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器

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

5.1.2異步計(jì)數(shù)器

1.異步二進(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)的異步電路稱為異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

圖5-17所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的四位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

圖5-17所示計(jì)數(shù)器的各類方程如下:

由圖5-17中可以看出，只有當(dāng)CP為下降沿時(shí)，Q0

才可能變化；只有當(dāng)Q0

由1變?yōu)?時(shí)，Q1

才可能變化；只有當(dāng)Q1

由1變?yōu)?時(shí)，Q2

才可能變化；只有當(dāng)Q2

由1變?yōu)?時(shí)，Q3

才可能變化。因此，愈往后面，觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生變化經(jīng)過的延時(shí)愈長。表5-5所示是計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，表中的時(shí)鐘條件欄列出了各個(gè)時(shí)鐘信號(hào)有效與否，↓表示下降沿。

該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和時(shí)序圖分別如圖5-18和圖5-19所示。在圖5-19中，為了簡單起見，忽略各個(gè)觸發(fā)器狀態(tài)變化的延時(shí)。可以看到，此時(shí)異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖和圖5-2所示的同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖相同。實(shí)際上，如果考慮延時(shí)，兩130數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)者的時(shí)序圖是有所差別的。圖5-18圖5-17所示四位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5-19圖5-17所示四位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

2.異步二進(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)的異步電路稱為異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。

圖5-20所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的四位異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。圖5-20四位異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器

由圖5-20所示電路，我們可以寫出下列方程:

圖5-21圖5-20所示四位異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5-22圖5-20所示四位異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

3.異步十進(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)的異步電路稱為異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

圖5-23所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

圖5-23所示電路的方程如下:

根據(jù)以上方程，可以得出圖5-23所示電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，分別如表5-7和圖5-24所示。圖5-25所示是其初始狀態(tài)為0000時(shí)的時(shí)序圖。圖5-23異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器圖5-24圖5-23所示異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5-25圖5-23所示異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

4.異步十進(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)的異步電路稱為異步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。圖5-26所示電路是由四個(gè)下降沿動(dòng)作的JK觸發(fā)器構(gòu)成的異步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。圖5-26異步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器

表5-8所示是該電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表；圖5-27所示是它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖；圖5-28所示是其初始狀態(tài)為0000時(shí)的時(shí)序圖。圖5-27圖5-26所示異步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖5-28圖5-26所示異步十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

5.1.3MSI計(jì)數(shù)器模塊及應(yīng)用

1.MSI74163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)范圍為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5-29(a)和(b)所示分別是它的國標(biāo)符號(hào)和慣用模塊符號(hào)；表5-9為它的功能表；圖5-30是它的時(shí)序圖。圖5-2974163四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器(a)國標(biāo)符號(hào)；(b)慣用模塊符號(hào)圖5-3074163四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

2.MSI74160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)范圍為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。74160的國標(biāo)符號(hào)和慣用模塊符號(hào)分別如圖5-31(a)和(b)所示。圖53174160四位同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器(a)國標(biāo)符號(hào)；(b)慣用模塊符號(hào)

圖5-3274160四位同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖

3.MSI74191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)范圍為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5-33(a)和(b)所示分別是它的國標(biāo)符號(hào)和慣用模塊符號(hào)。圖5-3374191四位單時(shí)鐘同步二進(jìn)制加/減可逆計(jì)數(shù)器(a)國標(biāo)符號(hào)；(b)慣用模塊符號(hào)

圖5-3474191四位單時(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)器就轉(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)。

【例5.1】用74163構(gòu)造十五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。

解

74163是具有同步清零和同步置數(shù)功能的四位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它的計(jì)數(shù)循環(huán)中包含16個(gè)狀態(tài)，因此又稱為十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。用74163構(gòu)造十五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器就是要提前一個(gè)狀態(tài)結(jié)束計(jì)數(shù)循環(huán)，使?fàn)顟B(tài)1110的下一個(gè)狀態(tài)改為0000而非原來的1111，如圖5-35所示。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

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

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)。

【例5.3】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。連接方法有串行進(jìn)位和并行進(jìn)位兩種，分別如圖5-39和圖5-40所示。圖5-39串行進(jìn)位連接方式圖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。

圖5-41(a)、(b)所示分別是整體清零法和整體置數(shù)法的電路連接圖。由圖中可知，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到第199個(gè)脈沖時(shí)，狀態(tài)為11000111，此時(shí)與非門G的輸出變?yōu)榈碗娖?，使清零輸入端或置?shù)輸入端有效。這樣，當(dāng)下一個(gè)脈沖(第200個(gè)脈沖)到來時(shí)，計(jì)數(shù)器被清零或被置數(shù)而重新回到全0狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)二百進(jìn)制的計(jì)數(shù)功能。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

5.MSI計(jì)數(shù)器模塊的其他應(yīng)用

MSI計(jì)數(shù)器模塊的應(yīng)用非常廣泛，除了能夠構(gòu)成任意模計(jì)數(shù)器外，還有很多其他的用途，典型的有分頻器、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所示是一個(gè)由三片74160構(gòu)成的分頻電路。如果在CLK輸入端加入頻率為f的脈沖信號(hào)，則將在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ片74160的進(jìn)位輸出端分別輸出頻率為10Hz、100Hz、1000Hz的脈沖信號(hào)。圖5-42用74160構(gòu)成分頻電路

圖5-43所示是一個(gè)由八進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器和八選一數(shù)據(jù)選擇器構(gòu)成的并行/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。在數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端加入并行數(shù)據(jù)，在CLK信號(hào)的控制下，并行數(shù)據(jù)中的各位將按順序一位接一位地從數(shù)據(jù)選擇器的輸出端輸出，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，時(shí)序圖如圖5-44所示。如果在數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)輸入端加入固定的數(shù)據(jù)，則在CLK信號(hào)的控制下，將在數(shù)據(jù)選擇器的輸出端產(chǎn)生相應(yīng)的序列信號(hào)。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?；炯拇嫫髦荒芗拇鏀?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、并行輸入/

串行輸出、串行輸入/并行輸出和串行輸入/串行輸出。

5.2.1基本寄存器

圖5-45所示是由四個(gè)下降沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器構(gòu)成的四位基本寄存器。它的工作原理很簡單:當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，加在D3、D2、D1、D0

上的四位并行數(shù)據(jù)就被送入到

四個(gè)觸發(fā)器的Q3、Q2、Q1、Q0

輸出端，在下一個(gè)CP的下降沿到來之前，這些數(shù)據(jù)一直寄存在輸出端。當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，各個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)方程如下:圖5-45四位基本寄存器

5.2.2移位寄存器

按照數(shù)據(jù)移位的特點(diǎn)，移位寄存器可分為單向移位寄存器和雙向移位寄存器。單向移位寄存器只能進(jìn)行單方向的數(shù)據(jù)移位，有右移和左移兩種。雙向移位寄存器在控制信號(hào)的

作用下可進(jìn)行向右和向左兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)移位。移位寄存器不僅可以用來寄存數(shù)據(jù)，還廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)的串行/并行轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算等。

1.單向移位寄存器

圖5-46所示為一個(gè)四位右移寄存器。數(shù)據(jù)從串行輸入端中輸入，在移位脈沖的作用下逐位右移，第一個(gè)CP下降沿到來時(shí)，第一位數(shù)據(jù)被移進(jìn)第一個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q0；第

二個(gè)CP下降沿到來時(shí)，第二位數(shù)據(jù)被移進(jìn)第一個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q0，第一位數(shù)據(jù)被移到第二個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q1；第三個(gè)CP下降沿到來時(shí)，第三位數(shù)據(jù)被移進(jìn)第一個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q0，第二位數(shù)據(jù)被移到第二個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q1，第一位數(shù)據(jù)被移到第三個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q2；第四個(gè)CP下降沿到來時(shí)，第四位數(shù)據(jù)被移進(jìn)第一個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q0，

第三位數(shù)據(jù)被移到第二個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q1，第二位數(shù)據(jù)被移到第三個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q2，第一位數(shù)據(jù)被移到第四個(gè)觸發(fā)器的輸出端Q3。由此可見，在移位脈沖的作用下，可以從其中一個(gè)觸發(fā)器的輸出端串行輸出數(shù)據(jù)，也可以經(jīng)過四個(gè)移位脈沖后，從四個(gè)觸發(fā)器的輸出端并行輸出數(shù)據(jù)。該寄存器有串行輸入/串行輸出、串行輸入/并行輸出兩種工作

方式。圖5-46四位右移寄存器

當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)方程為:圖5-47圖5-46所示右移寄存器的時(shí)序圖

圖5-47所示為輸入數(shù)據(jù)1001時(shí)寄存器的時(shí)序圖。

圖5-48所示是一個(gè)四位左移寄存器，其工作原理和圖5-46所示的右移寄存器相似。不同之處在于:在圖5-48所示寄存器中，數(shù)據(jù)是逐位左移的；在圖5-46所示寄存器中，數(shù)據(jù)是逐位右移的。圖5-48四位左移寄存器

當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)方程如下:

在圖5-46和圖5-48所示的移位寄存器中，數(shù)據(jù)都是串行輸入的，既可以串行輸出，也可以并行輸出，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行/并行轉(zhuǎn)換。圖5-49所示是一個(gè)數(shù)據(jù)并行輸入、串行輸出的移位寄存器，它可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行/串行轉(zhuǎn)換。圖5-49并入/串出移位寄存器

當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，由圖5-49寫出觸發(fā)器的狀態(tài)方程如下:

當(dāng)S/L=0時(shí)，數(shù)據(jù)可以從D0、D1、D2、D3

端并行輸入。當(dāng)S/L=1時(shí)，在移位脈沖CP的控制下，數(shù)據(jù)逐位右移，進(jìn)行串行輸出。因此，此寄存器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行/串行轉(zhuǎn)換，圖5-50所示是它的時(shí)序圖。圖5-50圖5-49所示寄存器的時(shí)序圖

2.雙向移位寄存器

圖5-51所示是一個(gè)雙向移位寄存器，利用它可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位右移，也可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐位左移。圖5-51雙向移位寄存器

此時(shí)，在移位脈沖CP的控制下，數(shù)據(jù)逐位右移。

圖5-52所示為寄存器的時(shí)序圖，圖中假設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0000。圖5-52圖5-51所示寄存器的時(shí)序圖

圖5-5374164八位單向移位寄存器(a)國標(biāo)符號(hào)；(b)慣用模塊符號(hào)

表5-12所示是74164的功能表。當(dāng)CP的上升沿到來時(shí)，74164的狀態(tài)方程為:

圖5-54所示是74164八位單向移位寄存器的時(shí)序圖。圖5-5474164八位單向移位寄存器的時(shí)序圖

圖5-5574194四位雙向移位寄存器(a)國標(biāo)符號(hào)；(b)慣用模塊符號(hào)

圖5-56為74194四位雙向移位寄存器的時(shí)序圖。

3.MSI寄存器模塊的應(yīng)用

MSI寄存器模塊的用途很廣泛，比較常用的有延時(shí)控制、序列發(fā)生與檢測(cè)、串行/并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

1)延時(shí)控制

利用串行輸入/串行輸出的MSI寄存器模塊可以產(chǎn)生一定數(shù)量的延時(shí)。圖5-57(a)所示是由74164構(gòu)成的結(jié)構(gòu)非常簡單的延時(shí)電路，時(shí)序圖如圖5-57(b)所示。

圖557(a)中，數(shù)據(jù)從74164的兩個(gè)串行輸入端輸入，從第i個(gè)(i=0，1，…，7)輸出端Qi

輸出，需要經(jīng)過i+1個(gè)移位脈沖。假設(shè)移位脈沖的周期為T，則輸出的延時(shí)為(i+1)T。圖5-57用74164進(jìn)行延時(shí)控制(a)邏輯電路；(b)時(shí)序圖

2)序列檢測(cè)

圖5-58所示是一個(gè)由74194雙向移位寄存器構(gòu)成的序列檢測(cè)電路。在電路中，74194工作于右移方式，數(shù)據(jù)序列Din由SR

端逐位右移輸入，輸出為

只有當(dāng)Din、Q0、Q1、Q2、Q3

分別為1、1、0、1、1時(shí)，輸出Y才為1，因此可以用這一電路檢測(cè)序列11011。圖5-58序列檢測(cè)電路

5.3移位寄存器型計(jì)數(shù)器

移位寄存器型計(jì)數(shù)器是在移位寄存器的基礎(chǔ)上，通過增加反饋構(gòu)成的。圖5-59所示是移位寄存器型計(jì)數(shù)器的邏輯結(jié)構(gòu)圖。環(huán)型計(jì)數(shù)器和扭環(huán)型計(jì)數(shù)器是兩種最常用的移位寄存器型計(jì)數(shù)器。圖5-59移位寄存器型計(jì)數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)圖

1.環(huán)型計(jì)數(shù)器

基本的環(huán)型計(jì)數(shù)器是將移位寄存器中最后一級(jí)的Q輸出端直接反饋到串行輸入端構(gòu)成的。圖5-60是一個(gè)由四個(gè)下降沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器組成的基本環(huán)型計(jì)數(shù)器。圖5-60環(huán)型計(jì)數(shù)器

當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)方程為:

表5-14和圖5-61所示分別是計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中共有六個(gè)循環(huán)，計(jì)數(shù)器正常工作時(shí)只能選用其中的一個(gè)循環(huán)(比如由0001、0010、0100、1000構(gòu)成的循環(huán))。被選中的循環(huán)是有效循環(huán)，其余循環(huán)都是無效循環(huán)。由于有無效循環(huán)，因此該計(jì)數(shù)器不能自啟動(dòng)。

圖5-62所示是經(jīng)過修改的、能夠自啟動(dòng)的環(huán)型計(jì)數(shù)器；圖5-63所示是由74194構(gòu)成的能夠自啟動(dòng)的環(huán)型計(jì)數(shù)器。它們的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖564所示。圖5-62修改的能自啟動(dòng)的環(huán)型計(jì)數(shù)器圖5-63由74194構(gòu)成的能自啟動(dòng)的環(huán)型計(jì)數(shù)器圖5-64自啟動(dòng)環(huán)型計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圖5-65扭環(huán)型計(jì)數(shù)器

當(dāng)CP的下降沿到來時(shí)，基本扭環(huán)型計(jì)數(shù)器中觸發(fā)器的狀態(tài)方程為:

.

基本扭環(huán)型計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖分別如表5-15和圖5-66所示。圖5-66圖5-65所示扭環(huán)型計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以看出，基本扭環(huán)型計(jì)數(shù)器也是不能自啟動(dòng)的。

圖5-67所示是經(jīng)過修改的能夠自啟動(dòng)的扭環(huán)型計(jì)數(shù)器；圖5-68所示是由74194構(gòu)成的能夠自啟動(dòng)的扭環(huán)型計(jì)