中规模时逻辑集成计数器

中规模时逻辑集成计数器

　　在数字电路中，把记忆输人脉冲个数的操作称为计数，计数器就是实现计数操作的时序逻辑电路。计数 器应用非常广泛，除用于计数、分频外，还用于数字测量、运算和控制，从小型数字仪表到大型数字电子 计算机，几乎无所不在，是任何现代数字系统中不可缺少的组成部分。

　　计数器的种类很多，按其进制不同分为二进制计数器、十进制计数器、N进制计数器；按触发器翻转是否 同步分为异步计数器和同步计数器；按计数时是增还是减分为加法计数器、减法计数器和加/减法（可逆 ）计数器。下面首先介绍二进制计数器。

　　1．集成二进制计数器74LS161

　　74LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数 、保持等功能。74LS161的逻辑电路图和引脚排列图如图1所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D₀ ，D₁，D₂，D₃是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级 联提供了方便。

　　74LS161的功能表如表1所示。由表可知，74LS161具有以下功能。

图1 74LSl61的逻辑电路图和引脚图

　　（1）异步清零功能

　　当CR＝0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。

　　（2）同步并行预置数功能

　　在CR＝1的条件下，当LD＝0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，D₃，D₂，D₁，D₀输入端的数据将分别被Q₃～Q₀所接收。由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。

　　（3）保持功能

　　在CR=LD＝1的条件下，当T＝P＝0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数） 。

　　（4）同步二进制计数功能

　　当CR＝LD＝P＝T＝1时，74LS161处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路 将从1111状态返回到0000状态，状态表见表2。

　　（5）进位输出C

　　当计数控制端T＝1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。

　　表1 74LS161的功能表

　　表2  进制同步加法计数器的状态表

　　若输入计数器的CP脉冲频率为f，则从Qo端输出脉冲频率为f/2，通常也称Qo端输出信号是输人计数脉冲 CP的2分频信号，Q1端输出信号是输人计数脉冲CP的4分频信号，Q4端输出信号是输人计数脉冲CP的16分频 信号。N进制计数器可实现n分频。

　　2．十进制计薮器

　　二进制计数器电路简单，运算也方便，但人们最习惯的是十进制，所以在应用中常使用十进制计数器。使用较多的十进制计数器是按照8421BCD码进行计数的电路，计数器由“0000”状态开始计 数，每10个脉冲一个循环，也就是第10个脉冲到来时，由“1001”变为“0000”，就实现了“逢十进一” ，同时产生一个进位信号。74LS160是集成同步十进制计数器，它是按8421BCD码进行加法计数的， 74LS160的引脚图、逻辑功能与74LS161相同，只是计数状态是按照十进制加法规律来计数的，因此不再重 述。

　　3．利用集成计数器构成Ⅳ进制计数器

　　目前集成计数器的品种很多，功能完善，通用性强，在实际应用中，如果要设计各种进制的计数器，可 以直接选用集成计数器，外加适当的电路连接而成。在使用集成计数器时，不必去剖析集成电路的内部结 构，一般只需查阅手册给出的功能表和芯片引脚，按其指定的功能使用即可。

　　（1）集成计数器计数长度的扩展

　　由于4位或8位的二进制或十进制集成计数器比较常见，但其计数范围有限，当计数值超过计数范围时， 可采用计数器的级联来实现。

　　如用现有的″进制集成计数器构成Ⅳ进制计数器时，如果M＞N，则只需一片M进制计数器；如果M＜N，则 要用多片M进制计数器。集成计数器一般都设置有级联的输入/输出端，只要把它们连接起来，便可得到容 量更大的计数器。

　　如用74LS161组成256进制计数器，因为N（＝256）＞M（＝16），且256＝16×16，所以要用两片74LS161 构成此计数器。每片均接成十六进制。

　　如图2所示是把两片74LS161级联起来构成的256进制同步加法计数器。两片74LS161的CP端均与计数脉冲 CP连接，因而是同步计数器。低位片（片1）的使能端P＝T＝1，因而它总是处于计数状态；高位片（片2 ）的使能端接至低位片的进位信号输出端C，只有当片1计数至1111状态，使其C＝1时，片2才能处于计数 状态。在下一个计数脉冲作用后，片1由1111状态变成0000状态，片2计人一个脉冲，同时片1的进位信号C 也变成0，使片2停止计数，直到下一次片1的C再为1。同理，如果将两片74LS161换成74LS160，可构成100 进制的同步加法计数器。

　图2  集成计数器的级联

　　（2）用反馈清零法获得任意进制计数器

　　由于集成计数器一般都设置有清零端和置数端，而且无论是清零还是置数都有同步和异步之分。例如，4 位二进制同步加法计数器74LS163的清零和置数均采用同步方式，而有的只有异步清零功能。获得任意进 制计数器的方法很多，本书只介绍用反馈清零法获得任意进制计数器。

　　如用74LS16l构成九进制加法计数器，九进制计数器（N＝9）有9个状态，而74LS161在计数过程中有16个状态（M＝［6），正常循环从0000到1111，要构成九进制加法计数器，此时必须设法 跳过M－N（16 － 9＝7）个状态。74LS161具有异步清零功能，在其计数过程当中，不管它的输出处于哪 一状态，只要在异步清零输人端加一低电平电压，使CR＝0，74LS161的输出会立即从那个状态回到0000状 态。清零信号（CR＝0）消失后，74LS161又从0000状态开始重新计数。

　　如图3（a）所示的九进制计数器，就是借助74LS161的异步清零功能实现的。如图3（b）所示电路是九进 制计数器的主循环状态图。

                     
（a）用反馈清零法将74LS161接成九进制计数器                                                                      （b）用反馈清零法获得九进制计数器状态图
　　图3 九进制计数器

　　由图可知，74LSl61从0000状态开始计数，当输人第9个CP脉冲（上升沿）时，输出Q₃Q₂Q₁Q₀＝1001，此 时CR＝Q₃Q₀＝0,反馈给CR端一个清零信号，立即使Q₃Q₂Q₁Q₀返回0000状态，接着CR端的清零信号也随之消 失，74LS161重新从0000状态开始新的计数周期。需要说明的是，此电路一进人1001状态后，立即叉被置 成0000状态，即1001状态仅在极短的瞬间出现，因此，在主循环状态图中用虚线表示。这样就跳过了1001 ～1111共7个状态，获得了九进制计数器。同理，如果将74LS16l换成74LS160，也可构成九进制加法计数 器。

　　4，数字钟

　　数字钟由石英晶体振荡器、分频器、计数器、译码器、显示器和校时电路组成，石英晶体振荡器产生的 信号经过分频器变为秒脉冲，秒脉冲送人计数器计数，计数结果通过“时”、“分”、“秒”译码器显示 时间，电路如图4所示。

　　①振荡器：由CC4069非门IC1-1，IC1－2，f0＝32768Hz的石英晶体振荡器、电阻和电容组成。由ICl－2 的4脚输出的频率为32768Hz的方波。

　　②分频器：由两个74LS393 IC2，IC3组成，74LS393是双4位二进制计数器，32768Hz的方波与IC2的I脚相 连，输人时钟脉冲，两个74LS393组成分频器，32768＝215，因此，由9脚输出秒脉冲。

　　③计数器：由6个74LS160 IC4，IC5，IC6，IC7，IC8，IC9和相应的门电路四2输人与门74LS08、四2输人 与非门74LS00等，分别组成60进制“秒”计数器电路、60进制“分”计数器电路和24进制“时”计数器电 路。

　　④译码和显示电路：由6个74LS247 IC10，IC11，IC12，IC13，IC14，IC15，IC16和6个数码管组成。

　　⑤时间校准电路：其作用是当计时器刚接通电源或走时出现误差时，实现对“时”、“分”、“秒”的 校准，由四2输人与门74LS08、四2输入或门74LS32、四2输人或非门74LS02等组成。

　　图4  数字钟电路

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