数字电路与逻辑设计 第6章计数器11

1、1. 掌握计数器的基本概念及分类;2. 学会通过功能表了解计数器的逻辑功能；3. 灵活运用中规模计数器模块分析设计任意模计数电路。本节的重点常用时序逻辑电路：计数器一、计数器的概念用来计算输入脉冲数目的时序逻辑电路。它是用电路的不同状态来表示输入脉冲的个数。 计数器计数器的模计数器所能计算的脉冲数目的最大值（即电路所能表示状态数目的最大值） 电路作用：分频、定时、产生脉冲序列、数字运算等；二、计数器的分类按触发器的翻转次序，分为同步和异步计数器按进位制，分为模二、模十和任意模计数器按逻辑功能，分为加法、减法和可逆计数器按集成度，分为小规模与中规模集成计数器三、集成同步计数器 介绍: 异步清除：

2、当CR=0时,Q均为0 74161 4位二进制加法计数（异步清除） 74160 十进制同步计数器（异步清除） 同步清除： 是当CR=0时，在时钟信号作用下， 实现清除。 74163 4位二进制加法计数（同步清除） 74162 十进制同步计数器（同步清除） 74192:双时钟触发的4位十进制同步加/减计数器. 74193: 双时钟触发的4位二进制同步加/减计数器. 74190: 4位十进制同步加/减计数器。 74191: 4位二进制同步加/减计数器。集成同步计数器集成同步计数器74161 1、集成同步计数器74161 四个J-K触发器构成D3 D0:数据输入端CP: 时钟输入, 上升沿有效CR:

3、 异步清零, 低电平有效LD: 同步预置，低电平有效Q3 Q0:数据输出端CTP、CTT：使能端，多片级联1). 逻辑符号CPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT741612）74161逻辑功能描述CO=CTTQ0Q1Q2Q374161逻辑功能表保持,CO=0010Q3 Q2Q1Q0CPCTPCTT LDCR输 出预置数据输入时钟使能预置0 0 0 0X X X X011保持,CO保持X X X X0111计 数X X X X1111清零 CR 异步清零（与CP无关） LD同步并行置数（在CP上升沿时） CTPCTT=0 保持状态不变Q3Q2Q1Q00000Q3Q2Q1Q0 D3D

4、2D1D0(CP) CTPCTT=1 计数Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0 1D3D2D1D0d3 d2 d1 d0d3 d2 d1 d0CPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT74161时序图 LD d0 d1 d2 d3 CP CTP CTT Q0 Q1 Q2 Q3 CO 计数 保持 异步清零 同步预置 CR01111CR清零0111LD预置 0 1 01 1CTT CTP使能CP时钟 d3 d2 d1 d0 D3 D2 D1 D0预置数据输入0 0 0 0d3 d2 d1 d0保 持保 持十进制计数Q3 Q2 Q1 Q0输出工作模式异步清零同步

5、置数数据保持数据保持加法计数74160的功能表 8421BCD码同步加法计数器74160CPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT741602 、四位二进制同步计数器CT74163 CT74161功能表 输 入 输 出CPCRLDCTT CT PA B C DQA QB QC QD00 0 0 0 10A B C DA B C D110保持11 0保持111 1计数CT74163功能表2、四位二进制同步计数器CT74163 采用同步清零方式。当CR=0时，只有当CP 的上升沿来到时, 输出QDQCQBQA 才被全部清零。（1）外引线排列和CT74161相同（2）置数，计数，保持等功能

6、与CT74161相同（3）清零功能与CT74161不同解： 1片74LS161只能构成模16计数器，模256 = 1616，所以可用两片74LS161实现。两片均接成模16计数器并将两片级联起来，让两个芯片协同工作即可构成模256计数器片与片之间的连接方式：并行进位：低位片的进位信号（CO）作为高位片的使能 信号 （同步级联）串行进位：低位片的进位信号（CO）作为高位片的时钟 脉冲（异步级联）设计思想：3、集成计数器的计数扩展例：用74161组成模256计数器。1N = 1616=256 计数状态 : 0000 0000 1111 1111串行进位异步级联CP1 1 1 1 + 0 0 0 1

7、并行进位同步级联 电路图 集成计数器可以加适当反馈电路后构成任意模值M计数器。 通常中规模集成计数器都有清0、置数等多个控制端，因此实现任意M计数的基本方法有两种： (一）利用清除端CR的复位法。（反馈清零法） (二）利用置入控制端LD的置位法。（同步预置法）应用：用74161、74160组成任意模值计数器态序表 N Q3 Q2 Q1 Q0 CR0 0 0 0 0 11 0 0 0 1 12 0 0 1 0 13 0 0 1 1 14 0 1 0 0 15 0 1 0 1 16 0 1 1 0 17 0 1 1 1 18 1 0 0 0 19 1 0 0 1 110 1 0 1 0 0采用CT

8、74161(一）反馈清零法例1：分析图示电路的功能功能：M=10同步计数器CR=Q3Q1&CPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT741611 为什么1010状态不算在主循环内，用波形图说明同步计数器最低位Q0在CP翻转。先画最低位Q0Q2在Q1翻Q3在Q2翻 当第十个脉冲上升沿到达后Q3Q2Q1Q01010,/CR0。只要/CR=0,计数器强制置0。1010只能使Q3Q1出现一个很窄的小毛刺。缺点:Q1输出波形上有毛刺。造成/CR脉冲宽度太窄，清0不可靠。Q1在Q0翻&CPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT741611 当Q1由10，Q3没来的及翻，/CR早已变为1

9、，造成Q3Q2Q1Q01000 。发生错误计数假设:Q1比Q3速度快，低位先翻。&0&D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT74161当第十个CP到来：1011G1G2G3010当第十个CP到来：01 在第十个CP的或沿的作用下，Q端输出的清0信号宽度和计数脉冲CP=1的持续时间相同。足以保证各级触发器能正常工作。 基本触发器Q=0，/CR=0,使Q3Q2Q1Q0=0000。 基本触发器Q=1，/CR=1。000100加基本RS触发器，使 /CR 脉冲宽度变宽 克服清0不可靠的方法：CP1利用异步清零法实现模10计数的波形图：123456789 10态序表 N Q3 Q2 Q1 Q0

10、0 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 110 1 0 1 011 1 0 1 112 1 1 0 0采用CT74161例2:分析图示电路的功能(一）反馈清零法D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT74161CP1& 确定有效状态 画出计数器的逻辑电路找出反馈清零状态产生反馈清零信号2、采用清零法设计任意模值计数器设计步骤反馈清0法的基本思想是： 计数器从全0状态S0开始计数，计满M个状态产生清0信号，使计数器恢复到初态S0,然后再重复前面过程。例

11、1、用74161组成十进制(N=10)计数器解：Q3Q2Q1Q00 0 0 00 0 0 10 0 1 01 0 0 11 0 1 01 1 1 11 0 1 1 选择初态为0，09为有效状态，1015为无效状态。 当输入十个CP脉冲，Q3Q2Q1Q0=1010时， 强制计数器置0。强制置0信号是异步置0，与计数器其它状态无关。因而1010这个状态不计算在主循环内。反馈电路是一个二输入与非门设计举例( )CR=Q3Q1&CPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT741611最后画出原理电路图： 当Q1由10，Q3没来的及翻，/CR早已变为1，造成Q3Q2Q1Q01000 。发生错误计

12、数假设:Q1比Q3速度快，低位先翻&0&D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT74161当第十个CP到来：1011G1G2G3010当第十个CP到来：01 在第十个CP的或沿的作用下，Q端输出的清0信号宽度和计数脉冲CP=1的持续时间相同。足以保证各级触发器能正常工作。 基本触发器Q=0，/CR=0,使Q3Q2Q1Q0=0000。 基本触发器Q=1，/CR=1。000100加基本RS触发器，使 /CR 脉冲宽度变宽CP1例2 用74160组成48进制计数器。先将两芯片采用同步级联方式连接成100进制计数器， 然后再用异步清零法组成了48进制计数器。解：因为N48，而74160为模10

13、计数器，所以要用两片74160构成3Q2QCTTCP0D1D2D3DCO1Q0Q74160(1)CTPCRLD13DD3DCPQQ00CO74160(2)LD21CTTQDQCR2CTP1计数脉冲&11例3：用74161计数器实现模12计数。例4：用74161计数器实现模7计数。 由前面例题分析中可以发现，用反馈置零法设计计数器存在一个普遍规律：异步反馈清零法设计规律：D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT74161CP1&D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0COCTPCTT74161CP1&计数模值等于几,就由几产生清0信号。 74160是M10计数器，要实现模853计数，须用三片74

14、160级联。 用异步反馈置0法，使计数器计数脉冲输入到第853个脉冲时产整体置0信号 使计数器返回到初始状态0000。 利用各片间进位信号快速传递方法，组成计数模值为1000计数器。 大模分解法：M = M1 X M2 X M3=10X10X10=1000先设计M1000计数器计数范围：0852共853个状态 第853个状态产生异步置0译码信号。 所以第853个状态不计算在主循环内例5：用74160构成853计数分数器&CP1D3D2D1D08421COCTPCTT74160(1)CPD3D2D1D08421COCTPCTT74160(2)CPD3D2D1D08421COCTPCTT74160

15、(3)CP00001001(二）同步预置法例1.分析下图所示计数器电路，列出状态转移表01100(二）同步预置法例2.分析下图所示计数器电路，列出状态转移表 确定有效状态 产生同步预置信号 确定并入数据 画出计数器的逻辑电路。2、采用置数法设计任意模值计数器设计步骤计数模值M16例1：用74161实现十进制计数器。解：由于74161是M16计数器共有16个状态，要实现M10计数，必须跳越（1610）6个状态。共有三种跳跃方法：前十个状态 00001001 无C0中间十个状态 00111100 无C0后十个状态 01101111 有C0 反馈置数法是利用/LD=0进行同步置数。74161、741

16、60只有在CP到来时才能置数，CP没有到来，不能置数。CPQ3Q2Q1Q000000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011121100131101141110151111 前十个状态： 计数范围09，预置数为0，用9来反馈。 由于74161属于同步置数，有CP到来才能置数，反馈控制信号1001状态要计算在主循环内。具体设计方法：1Q3Q2Q1Q0CTTCTP&CPD3D2D1D0CP74161COQ3Q2Q1Q0CTPCTTCPQ3Q2Q1Q000000100012001030011401005010160110701

17、118100091001101010111011121100131101141110151111 后十个状态: 计数范围615，预置数为6，用15来反馈具体设计方法：CP1&0 1 1 0Q3Q2Q1Q0CTTCTPD3D2D1D0CP74161COQ3Q2Q1Q0CTPCTTCPQ3Q2Q1Q000000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011121100131101141110151111 中间十个状态: 计数范围312，预置数为3，用12来反馈具体设计方法：0 0 1 11Q3Q2Q1Q0CTTCTP&CPD3D2

18、D1D0CP74161COQ3Q2Q1Q0CTPCTT 置0000法： 例如，设计M10计数器，预置数为0000，置数信号为1019，即:Q3Q2Q1Q0=1001, 例如，设计M12计数器，预置数为0000，置数信号为12111，即:Q3Q2Q1Q0=1011, 置00001111之间任意数法： 从所置入数对应状态开始顺序数到M个状态，利用此状态产生置数信号/LD。 例如，设计M12计数器，假定预置数为8，从8数到12个状态，与第12个状态相对应的数，即为置数信号。由3（0011）产生置数译码信号，反馈置数法设计规律： 计数M=几，就由几-1组成置数信号。解： 利用大模分解法，M=M1XM2

19、=16X16=256,先用两片74161组成M256计数器，然后用反馈置数法实现M24计数。根据题意初始状态为00000001，即预置数为1。 利用反馈置数法，由于使用同步置数，置数状态计算在主循环之内。所以用24作反馈置数译码信号。（24)10（00011000）2计数范围：00000001000110000 0 0 110 0 0 例2：用74161设计M24计数器&1CPD0D1D2D3Q3Q2Q1Q0CTPCTTCO74161(1)1D0D1D2D3Q3Q2Q1Q0CTPCTTCO74161(2)1解：预置数为：0101置数控制信号： 列出状态转换表，从状态转换表判别是M几计数器。 假

20、定初始状态为0Q3Q2Q1Q0/LD00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 0 0 011111111111 如果初始条件不为0也没关系，计数器经过一个计数循环，不用的状态就自动丢掉了。 计数器计满值后自动返回0000，分析结果为M12计数器。例3、分析图示电路，说明是模几计数器。Q3Q2Q1Q0D0D1D2D3CTPCTTCO741611CP10 1 0 1解：预置数为：Q3011置数控制信号：Q3Q2Q1Q0/LD 假定初始状态为00 0 0 00 0 1 10 1 0

21、00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1011111011111 计数器计满值后自动返回 0000，所以是M12计数器。 同样列出状态转换表，从状态转换表判别是M几计数器。例4 分析图示电路，说明是模几计数器。Q3Q2Q1Q0D0D1D2D3CTPCTTCO741611CP1 0 1 1 解：一片74161最大计数模值为16，要实现M60计数 必须用两片74161。 大模分解法： M=M1XM2=6X10,用两片74161分别组成模6、模10计数器，然后级联组成模60计数器。用三种方法设计。方法一、反馈同步

22、置数法：（6）10 （0110）2低位片预置数：高位片预置数：（10）10 （1010）2利用计数器计满值CO=1,提取置数译码信号。经6个状态计满值经10个状态计满值例5：试用74161实现M60计数。1 0 1 0CPD3D2D1D0Q0Q1Q2Q3CTPCTTCO74161(1)110 1 1 0D3D2D1D0Q0Q1Q2Q3CTPCTTCO74161(2)11方法二、整体同步反馈置0000法： 先将两片74161级联成M=M1XM2=256计数器， 然后用整体置数法组成模60计数器。计数范围：059用什么产生置0控制信号？（59）10（00111011）2当计数器计到59（00111

23、011）时，两片同时置0。CPD0D1D2D3Q3Q2Q1Q0CTPCTTCO74161(1)1D0D1D2D3Q3Q2Q1Q0CTPCTTCO74161(2)1&方法三、整体同步反馈置数法：（利用进位输出作为置数控制信号） 计数范围196255，当计数器计到255时，CO=1，使两片74161置数控制端 /LD=0，下一个CP到来时置数。预置输入25660196（196）10（11000100）2低位片预置数：0100高位片预置数：1100该电路可以实现可编程分频器，只要改变预置数就可以改变分频比。CPD3D2D1D0Q0Q1Q2Q3CTPCTTCO74161(1)1D3D2D1D0Q0Q1

24、Q2Q3CTPCTTCO74161(2)1 0 1 0 0 1 1 0 01 对于同步置数的加法计数器来说，只要用进位输出CO作为置数译码信号(使/LD=0) ,并设置： 预置输入N - M，就可以实现模值为M的计数。 若要改变计数模值M,只需要改变预置输入数即可。N: 最大计数值。M: 要求计数值。快速设计法：同步预置：预置数N M M补计数值：M = 预置数补例如：模60计数器M =（60）1000111100 2预置数 M补=11000100计数值：M = 预置数补=001111002 = 6010 利用进位输出作为置数译码信号具有通用性： 例：图示计数器电路。试分别求出模100计数时的

25、 预置数？若预置数I7I0 = 01101000,试求计数模值。解：该电路为同步置数加法计数器，最大计数值为M=256。根据预置数N M M补可以求得： 当M=(100)10=(01100100)2 预置数I7I0=M补10011100 当I7I0=01101000时，由于M = 预置数补所以M=01101000补（10011000）2（152）10CPD0D1D2D3Q3Q2Q1Q0CTPCTTCO74161(1)1D0D1D2D3Q3Q2Q1Q0CTPCTTCO74161(2)1I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I71 N M 的实现方法：采用多片M进制计数器构成各芯片可以连接为串行进位方式或并行进位方式对于扩展为M的计数器再采用反馈清零或反馈置数进行设计例1 用74160组成42进制计数器。先将两芯片采用同步级联方式连接成100进制计数器， 然后再用异步清零法组成了42进制计数器。解：因为N42，而74160为模10计数器，所以要用两片74160构成(一）反馈清零法3Q2QCTTCP0D1D2D3DCO1Q0Q74160(1)CTPCRLD13DD3DCPQQ00CO74160(2)LD21CTTQDQCR2