第7章 常用时序逻辑功能器件

第7章常用时序逻辑功能器件7.1计数器7.2寄存器和移位寄存器§7.1计数器一、计数器的功能和分类1、概念：计数器是一种用来对输入脉冲进行计数的时序逻辑电路。2、特点：（1）时钟脉冲即为计数脉冲。（2）计数器实现指定计数范围内计数所需要的状态数目称为计数器的模。（3）计数器除了完成计数功能外，还可用于实现定时、分频、产生节拍脉冲等特定功能，用途十分广泛。

§7.1计数器一、计数器的功能和分类3.计数器的分类按工作方式分：同步计数器和异步计数器。按功能分：加法计数器、减法计数器和可逆计数器。按计数器的计数容量(或称模数)来分：如二进制计数器、十进制计数器、二－十进制计数器等等。计数器的分析计数器的设计电路由触发器构成电路由集成组件构成用触发器实现用集成组件实现4、计数器的研究内容§7.1计数器一、计数器的功能和分类二、异步计数器的分析异步计数器的特点：在异步计数器内部，有的触发器直接受输入计数脉冲控制，有的触发器则是把其它触发器的输出信号作为自己的时钟脉冲，因此各个触发器状态变换的时间先后不一，故被称为“异步计数器”。Q2D2Q1D1Q0D0Q2Q1Q0CP计数脉冲三位二进制异步加法计数器例：三位二进制异步加法计数器。Q0Q1Q2

210001010101010001010110

11100000101计数规律：逢二进一。三位二进制异步加法计数器Q2D2Q1D1Q0D0Q2Q1Q0CP计数脉冲三位二进制异步加法计数器000001010011100101110111Q3Q2Q1

1200010101010111100101

10000异步计数器优点：电路简单、可靠。异步计数器缺点：速度慢。000001010011100101110111例：三位二进制异步减法计数器。JKQF3Q3JKQF2Q2JKQF1Q1计数输入借位输出Rd

10三、同步计数器的分析同步计数器的特点：在同步计数器内部，各个触发器都受同一时钟脉冲——输入计数脉冲的控制，因此，它们状态的更新几乎是同时的，故被称为“同步计数器”。例：三位二进制同步加法计数器。三位二进制同步加法计数器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&计数脉冲CP分析步骤:1.先列写控制端的逻辑表达式：J2=K2=Q1Q0J1=K1=Q0J0=K0=1三位二进制同步加法计数器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&计数脉冲CP2.再列写状态转换表，分析其状态转换过程。001010000001010011011100100101101110110111111000

Q2Q1Q0Q2

Q1

Q0

现态次态n+1n+1n+1000001010011100101110111CPQ0Q1Q23.还可以用波形图显示状态转换表。思考题：试设计一个四位二进制同步加法计数器电路，并检验其正确性。Q0的输出的波形的频率是CP的1/2。Q1的输出的波形的频率是CP的1/4。Q2的输出的波形的频率是CP的1/8。二分频四分频八分频说明：①计数器计数之前应清零。但初始数据可以人为地置入。

②计数器的位数视需要而定。N个触发器具有2n个状态，称为以2n为模的计数器（或模2n计数器），其计数容量为2n-1。

③异步二进制计数器也称为纹波计数器。④同步计数器的计数速度比异步计数器高，但电路较复杂。四、任意进制计数器的分析1.写出控制端的逻辑表达式。J1=K1＝1

J3=Q1Q2，K3＝Q1例1：分析步骤：JCPKQJKQF3F11JKQF2J2=Q1Q3，K2＝Q12.再列写状态转换表，分析其状态转换过程：所分析的电路为同步六进制加法计数器。001010000001010011011100100101101000110111111000Q3Q2Q1Q3Q2Q1

现态次态n+1n+1n+10000010101111100111001014.检验其能否自动启动？3.还可以用波形图显示状态转换表(略)1.写出控制端的逻辑表达式。D2=Q1

D4=Q3

例2：分析步骤：D3=Q2

DCPQDQF3F1DQF2DQF42.状态转换表：该电路为格雷码的八进制计数器该电路不会“挂起”Q4Q3Q2Q1Q4Q3Q2Q1

n+1n+1n+1n+1000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100010011010101111000101111001111000000100100011010001010110011100010110110010100000010000111110000110001101010110110010111111110用触发器构成的计数器电路的分析首先写出触发器的控制端的逻辑表达式再列写计数器的状态转换表获得计数器的模(即进制数)最后需检验计数器的可靠性五、计数器的设计

计数器的设计方法很多，大抵可分为两类：一是根据要求用触发器(Flop-Flip)构成，再就是利用具有特定功能的中规模集成组件适当连接而成。1、利用触发器设计某计数电路

例：数字控制装置中常用的步进电动机有A、B、C三个绕组。电动机运行时要求三个绕组以AABBBC

CCA再回到A的顺序循环通电，试设计一个电路实现之。设计步骤(分7步)如下：(1)根据任务要求，确定计数器的模数和所需的触发器个数。本任务所需计数器的模数为6，所以触发器的个数为3。(2)确定触发器的类型。最常用的触发器有D触发器和JK触发器，本任务中选用JK触发器。001011010110100101(3)列写状态转换表或转换图。用三个触发器的输出端QA、QB、QC分别控制电动机的三个绕组A、B、C，并以“1”表示通电，“0”表示不通电。以QCQBQA为序排列：(4)根据所选触发器的激励表，确定各个触发器在状态转换时对控制端的电平要求。步进电动机绕组通电激励表QnQn+1JKJK触发器的驱动表000d011d10d111d00010110d1

d

d

00110100dd

0d

10101101dd

00

d110100d0d

10

d100101d00

d

1d101001d10

dd

0

原状态下状态对各控制端的电平要求QCQBQAQCQBQAJCKCJBKBJAKA

n+1n+1n+1(5)写出各个控制端的逻辑表达式。JC=QAKC=QA

JB=QCKB=QC

JA=QBKA=QB

AABBBC

CCA再回到AJC=QAKC=QA

JB=QCKB=QC

JA=QBKA=QB

RDQCQCJCKCQBQBJBKBJAQAQAKARDSD预置数计数脉冲CP(6)画出计数器的逻辑电路图。RDQCQCJCKCQBQBJBKBJAQAQAKARDSD预置数计数脉冲CP(6)画出计数器的逻辑电路图。(7)检验该计数电路能否自动启动。本计数电路有三个触发器，可有八个状态组合，可是只用去六个，尚有两个未利用，因此需要检验一下，若不能自行启动要进行修改。2、利用集成功能组件设计计数电路（Ⅰ）二-五-十进制计数器74LS90A、结构和工作原理简介QCQAJKQBJKJKQDQDJKCPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)QAQBQCQD74LS90内部含有两个独立的计数电路：一个是模2计数器(CPA为其时钟，QA为其输出端)，另一个是模5计数器(CPB为其时钟，QDQCQB为其输出端)。外部时钟CP是先送到CPA还是先送到CPB，在QDQCQBQA这四个输出端会形成不同的码制。CPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)NCNCVCCQAQDQBQCGND1234567141312111098QAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)CPBCPA74LS9074LS90管脚分布图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计数状态74LS90功能表归纳：1.74LS90在“计数状态”或“清零状态”时，均要求R9(1)和R9(2)中至少有一个必须为“0”。2.只有在R0(1)和R0(2)同时为“1”时，它才进入“清零状态”；否则它必定处于“计数状态”。QCQAJKQBJKJKQDQDJKCPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)QAQBQCQD情况一：计数时钟先进入CPA时的计数编码。CPACPCPBQBQDQCQA25QDQCQB

000001010011100QDQCQBCPBQA

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

0000结论：上述连接方式形成

8421

码。QDQCQBCPBQA

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

10008

10019

00000十进制数情况二：

计数时钟先进入CPB时的计数编码。CPACPQA2CPBQBQDQC5QDQCQB

000001010011100结论：上述连接方式形成5421

码。

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

十进制数例1：构成BCD码六进制计数器。CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90方法：令R0(1)=QB，

R0(2)=QCCPB、74LS90的应用QDQCQBQA00000000110010200113010040101501100000R0(1)和R0(2)同时为“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一个必须为“0”时，它才进入“清零状态”；CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP讨论：下述接法行不行?错在何处?注意：输出端不可相互短路！！CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP&例2：用两片74LS90构成36进制8421码计数器。QDQCQBQA

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

10008

10019

00000

十进制数问题分析：从右面的状态转换表中可以看到：个位片的QD可以给十位片提供计数脉冲信号。1.如何解决片间进位问题？2.如何满足“36进制”的要求？当出现(00110110—36)状态时，个位十位同时清零。R0(1)和R0(2)同时为“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一个必须为“0”时，它才进入“清零状态”；CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90(十位)CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90(个位)&&CP例2：用两片74LS90构成36进制8421码计数器。个位片的QD可以给十位片提供计数脉冲信号。当出现(00110110—36)状态时，个位十位同时清零。R0(1)和R0(2)同时为“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一个必须为“0”时，它才进入“清零状态”；例3：用74LS90构成5421码的六进制计数器。

00000QAQDQCQB

00011

00102

00113

01004

10005

10016

10107

10118

11009

00

000

十进制数至此结束在此状态下清零异步清零，此状态出现时间极短，不能计入计数循环。CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP计数脉冲8421码制下：在QDQCQBQA＝0110

时清零同为六进制计数器，两种码制不同接法的比较：5421码制下：在QAQDQCQB＝1001

时清零CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP计数脉冲CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP计数脉冲（2）四位二进制同步计数器74LS163前面所讲述的74LS90其清零方式通常称为“异步清零”，即只要Q0(1)=Q0(2)=1，不管有无时钟信号，输出端立即为0；而且它的计数方式是异步的，即CP不是同时送到每个触发器。下面将要讲述的74LS163，不但计数方式是同步的，而且它的清零方式也是同步的：即使控制端CLR＝0，清零目的真正实现还需等待下一个时钟脉冲的上升沿到来以后才能够变为现实。这就是“同步清零”的含义。16151413121110123456789QAQDQDQCQBQAQBQCVCCTTPPCPAABBCCDDCLRLOADENABLERC串行进位输出允许允许GND时钟清除输出数据输入置入74LS16374LS163管脚图A、74LS163的介绍TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS16374LS163功能表1111计数0111X

保持1011X保持(RC=0)

XX01

并行输入XXX0

清零PTLOADCLRCP

功能

清除置入ABCD时钟允许P允许TQAQBQCQD串行进位输出输出数据输入例1：用一片74LS163构成六进制计数器。QDQCQBQA000000010010001101000101六个稳态准备清零：使CLR＝0TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163&+5VCPB、74LS163的应用在QDQCQBQA＝0110

时立即清零。比较用74LS90与用74LS163构成六进制计数器:在QDQCQBQA＝0101时准备清零。TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163&+5VCPCPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP计数脉冲例2：用74LS163构成二十四进制计数器。(1).需要两片74LS163；(2).为了提高运算速度，使用同步计数方式。TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163+5V+5V,,,,CPCLR应该在QDQCQBQAQDQCQBQA＝00010111时准备清零。,,,,QDQCQBQAQDQCQBQA,,,,CLR=六、计数器的应用举例

例1：数字频率计原理电路的设计。清零计数1秒钟显示译码显示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手动自动ux手动清零CPR0(1)R0(2)CPA数字频率计原理图1Hz!计数器：用于确定清零、计数、显示的时间。根据计数器的状态确定何时清零、何时计数、何时显示。被测信号Q2Q1Q0=001、101时：ux作为CPA被送入计数器进行计数1.计数显示部分1110译码显示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手动自动ux手动清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0=100、000时：计数器清零译码显示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手动自动ux手动清零CPR0(1)R0(2)CPA1011译码显示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手动自动ux手动清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0=010、011、111、110时：ux被封锁，计数器输出保持。002.循环计数器部分自动时:译码显示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手动自动ux手动清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0001011111110100Q2Q1Q0组成五进制计数器：计数清零显示手动时：Q2Q1Q0的状态转换关系000001011111计数显示手动清零译码显示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手动自动ux手动清零CPR0(1)R0(2)CPA自动测量过程：000001011111110100手动清零计数显示显示显示自动清零1秒3秒1秒手动测量过程：手动清零计数显示显示0000010111111秒例2.电子表电路。功能说明：2.只显示1、2、3、…9、10、11、12，十位不显示“0”!1.只计12个小时；小时脉冲QAQDQCQBQ

显示结果

0000011

1000102

2000113

3001004

4001015

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6001117

7010008

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000011十位个位清零如何实现?小时脉冲QAQDQCQBQ

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000011十位个位清零CLR=QAQBQR0(1)=QAQBQR0(2)=1数字表整体框图QAQDQCQBQDCBA74LS48显示显示bc

74LS907个位十位74LS20清零清零小时脉冲JKDCP一个D触发器组成1位的数码寄存器CP上升沿,Q=DCP高电平、低电平、下降沿，Q不变RDSDDCPQQ§7.2寄存器寄存器是计算机的主要部件之一，它用来暂时存放数据或指令。§7.2寄存器一、数码寄存器Q3Q2Q1Q0&&&&QQDQQDQQDQQDA0A1A2A3CLR取数脉冲接收脉冲(CP)寄存器是计算机的主要部件之一，它用来暂时存放数据或指令。四位数码寄存器由4D集成电路74LS175组成4位二进制数寄存器RDQQRDQQRDQQRDQQCP1D2D3D4DR2Q1Q3Q4Q1Q2Q3Q4QVcc(+5V)GNDRCP1D2D3D4D1Q2Q3Q4QLdddddLLLLH↑1D2D3D4D

1D2D3D4DHHddddHLdddd保持由4D集成电路74LS175组成4位二进制数寄存器〔吊高电平〕D3D2D1D0CPQ3Q2Q1Q0RGNDVcc+5V+5V74LS175（电源〕CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q4D锁存器4位二进制数数码寄存器(续)由8D集成电路74LS273组成8位二进制数寄存器D3D2D1D0CPQ3Q2Q1Q0R+5V74LS2731D8D1Q8Q8D锁存器Q4Q5Q6Q7D4D5D6D7CP8位二进制数D7~D0数码寄存器用于计算机并行输入/输出接口外部设备(打印机)8D锁存器1D~8D1Q~8QCPD7~D0计算机CPU控制信号计算机CPU数据总线输出接口计算机总线画法:一条粗线代表8条线二、移位寄存器

所谓“移位”，就是将寄存器所存各位数据，在每个移位脉冲的作用下，向左或向右移动一位。根据移位方向，常把它分成三种：寄存器左移(a)寄存器右移(b)寄存器双向移位(c)1、移位寄存器根据移位数据的输入－输出方式，又可将它分为四种：FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF串入－串出串入－并出并入－串出并入－并出串行输入－串行输出串行输入－并行输出并行输入－串行输出并行输入－并行输出：SDQQDQQDQQDQQD&&&&A0A1A2A3RDCLRLOAD移位脉冲CP0串行输出数据预置3210存数脉冲清零脉冲四位并入-串出的左移寄存器初始状态：设A3A2A1A0＝1011在存数脉冲作用下，Q3Q2Q1Q0＝1011。D0＝0D1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2下面将重点讨论蓝颜色电路—移位寄存器的工作原理。QQDQQDQQDQQD移位脉冲CP0串行输出3210D0＝0D1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2QQDQQDQQDQQD移位脉冲CP0串行输出3210101101100110110011001000100000000000000000000000Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0设初态Q3Q2Q1Q0＝1011用波形图表示如下：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串行输出3210串行输入QDQQ3DQDQDCP串行输出Q1Q2Q0串行输入双向移位寄存器的构成：只要设置一个控制端S，当S＝0时左移；而当S＝1时右移即可。集成组件电路74LS194就是这样的多功能移位寄存器。2、循环移位寄存器CQSRDQSRDQSRDQSRDQ1Q2Q3Q4CP经4个CP脉冲