《电路与电子技术》课件第19章

第19章寄存器和计数器19.1寄存器19.2同步计数器19.3异步计数器19.4任意进制计数器的构成方法习题19

寄存器是暂时存放二进制数码的逻辑部件。它通常由触发器和门电路组成，前者用来存放数码，后者用来控制数码的接收与发送。一个触发器可以存放一位二进制代码，N个触发器可以存放N位二进制代码，即寄存器存放代码的位数和所用的触发器个数是相同的，用N个触发器就可组成N位寄存器。寄存器分为数码寄存器和移位寄存器，它们是数字电路中使用最广泛的基本逻辑部件，下面分别介绍。19.1寄存器19.1.1数码寄存器

数码寄存器是用于存放二进制代码的电路。图19.1所示是利用触发器的记忆功能构成的寄存器，它是由四个D触发器(F0～F3)组成的，有D0～D3四个数据输入端，Q0～Q3四个输出端。CP为脉冲输入端，D为各触发器的清零端，低电平有效。

图19.1四位数码寄存器寄存器的工作原理如下：

当RD＝0时，触发器F0～F3同时被置0；寄存器工作时，RD＝1。要存放二进制代码时，将数据放到数据输入端D0～D3处，在CP脉冲的作用下，输入到F0～F3四个D触发器中，寄存器的输出端为Q3Q2Q1Q0＝D3D2D1D0。

在CP＝0，RD＝1时，寄存器中存放的数据保持不变，即F0～F3的状态保持不变。从图19.1中不难看出，这种寄存器在接收数据时，各位数据是同时输入的，输出数据也是同时进行的，故称为并行输入输出数码寄存器，其常用型号有74LS175和CC4076。19.1.2移位寄存器

移位寄存器不仅能储存代码，而且还具有移位功能。移位功能是指存储在寄存器里的二进制代码能在时钟脉冲的作用下依次左移或右移一位。移位存储器可用来实现数据的串—并行转换等。

移位寄存器的输入、输出分串行和并行两种。串行输入方式是指在CP脉冲的作用下，将数据从寄存器的最低位逐位输入到各寄存器中；并行输入方式是指在CP脉冲的作用下，各位数据同时输入到各寄存器中。串行输出方式是指在CP脉冲的作用下，数据从寄存器的最高位逐位输出；并行输出方式是指在CP脉冲的作用下，寄存器中各触发器同时对外输出数据。移位寄存器又分单向移位寄存器和双向移位寄存器。

1.单向移位寄存器

图19.2所示是用四个D触发器组成的四位右移寄存器，其中F3是最高位数码触发器，F0是最低位数码触发器，四个触发器共用同一个时钟脉冲CP信号，因此称为同步时序电路。F0的D0端采用串行输入方式，每当CP脉冲沿到来时，输入的数码就被移入到F0触发器，而每个触发器的状态在CP脉冲的作用下，也同时移入下一位触发器，最高位触发器的状态从串行输出端移出寄存器。如果将一组四位数码逐位移到寄存器中，经过四个CP脉冲后，将在F3F2F1F0四个输出端(Q3Q2Q1Q0)并行输出四位数码，即将串行数据输入转换成并行数据输出。

图19.2四位右移寄存器

【例19.1】有一组串行数据1011，依次送入四位右移寄存器，试画出四位右移寄存器的电路、状态表和工作波形图。

解根据题意画出如图19.3所示的电路图和波形图，状态表如表19.1所示(输入数据为1011)。

同理，用D触发器也可以组成左移寄存器，这里不再叙述。

图19.3例19.1图(a)四位右移寄存器电路图；(b)波形图

表19.1四位右移寄存器状态表

2.双向移位寄存器

由单向移位寄存器的工作原理可知，双向移位寄存器是在单向移位寄存器的基础上增加左移或右移功能来实现的，另外加上一些控制电路和控制信号即可构成双向移位寄存器。图19.4所示为集成四位双向移位寄存器74LS194的引脚图，其功能表如表19.2所示。

图19.4四位双向移位寄存器74LS194引脚图

表19.2四位双向移位寄存器74LS194功能表

数字电路中使用最多的时序电路就是计数器。计数器不仅能用于时钟脉冲的计数，还可以用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。

计数器的种类繁多。若按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可分为同步式和异步式。同步式是指将计数脉冲同时加到所有触发器时，触发器的翻转是同时发生的。异步式是指触发器的翻转是有先后顺序的，不是同时发生的。19.2同步计数器

如果按计数过程中计数器中数据的增减分类，又可把计数器分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。加法计数器是随着计数脉冲的不断输入而递增计数的，减法计数器是递减计数的，而可增可减的计数器称为可逆计数器。

按计数器中数字的编码方式分类，可分成二进制计数器、二—十进制计数器和循环计数器等。19.2.1同步二进制计数器

1.同步二进制加法计数器

根据二进制加法运算的规则，在一个多位二进制数的末位加1时，若其中的第i位以下的各位皆为1，则第i位应改变状态(由0变1或由1变0)；而最低位在每次加1时其状态都要改变。利用这一特点，可使用JK触发器组成一个四位同步二进制加法计数器，如图19.5所示。

从图上可知，各触发器受同一CP脉冲控制，其触发器的翻转与CP脉冲的下降沿同步。

图19.5四位同步二进制加法计数器逻辑图对图19.5的时序电路分析如下。

输出方程：

C＝Q3Q2Q1Q0

驱动方程：

J0＝K0＝1

J1＝K1＝Q0n

J2＝K2＝Q1nQ0n

J3＝K3＝Q2nQ1nQ0n

将驱动方程代入触发器的特性方程，得到

根据状态方程可作出电路的状态转换表，如表19.3所示。

表19.3四位同步二进制加法计数器状态转换表

根据状态转换表，可画出状态转换图和各触发器输出端的波形图，如图19.6和图19.7所示。

图19.6四位同步二进制加法计数器状态转换图

图19.7四位同步二进制加法计数器波形图

2.同步二进制减法计数器

根据二进制减法计数器的运算规则可知，从多位二进制数减1时，要求每输入一个计数脉冲，最低位触发器要翻转一次，而其它触发器只能在其低位触发器均为0时，在计数脉冲CP的作用下才翻转。用JK触发器构成的四位同步二进制减法计数器逻辑图如图19.8所示。

图19.8四位同步二进制减法计数器逻辑图根据图19.8所示的逻辑电路可写出驱动方程：

输出方程：

将驱动方程代入JK触发器的特性方程式中，得到电路的状态方程：

根据状态方程，可作出状态转换表如表19.4所示，其中C为进位。

根据状态转换表，可画出状态转换图(见图19.9)和各触发器输出端的波形图(见图19.10)。

表19.4四位同步二进制减法计数器状态转换表

图19.9四位同步二进制减法计数器状态转换图

图19.10四位同步二进制减法计数器各触发器输出端的波形19.2.2同步十进制计数器

一般把二—十进制编码的计数器称为十进制计数器，它用四位二进制代码表示一位十进制数。十进制计数器是在四位同步二进制计数器的基础上改进而成的：四位二进制计数器的状态从0000状态开始到1001状态，第10个计数脉冲到来时，电路的状态从1001返回到0000状态，其余6个状态(1010，1011，1100，1101，1110，1111)被跳过，同时计数器输出一个进位信号(C＝1)。

图19.11同步十进制加法计数器逻辑图

1.同步十进制加法计数器

图19.11所示为由四个JK触发器和门电路构成的同步十进制加法计数器。

根据图19.11所示的逻辑关系，写出电路的驱动方程：

输出方程：

将上面的式子代入JK触发器的特性方程可得到：

由上面的的状态转换方程可列出状态转换表见表19.5。

状态转换图如图19.12所示。

根据图19.12可画出各触发器输出端的波形图，如图19.13所示。

表19.5同步十进制加法计数器状态转换表

2.同步十进制减法计数器

图19.14所示是同步十进制减法计数器的逻辑图，它基本上是从同步二进制减法计数器电路演变过来的，其工作原理请读者自行分析。图19.12同步十进制加法计数器状态转换图图19.13同步十进制加法计数器各触发器输出端波形图

图19.14同步十进制减法计数器逻辑图

异步计数器是各触发器的翻转有先后顺序的计数器。由于各触发器不存在统一的时钟信号，有些触发器有时钟信号，有些触发器的时钟输入是其它触发器的输出，因此，异步二进制计数器的时钟脉冲输入只能作用在最低位触发器，其它各位触发器相互串联，由低位到高位逐位翻转。19.3异步计数器19.3.1异步二进制计数器

1.异步二进制加法计数器

图19.15所示是由JK触发器组成的四位异步二进制加法计数器的逻辑图。

图19.15四位异步二进制加法计数器逻辑图根据图19.15所示的逻辑图，可分别写出时钟方程、驱动方程和状态方程。

时钟方程：

CP0＝CP，CP1＝Q0n，CP2＝Q1n，CP3＝Q2n

驱动方程：

J0＝K0＝1，J1＝K1＝1，J2＝K2＝1，J3＝K3＝1

状态方程：

状态转换图如图19.16所示。

由状态转换图可画出各触发器输出端的状态转换波形图，如图19.17所示。

图19.16四位异步二进制加法计数器状态转换图

图19.17四位异步二进制加法计数器状态转换波形图

2.异步二进制减法计数器

图19.18所示为由JK触发器组成的四位异步二进制减法计数器的逻辑图。

根据图19.18所示的逻辑图，可分别写出时钟方程、驱动方程和状态方程。

图19.18四位异步二进制减法计数器逻辑图

时钟方程：

驱动方程：

J0＝K0＝1，J1＝K1＝1，J2＝K2＝1，J3＝K3＝1

状态方程：

状态转换如图19.19所示。

由状态转换图可画出各触发器的输入端和输出端波形图，如图19.20所示。

图19.19四位异步二进制减法计数器状态转换图

图19.20四位异步二进制减法计数器输入输出波形图19.3.2异步十进制加法计数器

图19.21所示是一个异步十进制加法计数器的逻辑电路，它由4个JK触发器组成，将四位异步十进制加法计数器修改后，能保存0000～1001共10个状态，而跳过1010～1111共6个状态，从而实现十进制计数。

图19.21异步十进制加法计数器逻辑电路由图19.21所示的逻辑图，可分别写出时钟方程、驱动方程和输出方程。

时钟方程：

CP0＝CP，CP1＝Q0n，CP2＝Q1n，CP3＝Q0n＝CP1

驱动方程：

J0＝K0＝1

J2＝K2＝1

J3＝Q2nQ1n，K3＝1

输出方程：

C＝Q3nQ0n

状态方程：

状态转换图如图19.22所示。

由图19.22可画出各触发器输入端和输出端波形图，如图19.23所示。

图19.22异步十进制加法计数器状态转换图

图19.23异步十进制加法计数器各触发器输入输出波形图

19.4.1中规模集成电路计数器

前面介绍了用触发器组成各种计数器的一些方法，随着集成电路制造技术的发展，各种功能的中规模集成电路计数器已经大量生产和使用，因此有必要了解它们的功能和使用方法。下面介绍一些常用的中规模集成电路计数器。19.4任意进制计数器的构成方法

1.四位同步二进制加法计数器

图19.24所示为集成四位同步二进制加法计数器74LS161的芯片引脚图。它具有二进制加法器功能，还具有异步置0端(D)、预置数控制端(LD)和保持功能。图中的D0、D1、D2和D3为并行数据输入端，Q3、Q2、Q1和Q0为输出端，CO为进位输出端，CTP和CTT为计数控制端。

图19.24

74LS161芯片引脚图各端子的功能如下：

RD为异步置0端，当RD＝0时，无论有无脉冲CP和其他信号，计数器输出端为0，即Q3Q2Q1Q0＝0000。

LD为同步并行预置数控制端，当LD＝0，RD＝1时，在输入时钟脉冲CP的作用下，并行数据输入到计数器中，Q3Q2Q1Q0＝D0D1D2D3。当LD＝1，RD＝1，CTP＝CTT＝1时，在时钟脉冲的作用下计数器进行二进制加法计数。

CTP和CTT为计数控制端，当CTP＝0，CTT＝×时，计数器处于保持状态；当CTP＝×，CTT＝0时，计数器处于保持状态，同时使进位输出CO＝0。

74LS161的功能如表19.6所示(“↑”表示上升沿)。

表19.6

74LS161功能表

2.同步二进制可逆计数器

图19.25所示为四位同步二进制可逆计数器74LS191的芯片引脚图，其逻辑功能表如表19.7所示(“↑”表示上升沿)。

功能表说明如下：

M为加、减计数控制端，M＝0为加法计数，M＝1为减法计数；

S为工作控制端，S＝0时，74LS191可以工作，反之不能；

LD为预置数据控制端，当LD＝0时，将输入数据由D0～D3端并行输入到计数器，使输出端Q3Q2Q1Q0＝D0D1D2D3。

图19.25

74LS191芯片引脚图

表19.7

74LS191逻辑功能表

3.同步十进制计数器

1)同步十进制加法计数器

图19.26所示为集成十进制同步加法计数器74LS160的芯片引脚图，其逻辑功能表如表19.8所示(“↑”表示上升沿)。

图19.26

74LS160芯片引脚图

表19.8

74LS160逻辑功能表

功能表说明如下：

RD为异步置0端，当RD＝0时，无论有无时钟脉冲和其他输入信号，计数器的输出都为0，即Q3Q2Q1Q0＝0000。

LD为同步并行预置数据端，当LD＝0，且RD＝1时，在输入时钟信号CP的上升沿作用下，数据D0～D3并行输入到计数器的输出端，即Q3Q2Q1Q0＝D0D1D2D3。当LD＝RD＝CTP＝CTT＝1时，在CP脉冲的作用下，计数器按十进制开始计数工作。当LD＝D＝1，CTP＝0，CTT＝1时，计数器处于保持状态。

2)同步十进制可逆计数器

图19.27所示为集成十进制同步可逆计数器74LS190的芯片引脚图，其逻辑功能表如表19.9所示(“↑”为上升沿)。

图19.27中的LD为预置数控制端，它不占用时钟脉冲CP；CT为74LS190的计数控制端；D0～D3为并行数据输入端；Q0～Q3为输出端；M为选择计数器计数方式控制端；CO/BO为进位输出/借位输出端。

图19.27

74LS190芯片引脚图

表19.9

74LS190逻辑功能表

4.异步计数器

图19.28(a)所示为集成异步二—五—十进制计数器74LS290的芯片引脚图。它实际上是一个一位二进制数器和一个五进制计数器两部分的组合，图19.28(b)所示为74LS290的电路结构图。

图中的R0A和R0B为置0输入端，S9A、S9B为置9输入端。表19.10为74LS290的逻辑功能表。

图19.28集成异步二—五—十进制计数器74LS290(a)芯片引脚图；(b)电路结构图表19.10

74LS290的逻辑功能表

由功能表可知74LS290逻辑功能如下：

异步置0功能：当R0＝R0A·R0B＝1，S9＝S9A·S9B＝0时，计数器置0与时钟脉冲CP无关，因此称为异步置0。

异步置9功能：当R0＝R0A·R0B＝0，S9＝S9A·S9B＝1时，计数器置9与时钟脉冲CP无关，因此称为异步置9。

计数功能：当R0A·R0B＝0，S9A·S9B＝0时，计数器处于计数工作状态。一般分为四种情况讨论：

(1)计数脉冲由CP0端输入，从Q0输出时，构成一位二进制计数器。

(2)计数脉冲由CP1端输入，输出为Q3Q2Q1时，构成异步五进制计数器。

(3)若将Q0与CP1相连，计数脉冲由CP0端输入，输出为Q3Q2Q1Q0时，构成十进制异步计数器。

(4)若将Q3与CP0相连，计数脉冲由CP1端输入，从高位到低位输出为Q3Q2Q1Q0时，构成5421BCD码的异步十进制加法计数器。19.4.2构成任意进制计数器的方法

1.用复位法构成任意进制计数器

复位法，又称为异步置0法，其工作原理如下：如果计数器从S0开始计数，在输入了M个脉冲后，电路进入SM状态。如果将SM状态译码，产生一个异步置0信号加到计数的异步置0端，则电路一旦进入SM状态后立即复位，回到S0状态。由于跳过了N～M的状态，故可得到M进制计数器。图19.29所示是复位法产生M进制计数器的原理示意图，图中虚线箭头表示SM只在一个短暂的时间里出现。

图19.29复位法产生M进制计数器原理示意图

图19.30例19.2电路图

【例19.2】试用74LS161构成十二进制计数器。

解采用复位法实现的电路连线如图19.30所示。

【例19.3】试用74LS160构成七进制计数器。

解采用复位法实现的电路连线如图19.31所示。

图19.31例19.3电路图

2.用置位法构成任意进制计数器

如果已有N进制计数器，