第5章通用时序电路模块及应用 5.5移存型计数器 计数器的一个很重要的应用是产生定时控 制信号。比如,在产品加工流水生产线上,为完 成产品的加工,就需要在产品加工周期中在特定 的时间向特定的加工设备发出控制信号。在较复 杂的数字系统中,控制单元也需要按规定的时序 和间隔对各逻辑模块发出系列定时控制信号以 使系统调同工作。 可利用环形计数器产生定时信号。 环形计数器( Ring Counter)。 环形计数器产生周期为n的相互循环延时 个时钟周期的一组n个单个脉冲信号。 例:n=16环形计数器波形图。(正沿同步) 123456789101112131415161234 时钟uLL[L凵 LIIILLAIIL
第 5 章 通用时序电路模块及应用 5.5 移存型计数器 计数器的一个很重要的应用是产生定时控 制信号。比如，在产品加工流水生产线上，为完 成产品的加工，就需要在产品加工周期中在特定 的时间向特定的加工设备发出控制信号。在较复 杂的数字系统中，控制单元也需要按规定的时序 和间隔对各逻辑模块发出系列定时控制信号以 使系统调同工作。 可利用环形计数器产生定时信号。 环形计数器（Ring Counter）。 环形计数器产生周期为 n 的相互循环延时 一个时钟周期的一组 n 个单个脉冲信号。 例：n＝16 环形计数器波形图。（正沿同步） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 X15 X3 X2 X1 X16 时钟
利用环形计数器输出信号这一特性,通过对 环形计数器输出的选择和加工,可以在一个信号 循环周期中得到所需的定时信号。周期的长短可 通过n的大小控制。 用二进计数器和译码器构成环形计数器 例:译码器输出端0-10按序输出周期为 1的单脉冲波形。 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 Xs X X10 XI 0123456789101112131415 译码器 Qo Q1 Q2 Q3 Clock 同步清0计数器R 清0 此法构成环形计数器存在缺陷: 其输出信号含有毛刺,不适于用于控制信 号。产生原因是由于计数器输出(即译码器译码 输入)信号存在二个或二个以上信号同时发生变 化从而导致竞争冒险出现所致。 采用移位寄存器构成环形计数器可以克服 这一缺陷
利用环形计数器输出信号这一特性，通过对 环形计数器输出的选择和加工，可以在一个信号 循环周期中得到所需的定时信号。周期的长短可 通过 n 的大小控制。 用二进计数器和译码器构成环形计数器 例：译码器输出端 0－10 按序输出周期为 11 的单脉冲波形。 此法构成环形计数器存在缺陷： 其输出信号含有毛刺，不适于用于控制信 号。产生原因是由于计数器输出（即译码器译码 输入）信号存在二个或二个以上信号同时发生变 化从而导致竞争冒险出现所致。 采用移位寄存器构成环形计数器可以克服 这一缺陷。 清 0 同步清 0 计数器 R Q0 Q1 Q2 Q3 Clock 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 译码器 Q0 Q1 Q2 Q3 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11
用移位寄存器构成环形计数器 构成:将n位移位寄存器的最后一级输出接 回第一级的输入。起始单个触发器置1。 C Q C Q C Q R R 启动 时钟 这种形式的环形计数器必须设置启动信 号或附加启动电路。 >不需译码电路,输出没有毛刺,但其所用 触发器较多。 >另有一种寄存器构成的计数器,称为扭环 计数器( Twisted- ring counter),也称 约翰逊计数器( Johnson counter)。扭环 计数器与环形计数器相比,其产生相同数 量的定时控制信号电路所用触发器较少, 且输出译码简单,输出信号也没有毛刺
用移位寄存器构成环形计数器 构成：将 n 位移位寄存器的最后一级输出接 回第一级的输入。起始单个触发器置 1。 ➢ 这种形式的环形计数器必须设置启动信 号或附加启动电路。 ➢ 不需译码电路，输出没有毛刺，但其所用 触发器较多。 ➢ 另有一种寄存器构成的计数器，称为扭环 计数器（Twisted－ring counter），也称 约翰逊计数器（Johnson counter）。扭环 计数器与环形计数器相比，其产生相同数 量的定时控制信号电路所用触发器较少， 且输出译码简单，输出信号也没有毛刺。 X1 X2 Xn S D Q C Q R S D Q C Q R S D Q C Q R 启动 时钟
用移位寄存器构成扭环计数器 构成:与环形计数器结构基本相同,区别是 接回第一级的输入是最后一级输出的反变量。 另外,工作启动时是将所有的触发器置0 例:6D触发器构成扭环计数器 D Q D O D O R R R R R 时钟 清0 扭环计数器波形。 1234567891011012 时钟u[ LILILLLLL 周期是2n经过n个时钟由左至右从全0
用移位寄存器构成扭环计数器 构成：与环形计数器结构基本相同，区别是 接回第一级的输入是最后一级输出的反变量。 另外，工作启动时是将所有的触发器置 0。 例：6D 触发器构成扭环计数器 扭环计数器波形。 ➢ 周期是 2n。经过 n 个时钟由左至右从全 0 D Q R D Q R D Q R D Q R D Q R D Q R X1 X2 X3 X4 X5 X6 时钟 清 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 15 16 1 2 3 4 X4 X3 X2 X1 X5 时钟 X6
态逐渐变为全1态,再经过n个时钟从全 1态逐渐变为全0态。 输出波形为周期为n的对称方波,这个特 点可使其用于需方波输出的分频电路。 12状态扭环计数器状态转换表和状态译码。 序号X6XXXX2X状态译码 0000000/X6·/X 1000001/X 2000011/X 3000111/X 4001111/X 5011111/X6·X6 111111X6·X 6789 111110X2·/x 11100X3·/x2 11000x4·/3 10110000X。·/X 11100000X。· >2n个独立状态,按序状态译码可得到周
态逐渐变为全 1 态，再经过 n 个时钟从全 1 态逐渐变为全 0 态。 ➢ 输出波形为周期为 n 的对称方波，这个特 点可使其用于需方波输出的分频电路。 12 状态扭环计数器状态转换表和状态译码。 ➢ 2n 个独立状态，按序状态译码可得到周 序号 X6 X5 X4X3 X2 X1 状态译码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 /X6·/X1 /X2·X1 /X3·X2 /X4·X3 /X5·X4 /X6·X5 X6·X1 X2·/X1 X3·/X2 X4·/X3 X5·/X4 X6·/X5
期为2n的相互循环延时一个时钟周期的 系列定时脉冲信号。 >与环形计数器相比,相同周期所用触发器 数量少了一倍。 所有状态译码函数均只需二个相邻触发 器的输出,译码电路简单。 状态按序变化时,只有一个触发器状态改 变,所以译码电路二输入变量不可能出现 同时变化的情况,因而译码无毛刺。 >将译码输出求或,可得在一个周期中的所 需定时波形。 附:求状态译码函数。例F3 X6X5XX3X2X1=000111,F3=1 X6X5XX2X1=其他工作态,F3=0。 X6X6XX3X2X1=非工作态,F=d(任意项)。 X2Xx00010110101001011111 X X5 X4 000000ddd 011d 010d 101 dddddd.. dd 'd0 0 1100 dddddd d
期为 2n 的相互循环延时一个时钟周期的 系列定时脉冲信号。 ➢ 与环形计数器相比，相同周期所用触发器 数量少了一倍。 ➢ 所有状态译码函数均只需二个相邻触发 器的输出，译码电路简单。 ➢ 状态按序变化时，只有一个触发器状态改 变，所以译码电路二输入变量不可能出现 同时变化的情况，因而译码无毛刺。 ➢ 将译码输出求或，可得在一个周期中的所 需定时波形。 附：求状态译码函数。例 F3： X6 X5 X4X3 X2 X1＝0 0 0 1 1 1，F3＝1。 X6 X5 X4X3 X2 X1＝其他工作态，F3＝0。 X6 X5 X4X3 X2 X1＝非工作态，F3＝d（任意项）。 X3 X2 X1 X6 X5 X4 000 001 011 010 100 101 111 110 000 001 011 010 100 101 111 110 0 0 0 d d d 1 d d d d d d d 0 d d d d d d d 0 d d d d d d d d d 0 d d d d d d d d d d d d d d d 0 d d d 0 d 0 0 0 d d d d d d d
F3=3·O4 5.6多序列计数器 >具有可以控制的多种序列计数能力,例 如,前面介绍的可控加减计数器。 可采用同步或异步时序电路的设计方法 构造出可控多种任意序列计数器。 5.7集成电路计数器 >在TTL,CM0S,ECL等集成电路序列中有 多种集成计数器 主要区别: 电路形式:同步和异步; 计数功能:位数、进制、加减等; 加载、清0等操作方式(同步和异步); 工作电压、传播延时和工作速度等。 选用时,应仔细阅读器件数据手册。可网 TTL集成电路序列中主要中规模集成计数器: 表516TL主要中规模集成电路计数器 同步 异步 功能 型号 功能 型号 4位二进161,163,561,669,691,693.4位二进69,93,177,197,293. 4位二进加169,191,193,569697,699.双4位二进 393 减 160,162,560,668,690,692.10位68,90,176,196,290 10进168,190,192,568,696,698.双10位 390,490 进加减 867,869
F3 = Q3 •Q4 5.6 多序列计数器 ➢ 具有可以控制的多种序列计数能力，例 如，前面介绍的可控加减计数器。 ➢ 可采用同步或异步时序电路的设计方法 构造出可控多种任意序列计数器。 5.7 集成电路计数器 ➢ 在 TTL，CMOS，ECL 等集成电路序列中有 多种集成计数器。 ➢ 主要区别： 电路形式：同步和异步； 计数功能：位数、进制、加减等； 加载、清 0 等操作方式（同步和异步）； 工作电压、传播延时和工作速度等。 ➢ 选用时，应仔细阅读器件数据手册。可网 查。 TTL 集成电路序列中主要中规模集成计数器： 表 5.16 TTL 主要中规模集成电路计数器 同步 异步 功能 型号 功能 型号 4 位二进 4 位二进加 减 10 进 10 进加减 161，163，561，669，691，693． 169，191，193，569，697，699． 160，162，560，668，690，692． 168，190，192，568，696，698． 867，869． 4 位二进 双 4位二进 10 位 双 10 位 69，93，177，197，293． 393． 68，90，176，196，290． 390，490．
8位加减 例:集成电路计数器74161 >4位、同步、二进、加法。 >功能表。 PTLRC 功能 1111f同步计数 中中01f同步加载 0111φ|保持(进位有效) φ011中保持(进位为0) φ中中0中直接清0 由功能表可知:正沿计数;R端异步清0;L 端时钟正沿同步加载;在非清0和加载情况下, P、T端控制计数器操作。P、T=1,同步计数。 T=0,P=D,保持且进位为0。T=1、P=0,且 进位输出有效。 集成计数器的级联 QAQBQcQ QAQBQQQ QAQBQcQ QAQBQoQ 使能 T 清0 时钟 A B CD ABCD A BCD A B CD
8 位加减 例：集成电路计数器 74161。 ➢ 4 位、同步、二进、加法。 ➢ 功能表。 由功能表可知：正沿计数；R 端异步清 0；L 端时钟正沿同步加载；在非清 0 和加载情况下， P、T 端控制计数器操作。P、T＝1，同步计数。 T＝0，P＝Ø，保持且进位为 0。T＝1、P＝0，且 进位输出有效。 集成计数器的级联 P T L R C 功能 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 同步计数 同步加载 保持（进位有效） 保持（进位为 0） 直接清 0 P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D 使能 清 0 时钟
计数过程 使能控制首片计数。 每片计满Oc=1 >每片P=1,计数必要条件;只有T=1 才可计数;T=0,不计数,且Oc=0。 >前片中只要有1片未计满,其Oc=0,即 可经传递本片T=0不计数 >0c是逐级传递的。进位信号的传输导致 计数器的最高计数频率降低。 改善计数频率级的联方式 QAQBQcQ QAQBQcQ QAQBQcQ QAQBQcQ 使能 R 清0 时钟 A BCD A BCD ABCD A BCD 进位输出信号0不受P端控制:P=0, 不计数,但计满0c=1可输出。 除首片外,前片计满本片T=1,只要首 片计满P=1,本片即刻可计数。提高计
计数过程： ➢ 使能控制首片计数。 ➢ 每片计满 Oc＝1。 ➢ 每片 P＝1，计数必要条件；只有 T＝1 才可计数；T＝0，不计数，且 Oc＝0。 ➢ 前片中只要有 1 片未计满，其 Oc＝0，即 可经传递本片 T＝0 不计数。 ➢ Oc 是逐级传递的。进位信号的传输导致 计数器的最高计数频率降低。 改善计数频率级的联方式。 ➢ 进位输出信号 Oc 不受 P 端控制：P＝0， 不计数，但计满 Oc＝1 可输出。 ➢ 除首片外，前片计满本片 T＝1，只要首 片计满 P＝1，本片即刻可计数。提高计 使能 清 0 时钟 P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D P T 1 Oc CP R QAQBQCQ D A B C D 1
数频率 5.7计数器应用举例 >计数器广泛应用于各类数字系统中。 >与序列变化有关的记录、信号产生、及控 制等逻辑都可以或必须以计数器作为基 础构造。 5.7.1数字钟 构成:用计数器对一标准时间基准脉冲信号 计数并按人们习惯的方式显示。 例:同步时序逻辑构成数字钟。 时 分 如B66 显示 平“灬 F下1 七段七段 七段七段 七段七段 译码 译码译码 译码译码 译码|译码 Oc 模12 模60 模60 计数 秒脉冲 预置 时预置 分预置 秒预置 ◆时、分、秒计数器级联并附加译码显示
数频率。 5.7 计数器应用举例 ➢ 计数器广泛应用于各类数字系统中。 ➢ 与序列变化有关的记录、信号产生、及控 制等逻辑都可以或必须以计数器作为基 础构造。 5.7.1 数字钟 构成：用计数器对一标准时间基准脉冲信号 计数并按人们习惯的方式显示。 例：同步时序逻辑构成数字钟。 ◆时、分、秒计数器级联并附加译码显示。 秒脉冲 预置 时预置 分预置 秒预置 时 七段 七段 译码 译码 4 4 7 7 Oc EN C L 模 12 4 4 分 七段 七段 译码 译码 4 4 7 7 Oc EN C L 模 60 4 4 秒 七段 七段 译码 译码 4 4 7 7 Oc EN C L 模 60 4 4 1 显示 译码 计数