第7章 常用時序邏輯功能器件

第7章常用時序邏輯功能器件7.1計數(shù)器7.2寄存器和移位寄存器§7.1計數(shù)器一、計數(shù)器的功能和分類1、概念：計數(shù)器是一種用來對輸入脈沖進行計數(shù)的時序邏輯電路。2、特點：（1）時鐘脈沖即為計數(shù)脈沖。（2）計數(shù)器實現(xiàn)指定計數(shù)范圍內(nèi)計數(shù)所需要的狀態(tài)數(shù)目稱為計數(shù)器的模。（3）計數(shù)器除了完成計數(shù)功能外，還可用于實現(xiàn)定時、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等特定功能，用途十分廣泛。

§7.1計數(shù)器一、計數(shù)器的功能和分類3.計數(shù)器的分類按工作方式分：同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。按功能分：加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。按計數(shù)器的計數(shù)容量(或稱模數(shù))來分：如二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器、二－十進制計數(shù)器等等。計數(shù)器的分析計數(shù)器的設(shè)計電路由觸發(fā)器構(gòu)成電路由集成組件構(gòu)成用觸發(fā)器實現(xiàn)用集成組件實現(xiàn)4、計數(shù)器的研究內(nèi)容§7.1計數(shù)器一、計數(shù)器的功能和分類二、異步計數(shù)器的分析異步計數(shù)器的特點：在異步計數(shù)器內(nèi)部，有的觸發(fā)器直接受輸入計數(shù)脈沖控制，有的觸發(fā)器則是把其它觸發(fā)器的輸出信號作為自己的時鐘脈沖，因此各個觸發(fā)器狀態(tài)變換的時間先后不一，故被稱為“異步計數(shù)器”。Q2D2Q1D1Q0D0Q2Q1Q0CP計數(shù)脈沖三位二進制異步加法計數(shù)器例：三位二進制異步加法計數(shù)器。Q0Q1Q2

210001010101010001010110

11100000101計數(shù)規(guī)律：逢二進一。三位二進制異步加法計數(shù)器Q2D2Q1D1Q0D0Q2Q1Q0CP計數(shù)脈沖三位二進制異步加法計數(shù)器000001010011100101110111Q3Q2Q1

1200010101010111100101

10000異步計數(shù)器優(yōu)點：電路簡單、可靠。異步計數(shù)器缺點：速度慢。000001010011100101110111例：三位二進制異步減法計數(shù)器。JKQF3Q3JKQF2Q2JKQF1Q1計數(shù)輸入借位輸出Rd

10三、同步計數(shù)器的分析同步計數(shù)器的特點：在同步計數(shù)器內(nèi)部，各個觸發(fā)器都受同一時鐘脈沖——輸入計數(shù)脈沖的控制，因此，它們狀態(tài)的更新幾乎是同時的，故被稱為“同步計數(shù)器”。例：三位二進制同步加法計數(shù)器。三位二進制同步加法計數(shù)器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&計數(shù)脈沖CP分析步驟:1.先列寫控制端的邏輯表達式：J2=K2=Q1Q0J1=K1=Q0J0=K0=1三位二進制同步加法計數(shù)器Q2Q2J2K2Q1Q1J1K1Q0Q0J0K0&計數(shù)脈沖CP2.再列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。001010000001010011011100100101101110110111111000

Q2Q1Q0Q2

Q1

Q0

現(xiàn)態(tài)次態(tài)n+1n+1n+1000001010011100101110111CPQ0Q1Q23.還可以用波形圖顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。思考題：試設(shè)計一個四位二進制同步加法計數(shù)器電路，并檢驗其正確性。Q0的輸出的波形的頻率是CP的1/2。Q1的輸出的波形的頻率是CP的1/4。Q2的輸出的波形的頻率是CP的1/8。二分頻四分頻八分頻說明：①計數(shù)器計數(shù)之前應(yīng)清零。但初始數(shù)據(jù)可以人為地置入。

②計數(shù)器的位數(shù)視需要而定。N個觸發(fā)器具有2n個狀態(tài)，稱為以2n為模的計數(shù)器（或模2n計數(shù)器），其計數(shù)容量為2n-1。

③異步二進制計數(shù)器也稱為紋波計數(shù)器。④同步計數(shù)器的計數(shù)速度比異步計數(shù)器高，但電路較復(fù)雜。四、任意進制計數(shù)器的分析1.寫出控制端的邏輯表達式。J1=K1＝1

J3=Q1Q2，K3＝Q1例1：分析步驟：JCPKQJKQF3F11JKQF2J2=Q1Q3，K2＝Q12.再列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程：所分析的電路為同步六進制加法計數(shù)器。001010000001010011011100100101101000110111111000Q3Q2Q1Q3Q2Q1

現(xiàn)態(tài)次態(tài)n+1n+1n+10000010101111100111001014.檢驗其能否自動啟動？3.還可以用波形圖顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換表(略)1.寫出控制端的邏輯表達式。D2=Q1

D4=Q3

例2：分析步驟：D3=Q2

DCPQDQF3F1DQF2DQF42.狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：該電路為格雷碼的八進制計數(shù)器該電路不會“掛起”Q4Q3Q2Q1Q4Q3Q2Q1

n+1n+1n+1n+1000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111100010011010101111000101111001111000000100100011010001010110011100010110110010100000010000111110000110001101010110110010111111110用觸發(fā)器構(gòu)成的計數(shù)器電路的分析首先寫出觸發(fā)器的控制端的邏輯表達式再列寫計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表獲得計數(shù)器的模(即進制數(shù))最后需檢驗計數(shù)器的可靠性五、計數(shù)器的設(shè)計

計數(shù)器的設(shè)計方法很多，大抵可分為兩類：一是根據(jù)要求用觸發(fā)器(Flop-Flip)構(gòu)成，再就是利用具有特定功能的中規(guī)模集成組件適當連接而成。1、利用觸發(fā)器設(shè)計某計數(shù)電路

例：數(shù)字控制裝置中常用的步進電動機有A、B、C三個繞組。電動機運行時要求三個繞組以AABBBC

CCA再回到A的順序循環(huán)通電，試設(shè)計一個電路實現(xiàn)之。設(shè)計步驟(分7步)如下：(1)根據(jù)任務(wù)要求，確定計數(shù)器的模數(shù)和所需的觸發(fā)器個數(shù)。本任務(wù)所需計數(shù)器的模數(shù)為6，所以觸發(fā)器的個數(shù)為3。(2)確定觸發(fā)器的類型。最常用的觸發(fā)器有D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器，本任務(wù)中選用JK觸發(fā)器。001011010110100101(3)列寫狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或轉(zhuǎn)換圖。用三個觸發(fā)器的輸出端QA、QB、QC分別控制電動機的三個繞組A、B、C，并以“1”表示通電，“0”表示不通電。以QCQBQA為序排列：(4)根據(jù)所選觸發(fā)器的激勵表，確定各個觸發(fā)器在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對控制端的電平要求。步進電動機繞組通電激勵表QnQn+1JKJK觸發(fā)器的驅(qū)動表000d011d10d111d00010110d1

d

d

00110100dd

0d

10101101dd

00

d110100d0d

10

d100101d00

d

1d101001d10

dd

0

原狀態(tài)下狀態(tài)對各控制端的電平要求QCQBQAQCQBQAJCKCJBKBJAKA

n+1n+1n+1(5)寫出各個控制端的邏輯表達式。JC=QAKC=QA

JB=QCKB=QC

JA=QBKA=QB

AABBBC

CCA再回到AJC=QAKC=QA

JB=QCKB=QC

JA=QBKA=QB

RDQCQCJCKCQBQBJBKBJAQAQAKARDSD預(yù)置數(shù)計數(shù)脈沖CP(6)畫出計數(shù)器的邏輯電路圖。RDQCQCJCKCQBQBJBKBJAQAQAKARDSD預(yù)置數(shù)計數(shù)脈沖CP(6)畫出計數(shù)器的邏輯電路圖。(7)檢驗該計數(shù)電路能否自動啟動。本計數(shù)電路有三個觸發(fā)器，可有八個狀態(tài)組合，可是只用去六個，尚有兩個未利用，因此需要檢驗一下，若不能自行啟動要進行修改。2、利用集成功能組件設(shè)計計數(shù)電路（Ⅰ）二-五-十進制計數(shù)器74LS90A、結(jié)構(gòu)和工作原理簡介QCQAJKQBJKJKQDQDJKCPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)QAQBQCQD74LS90內(nèi)部含有兩個獨立的計數(shù)電路：一個是模2計數(shù)器(CPA為其時鐘，QA為其輸出端)，另一個是模5計數(shù)器(CPB為其時鐘，QDQCQB為其輸出端)。外部時鐘CP是先送到CPA還是先送到CPB，在QDQCQBQA這四個輸出端會形成不同的碼制。CPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)NCNCVCCQAQDQBQCGND1234567141312111098QAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)CPBCPA74LS9074LS90管腳分布圖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計數(shù)狀態(tài)74LS90功能表歸納：1.74LS90在“計數(shù)狀態(tài)”或“清零狀態(tài)”時，均要求R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”。2.只有在R0(1)和R0(2)同時為“1”時，它才進入“清零狀態(tài)”；否則它必定處于“計數(shù)狀態(tài)”。QCQAJKQBJKJKQDQDJKCPACPBR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)QAQBQCQD情況一：計數(shù)時鐘先進入CPA時的計數(shù)編碼。CPACPCPBQBQDQCQA25QDQCQB

000001010011100QDQCQBCPBQA

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

0000結(jié)論：上述連接方式形成

8421

碼。QDQCQBCPBQA

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

10008

10019

00000十進制數(shù)情況二：

計數(shù)時鐘先進入CPB時的計數(shù)編碼。CPACPQA2CPBQBQDQC5QDQCQB

000001010011100結(jié)論：上述連接方式形成5421

碼。

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

十進制數(shù)例1：構(gòu)成BCD碼六進制計數(shù)器。CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90方法：令R0(1)=QB，

R0(2)=QCCPB、74LS90的應(yīng)用QDQCQBQA00000000110010200113010040101501100000R0(1)和R0(2)同時為“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”時，它才進入“清零狀態(tài)”；CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP討論：下述接法行不行?錯在何處?注意：輸出端不可相互短路??！CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP&例2：用兩片74LS90構(gòu)成36進制8421碼計數(shù)器。QDQCQBQA

00000

00011

00102

00113

01004

01015

01106

01117

10008

10019

00000

十進制數(shù)問題分析：從右面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表中可以看到：個位片的QD可以給十位片提供計數(shù)脈沖信號。1.如何解決片間進位問題？2.如何滿足“36進制”的要求？當出現(xiàn)(00110110—36)狀態(tài)時，個位十位同時清零。R0(1)和R0(2)同時為“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”時，它才進入“清零狀態(tài)”；CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90(十位)CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90(個位)&&CP例2：用兩片74LS90構(gòu)成36進制8421碼計數(shù)器。個位片的QD可以給十位片提供計數(shù)脈沖信號。當出現(xiàn)(00110110—36)狀態(tài)時，個位十位同時清零。R0(1)和R0(2)同時為“1”，R9(1)和R9(2)中至少有一個必須為“0”時，它才進入“清零狀態(tài)”；例3：用74LS90構(gòu)成5421碼的六進制計數(shù)器。

00000QAQDQCQB

00011

00102

00113

01004

10005

10016

10107

10118

11009

00

000

十進制數(shù)至此結(jié)束在此狀態(tài)下清零異步清零，此狀態(tài)出現(xiàn)時間極短，不能計入計數(shù)循環(huán)。CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖8421碼制下：在QDQCQBQA＝0110

時清零同為六進制計數(shù)器，兩種碼制不同接法的比較：5421碼制下：在QAQDQCQB＝1001

時清零CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖CPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖（2）四位二進制同步計數(shù)器74LS163前面所講述的74LS90其清零方式通常稱為“異步清零”，即只要Q0(1)=Q0(2)=1，不管有無時鐘信號，輸出端立即為0；而且它的計數(shù)方式是異步的，即CP不是同時送到每個觸發(fā)器。下面將要講述的74LS163，不但計數(shù)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，清零目的真正實現(xiàn)還需等待下一個時鐘脈沖的上升沿到來以后才能夠變?yōu)楝F(xiàn)實。這就是“同步清零”的含義。16151413121110123456789QAQDQDQCQBQAQBQCVCCTTPPCPAABBCCDDCLRLOADENABLERC串行進位輸出允許允許GND時鐘清除輸出數(shù)據(jù)輸入置入74LS16374LS163管腳圖A、74LS163的介紹TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS16374LS163功能表1111計數(shù)0111X

保持1011X保持(RC=0)

XX01

并行輸入XXX0

清零PTLOADCLRCP

功能

清除置入ABCD時鐘允許P允許TQAQBQCQD串行進位輸出輸出數(shù)據(jù)輸入例1：用一片74LS163構(gòu)成六進制計數(shù)器。QDQCQBQA000000010010001101000101六個穩(wěn)態(tài)準備清零：使CLR＝0TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163&+5VCPB、74LS163的應(yīng)用在QDQCQBQA＝0110

時立即清零。比較用74LS90與用74LS163構(gòu)成六進制計數(shù)器:在QDQCQBQA＝0101時準備清零。TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163&+5VCPCPACPBQAQDQBQCR9(2)R9(1)R0(2)R0(1)74LS90CP計數(shù)脈沖例2：用74LS163構(gòu)成二十四進制計數(shù)器。(1).需要兩片74LS163；(2).為了提高運算速度，使用同步計數(shù)方式。TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163TPRCABCDQBQCQDQALOADCLR74LS163+5V+5V,,,,CPCLR應(yīng)該在QDQCQBQAQDQCQBQA＝00010111時準備清零。,,,,QDQCQBQAQDQCQBQA,,,,CLR=六、計數(shù)器的應(yīng)用舉例

例1：數(shù)字頻率計原理電路的設(shè)計。清零計數(shù)1秒鐘顯示譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPA數(shù)字頻率計原理圖1Hz!計數(shù)器：用于確定清零、計數(shù)、顯示的時間。根據(jù)計數(shù)器的狀態(tài)確定何時清零、何時計數(shù)、何時顯示。被測信號Q2Q1Q0=001、101時：ux作為CPA被送入計數(shù)器進行計數(shù)1.計數(shù)顯示部分1110譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0=100、000時：計數(shù)器清零譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPA1011譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0=010、011、111、110時：ux被封鎖，計數(shù)器輸出保持。002.循環(huán)計數(shù)器部分自動時:譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPAQ2Q1Q0001011111110100Q2Q1Q0組成五進制計數(shù)器：計數(shù)清零顯示手動時：Q2Q1Q0的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系000001011111計數(shù)顯示手動清零譯碼顯示74LS907420Q1Q1D1Q0Q0D0Q2D2+5V手動自動ux手動清零CPR0(1)R0(2)CPA自動測量過程：000001011111110100手動清零計數(shù)顯示顯示顯示自動清零1秒3秒1秒手動測量過程：手動清零計數(shù)顯示顯示0000010111111秒例2.電子表電路。功能說明：2.只顯示1、2、3、…9、10、11、12，十位不顯示“0”!1.只計12個小時；小時脈沖QAQDQCQBQ

顯示結(jié)果

0000011

1000102

2000113

3001004

4001015

5001106

6001117

7010008

8010019

91000010

101000111

111001012

121001113

000011十位個位清零如何實現(xiàn)?小時脈沖QAQDQCQBQ

顯示結(jié)果

0000011

1000102

2000113

3001004

4001015

5001106

6001117

7010008

8010019

91000010

101000111

111001012

121001113

000011十位個位清零CLR=QAQBQR0(1)=QAQBQR0(2)=1數(shù)字表整體框圖QAQDQCQBQDCBA74LS48顯示顯示bc

74LS907個位十位74LS20清零清零小時脈沖JKDCP一個D觸發(fā)器組成1位的數(shù)碼寄存器CP上升沿,Q=DCP高電平、低電平、下降沿，Q不變RDSDDCPQQ§7.2寄存器寄存器是計算機的主要部件之一，它用來暫時存放數(shù)據(jù)或指令。§7.2寄存器一、數(shù)碼寄存器Q3Q2Q1Q0&&&&QQDQQDQQDQQDA0A1A2A3CLR取數(shù)脈沖接收脈沖(CP)寄存器是計算機的主要部件之一，它用來暫時存放數(shù)據(jù)或指令。四位數(shù)碼寄存器由4D集成電路74LS175組成4位二進制數(shù)寄存器RDQQRDQQRDQQRDQQCP1D2D3D4DR2Q1Q3Q4Q1Q2Q3Q4QVcc(+5V)GNDRCP1D2D3D4D1Q2Q3Q4QLdddddLLLLH↑1D2D3D4D

1D2D3D4DHHddddHLdddd保持由4D集成電路74LS175組成4位二進制數(shù)寄存器〔吊高電平〕D3D2D1D0CPQ3Q2Q1Q0RGNDVcc+5V+5V74LS175（電源〕CP1D2D3D4D1Q2Q3Q4Q4D鎖存器4位二進制數(shù)數(shù)碼寄存器(續(xù))由8D集成電路74LS273組成8位二進制數(shù)寄存器D3D2D1D0CPQ3Q2Q1Q0R+5V74LS2731D8D1Q8Q8D鎖存器Q4Q5Q6Q7D4D5D6D7CP8位二進制數(shù)D7~D0數(shù)碼寄存器用于計算機并行輸入/輸出接口外部設(shè)備(打印機)8D鎖存器1D~8D1Q~8QCPD7~D0計算機CPU控制信號計算機CPU數(shù)據(jù)總線輸出接口計算機總線畫法:一條粗線代表8條線二、移位寄存器

所謂“移位”，就是將寄存器所存各位數(shù)據(jù)，在每個移位脈沖的作用下，向左或向右移動一位。根據(jù)移位方向，常把它分成三種：寄存器左移(a)寄存器右移(b)寄存器雙向移位(c)1、移位寄存器根據(jù)移位數(shù)據(jù)的輸入－輸出方式，又可將它分為四種：FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF串入－串出串入－并出并入－串出并入－并出串行輸入－串行輸出串行輸入－并行輸出并行輸入－串行輸出并行輸入－并行輸出：SDQQDQQDQQDQQD&&&&A0A1A2A3RDCLRLOAD移位脈沖CP0串行輸出數(shù)據(jù)預(yù)置3210存數(shù)脈沖清零脈沖四位并入-串出的左移寄存器初始狀態(tài)：設(shè)A3A2A1A0＝1011在存數(shù)脈沖作用下，Q3Q2Q1Q0＝1011。D0＝0D1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2下面將重點討論藍顏色電路—移位寄存器的工作原理。QQDQQDQQDQQD移位脈沖CP0串行輸出3210D0＝0D1＝Q0D2＝Q1D3＝Q2QQDQQDQQDQQD移位脈沖CP0串行輸出3210101101100110110011001000100000000000000000000000Q3Q2Q1Q0D3D2D1D0設(shè)初態(tài)Q3Q2Q1Q0＝1011用波形圖表示如下：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串行輸出3210串行輸入QDQQ3DQDQDCP串行輸出Q1Q2Q0串行輸入雙向移位寄存器的構(gòu)成：只要設(shè)置一個控制端S，當S＝0時左移；而當S＝1時右移即可。集成組件電路74LS194就是這樣的多功能移位寄存器。2、循環(huán)移位寄存器CQSRDQSRDQSRDQSRDQ1Q2Q3Q4CP經(jīng)4個CP脈沖