計數器原理分析及應用實(shí)例

除了計數功能外，計數器產(chǎn)品還有一些附加功能，如異步復位、預置數（注意，有同步預置數和異步預置數兩種。前者受時(shí)鐘脈沖控制，后者不受時(shí)鐘脈沖控制）、保持（注意，有保持進(jìn)位和不保持進(jìn)位兩種）。雖然計數器產(chǎn)品一般只有二進(jìn)制和十進(jìn)制兩種，有了這些附加功能，我們就可以方便地用我們可以得到的計數器來(lái)構成任意進(jìn)制的計數器。下面我們舉兩個(gè)例子。在這兩個(gè)例子中，我們分別用同步十進(jìn)制加法計數器74LS160構成一個(gè)六進(jìn)制計數器和一個(gè)一百進(jìn)制計數器。

因為六進(jìn)制計數器的有效狀態(tài)有六個(gè)，而十進(jìn)制計數器的有效狀態(tài)有十個(gè)，所以用十進(jìn)制計數器構成六進(jìn)制計數器時(shí)，我們只需保留十進(jìn)制計數器的六個(gè)狀態(tài)即可。74LS160的十個(gè)有效狀態(tài)是BCD編碼的，即0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001[圖5-1]。

圖5-1

我們保留哪六個(gè)狀態(tài)呢？理論上，我們保留哪六個(gè)狀態(tài)都行。然而，為了使電路最簡(jiǎn)單，保留哪六個(gè)狀態(tài)還是有一點(diǎn)講究的。一般情況下，我們總是保留0000和1001兩個(gè)狀態(tài)。因為74LS160從1001變化到0000時(shí)，將在進(jìn)位輸出端產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)位脈沖，所以我們保留了0000和1001這兩個(gè)狀態(tài)后，我們就可以利用74LS160的進(jìn)位輸出端作為六進(jìn)制計數器的進(jìn)位輸出端了。于是，六進(jìn)制計數器的狀態(tài)循環(huán)可以是0000、0001、0010、0011、0100和1001，也可以是0000、0101、0110、0111、1000和1001。我們不妨采用0000、0001、0010、0011、0100和1001這六個(gè)狀態(tài)。

如何讓74LS160從0100狀態(tài)跳到1001狀態(tài)呢？我們用一個(gè)混合邏輯與非門(mén)構成一個(gè)譯碼器[圖5.3.37b]，當74LS160的狀態(tài)為0100時(shí)，與非門(mén)輸出低電平，這個(gè)低電平使74LS160工作在預置數狀態(tài)，當下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，由于等于1001，74LS160就會(huì )預置成1001，從而我們實(shí)現了狀態(tài)跳躍。

圖5.3.37b 用置數法將74160接成六進(jìn)制計數器（置入1001）

比這個(gè)方案稍微繁瑣一點(diǎn)的是利用74LS160的異步復位端。下面這個(gè)電路中[圖5.3.34]，也有一個(gè)由混合邏輯與非門(mén)構成的譯碼器。

圖5.3.34 用置零法將74LS160接成六進(jìn)制計數器

不過(guò)，這個(gè)譯碼器當輸入為0110時(shí)才輸出低電平，使74LS160異步復位，進(jìn)入0000這個(gè)狀態(tài)。從0000狀態(tài)開(kāi)始，隨著(zhù)時(shí)鐘脈沖的不斷到來(lái)，74LS160依次變?yōu)?001、0010、0011、0100、0101、和0110狀態(tài)[圖5-2]?？赡苡腥苏f(shuō)：“不對！這個(gè)電路總共有七個(gè)狀態(tài)，應該是七進(jìn)制計數器呀！”我們說(shuō)，這個(gè)電路雖然要經(jīng)歷七個(gè)狀態(tài)，但是只需六個(gè)脈沖就完成一個(gè)計數循環(huán)，因此它仍是六進(jìn)制計數器。

圖5-2

我們仔細分析一下。假設74LS160的初始狀態(tài)為0000，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到達后，它的狀態(tài)變?yōu)?001，第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到達后，它的狀態(tài)變?yōu)?010，……，第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到達后，它的狀態(tài)變?yōu)?101，第六個(gè)時(shí)鐘脈沖到達后，它的狀態(tài)變?yōu)?110。當74LS160處于0110這個(gè)狀態(tài)時(shí)，譯碼器輸出低電平，使74LS160異步復位，進(jìn)入0000這個(gè)狀態(tài)。這段話(huà)里，“異步復位”是一個(gè)關(guān)鍵詞。與同步復位不同，異步復位不受時(shí)鐘脈沖的控制。于是，譯碼器的輸出剛變成低電平，74LS160的狀態(tài)就變成了0000。理想情況下，74LS160在第六個(gè)時(shí)鐘周期內首先在0110狀態(tài)停留片刻，然后就穩定地停留在0000狀態(tài)。我們知道，計數器的工作對象是時(shí)鐘脈沖。計數，就是計時(shí)鐘脈沖的個(gè)數。在我們這個(gè)例子中，74LS160從0000狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)六個(gè)（而不是七個(gè)）時(shí)鐘周期又回到了0000狀態(tài)，也就是說(shuō)，每六個(gè)（而不是七個(gè)）時(shí)鐘脈沖就使74LS160的狀態(tài)循環(huán)一次。因此，這個(gè)電路是一個(gè)六進(jìn)制計數器。計數循環(huán)中包括0000、0001、0010、0011、0100和0101這六個(gè)穩定狀態(tài)?？赡苡腥苏f(shuō)：“唔，聽(tīng)你這么一解釋?zhuān)乙灿X(jué)得它是六進(jìn)制計數器。不過(guò)，把七個(gè)狀態(tài)算成六個(gè)總是有點(diǎn)兒別扭。唉，只要它能工作，我就不計較它是經(jīng)歷六個(gè)狀態(tài)還是七個(gè)狀態(tài)了。”我說(shuō)：“對，我也這樣想。然而，事與愿違呀！不改進(jìn)的話(huà)，這個(gè)電路還真不能工作。”為什么呢？我們知道，計數器的狀態(tài)是觸發(fā)器記憶的。74LS160有四個(gè)觸發(fā)器，分別記憶。這四個(gè)觸發(fā)器的工作速度是有差異的。在74LS160從0110變成0000的過(guò)程中，和的狀態(tài)不變，和的狀態(tài)要從1變成0。我們假設比快，那么剛剛從1變0時(shí)，仍然處于1狀態(tài)。這時(shí)，譯碼器的輸出就不是低電平了，74LS160的異步復位信號就消失了。在異步復位信號持續時(shí)間過(guò)短的情況下，將保持1狀態(tài)不變。于是74LS160將停留在0010狀態(tài)，而不是我們期望的0000狀態(tài)。顯然，這是一種競爭冒險現象，因為74LS160是否能夠從0110變成0000取決于和的競爭結果。怎樣使異步復位信號持續足夠長(cháng)的時(shí)間呢？我們來(lái)看看這個(gè)電路[圖5.3.36]。