第九章中規(guī)模集成時序邏輯設(shè)計

§9.1計數(shù)器在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中，使用最多的時序電路要算計數(shù)器了。它是一種對輸入脈沖信號進(jìn)行計數(shù)的時序邏輯部件。9.1.1計數(shù)器的分類1.按數(shù)制分

（1）二進(jìn)制計數(shù)器。按自然態(tài)序循環(huán)經(jīng)歷2n個獨(dú)立狀態(tài)，因此又可稱作模M=2n進(jìn)制計數(shù)器。（2）非二進(jìn)制計數(shù)器。在計數(shù)時所經(jīng)歷的獨(dú)立狀態(tài)數(shù)不為M≠2n，稱為非二進(jìn)制計數(shù)器。如十進(jìn)制、八進(jìn)制、十二進(jìn)制、十六進(jìn)制計數(shù)器等。2.按計數(shù)增減方式分

（1）加計數(shù)器。按輸入一個脈沖就進(jìn)行一次加1運(yùn)算的計數(shù)器稱為加計數(shù)器。（2）減計數(shù)器。按輸入一個脈沖就進(jìn)行一次減1運(yùn)算的計數(shù)器稱為減計數(shù)器。（3）可逆計數(shù)器。既可作加運(yùn)算，又可作減運(yùn)算的計數(shù)器稱為可逆計數(shù)器。當(dāng)然可逆計數(shù)器不可能同時作兩種運(yùn)算，它是在加減控制信號的作用下，某一時刻作加運(yùn)算或作減運(yùn)算。3.按計數(shù)脈沖輸入方式分

（1）同步計數(shù)器。計數(shù)脈沖接到計數(shù)器所有觸發(fā)器的CP輸入端。應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器是同時翻轉(zhuǎn)計數(shù)的叫同步計數(shù)器。（2）異步計數(shù)器。計數(shù)脈沖并不引入計數(shù)器所有觸發(fā)器的CP端。觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，不是同時發(fā)生的計數(shù)叫異步計數(shù)器。9.1.2集成計數(shù)器

1.同步集成計數(shù)器

典型的中規(guī)模集成電路計數(shù)器74LS191是一個四位同步二進(jìn)制加/減計數(shù)器。其邏輯電路圖及邏輯符號如圖9.1.1(a),(b)所示。①當(dāng)S=0,LD=1時，電路處于計數(shù)狀態(tài)，這時各個觸發(fā)器輸入端的邏輯方程為：T0=1T1=U/DQ0+U/DQ0T2=U/D(Q0Q1)+U/D(Q0Q1)T3=U/D(Q0Q1Q2)+U/D(Q0Q1Q2)

74LS191的電路與符號圖9.1.1(a)(b)所示圖9.1.1②分析上式可以看出：

若U/D=0時，計數(shù)器74LS191作加法計數(shù)。若U/D=1時，計數(shù)器74LS191作減法計數(shù)。③附加功能：74LS191除了作加/減計數(shù)時，還有預(yù)置數(shù)控制端LD。當(dāng)LD=0時，電路處于預(yù)置數(shù)狀態(tài)，D0至D3的數(shù)據(jù)立刻被置入F0至F3中，而不受時鐘輸入信號CP1的控制。因此稱異步式預(yù)置數(shù)。S是使能控制端：當(dāng)S=1時，T0至T3全部為0，這時F0至F3保持不變。C/B是進(jìn)位/借位輸出端：當(dāng)作加法計數(shù)時U/D=0，且Q3Q2Q1Q0=1111時，C/B=1有進(jìn)位輸出；在減法計數(shù)時U/D=1，Q3Q2Q1Q0=0000時，C/B=1有借位輸出。74LS191的功能真值表如表9.1.1所示。CP1SLDU/D工作狀態(tài)XX??1X001011XX01保持預(yù)制數(shù)加法計數(shù)減法計數(shù)2.異步集成計數(shù)器

中規(guī)模集成電路74LS290是典型的異步BCD碼十進(jìn)制計數(shù)器，其邏輯電路圖及邏輯符號如圖9.1.2(a),(b)所示。圖9.1.2（1）功能分析如圖9.1.2所示的電路：

①FA觸發(fā)器是具有T功能的一個二進(jìn)制計數(shù)器，若在CPA端輸入時鐘脈沖，則QA的輸出信號是CPA脈沖二分頻。②FBFCFD三個觸發(fā)器構(gòu)成的邏輯電路是一個異步五進(jìn)制計數(shù)器，其CPB為計數(shù)脈沖輸入端，QD為輸出端。即QD的輸出信號是CPB脈沖的五分頻。③若將CPB與QA相連，同時以CPA為輸入計數(shù)脈沖端。QD的輸出為十進(jìn)制計數(shù)器(或十分頻器)。因此，又將這個電路稱為二、五、十進(jìn)制異步計數(shù)器。

（2）電路的功能真值表輸入輸出CPR01R02S91S92QAQBQCQDx11x11x0x1x01001000000001x00x0xx0x0x00x0x計數(shù)狀態(tài)分析74LS290的功能真值表

①直接復(fù)位輸入端R01,R02：當(dāng)R01=R02=1，且S91,S92中有“0”時，可使各觸發(fā)器清為零。②置“9”輸入端S91,S92:當(dāng)S91=S92=1時，可使觸發(fā)器FA和FD置“1”，而FB和FC置“0”，使得計數(shù)器處于8421BCD碼中的“9”，其狀態(tài)QDQCQBQA=1001,這就是置“9”功能。③計數(shù)狀態(tài)：在置“9”輸入端S91,S92和復(fù)位輸入端R01,R02中均有“0”電平時，74LS290可實現(xiàn)計數(shù)功能。

9.1.3任意進(jìn)制計數(shù)器的構(gòu)成方法

例9.1.1用74LS191和適當(dāng)?shù)倪壿嬮T電路構(gòu)成模12減法計數(shù)器。

解：設(shè)計數(shù)器初始狀態(tài)Q3Q2Q1Q0為1111，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換序列為圖9.1.3所示。由上述狀態(tài)轉(zhuǎn)換計數(shù)規(guī)律，結(jié)合74LS191功能表分析，運(yùn)用反饋復(fù)位法，可得如下圖:圖9.1.4邏輯圖說明：在圖中，S=0,U/D=1,CP1=CP為計數(shù)脈沖輸入端，LD端用作初始狀態(tài)設(shè)置端和計數(shù)狀態(tài)控制端。在初始狀態(tài)時，使LD=0，而在累減計數(shù)狀態(tài)時，使LD=1。在開始工作時，LD=0,74LS191置入初始值1111，使LD=1時。在計數(shù)脈沖作用下進(jìn)行減1計數(shù)。當(dāng)計數(shù)輸出由0100變?yōu)?011時，通過“或”門和“與”門使LD=0，重新設(shè)置初始狀態(tài)，再繼續(xù)進(jìn)行減1計數(shù)。例9.1.2用74LS290和適當(dāng)?shù)拈T電路構(gòu)成64進(jìn)制計數(shù)器，采用5421BCD碼計數(shù)解：根據(jù)題意，用兩片74LS290和一個四輸入“與”門電路可構(gòu)成M=64的計數(shù)器。其中(Ⅰ)片為個位片，(Ⅱ)為十位片。如圖9.1.5所示。分析圖9.1.5所示電路

若不接反饋信號，74LS290(Ⅰ)、74LS290(Ⅱ)分別構(gòu)成的是5421BCD碼十進(jìn)制計數(shù)器，由于(Ⅱ)片的計數(shù)脈沖輸入端CPB接(Ⅰ)片的最高位輸出端QA，因此兩片74LS290就串接成5421BCD碼的一個百進(jìn)制計數(shù)器。由于兩片74LS290的R01,R02輸入端均接到十位片(Ⅱ)的QA(5)QB(1)和個位片(Ⅰ)的QD(4)相與的與門輸出端，因此這兩片74LS290構(gòu)成的計數(shù)器在QA(Ⅱ)QD(Ⅱ)QC(Ⅱ)QB(Ⅱ)QA(Ⅰ)QD(Ⅰ)QC(Ⅰ)QB(Ⅰ)輸出狀態(tài)為10010100(64)時，反饋復(fù)位信號會使它們清成全0。這時正好是從全0開始輸入了64個脈沖，所以它構(gòu)成的是模數(shù)為64的計數(shù)器?！?.2寄存器

寄存器是用于寄存數(shù)據(jù)或運(yùn)算結(jié)果二值代碼的邏輯部件。它具有接收數(shù)據(jù)、存放數(shù)據(jù)和傳送數(shù)據(jù)的功能。在實際應(yīng)用中，除有上述基本功能外，還應(yīng)具有左移、右移、串行和并行輸入、串行和并行輸出、預(yù)置及清零多種功能。

9.2.1基本的寄存器集成寄存器的種類很多,不同集成寄存器存貯數(shù)據(jù)的位數(shù)不同。74LS175是最基本的四位寄存器，其邏輯電路結(jié)構(gòu)如圖9.2.1。

74LS175邏輯電路圖

該寄存器采用單拍接收方式。當(dāng)CP脈沖上升沿到來時，D0至D3四位數(shù)據(jù)并行輸入到寄存器，四位數(shù)據(jù)由Q0至Q3并行輸出，所以稱這種寄存器為并行輸入、并行輸出寄存器。表9.2.1為74LS175功能真值表輸入輸出CrCPDQQ0111x0x01x001110保持原態(tài)9.2.2集成移位寄存器

1.74LS194是比較典型的移位寄存器，它是由四個RS觸發(fā)器和一些門電路組成的雙向移位寄存器，有多種工作方式可以選擇。74LS194邏輯符號如圖9.2.2表9.2.2是功能表。在功能表中，CR是異步清零端，CP是移位時鐘脈沖輸入端,S0,S1是控制方式選擇端，SL是左移串行輸入端，SR是右移串行輸入端，D0至D3為并行輸入端，Q0至Q3為并行輸出端，Q0是左移串行輸出端，Q3是右移串行輸出端。圖9.2.2表9.2.274LS194功能表功能輸入信號輸出CRS1S0CPSlSRD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3清0保持送數(shù)左移右移保持011111xxxx11011000x0xxxxxxx0x10x1xxxxxxxxxxxD0D1D2D3xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx0000Q0Q1Q2Q3D0D1D2D30Q0Q1Q21Q0Q1Q2Q1Q2Q30Q1Q2Q31Q0Q1Q2Q3控制選擇功能分析74LS194基本功能為：異步清零，保持?jǐn)?shù)據(jù)，送數(shù)，左移，右移。后四種由S1S0控制選擇完成：（1）S1S0=11時，在CP控制下，74LS194并行將D0至D3數(shù)據(jù)送到Q0至Q3端，故稱同步并行送數(shù)。（2）S1S0=00時，74LS194輸出維持不變，故稱74LS194輸出狀態(tài)動態(tài)保持，以區(qū)別無CP脈沖時的74LS194輸出狀態(tài)的保持。S1S0=01時，實現(xiàn)右移操作。S1S0=10時，實現(xiàn)左移操作。9.2.3移位型計數(shù)器

移位型計數(shù)器是以移位寄存器為主體構(gòu)成的同步計數(shù)器。這種計數(shù)器只需對第一級進(jìn)行設(shè)計，其它各級按移位關(guān)系連接。移位型計數(shù)器狀態(tài)遷移關(guān)系不能任意指定，受移位關(guān)系的限制。移位型計數(shù)器有兩種常用類型，環(huán)形計數(shù)器和扭環(huán)型計數(shù)器。1.環(huán)形計數(shù)器

環(huán)形計數(shù)器是將移位寄存器的最后一級輸出反饋到第一級串行輸入端SR，特點是構(gòu)成的計數(shù)器模數(shù)M和所用觸發(fā)器個數(shù)n相等。結(jié)構(gòu)上其反饋函數(shù)f(Q0,Q1，…,Qn)=Qn。74LS194構(gòu)成的4位環(huán)形計數(shù)器

圖9.2.3給出了用74LS194構(gòu)成的4位環(huán)形計數(shù)器及狀態(tài)遷移圖。如起始狀態(tài)為1000，其狀態(tài)遷移為1000、0100、0010、0001，但存在無效循環(huán)和死態(tài)(如0和15)，即無自校正能力。具有自校正能力的一種修正電路

圖9.2.4給出了具有自校正能力的一種修正電路，它利用預(yù)置功能，有效地消除了無效循環(huán)。由于環(huán)形計數(shù)器的每個工作狀態(tài)只有一個觸發(fā)器的輸出為1或者為0，因此，不需要譯碼電路，就可用于順序脈沖發(fā)生器。但環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)利用率低，16個狀態(tài)只用了4個。圖9.2.42.扭環(huán)形計數(shù)器

扭環(huán)形計數(shù)器又叫約翰遜計數(shù)器，它是將移位寄存器最后一級輸出的反變量反饋到第一級輸入端而構(gòu)成的。這樣構(gòu)成的計數(shù)器的模數(shù)M為所用觸發(fā)器個數(shù)n的2倍，存在無效循環(huán)和無自啟動功能。如果用74LS194構(gòu)成扭環(huán)形計數(shù)器，Q3輸出取反后送SR即可。電路如圖9.2.5所示。這是一個不能自行啟動的電路，在工作之前需要置0，使其進(jìn)入工作狀態(tài)。如圖9.2.5(a)為有效循環(huán)，圖9.2.5(b)為非工作狀態(tài)的無效循環(huán)。圖9.2.5扭環(huán)形計數(shù)器9.3計數(shù)器的應(yīng)用9.3.1脈沖信號分配器將輸入時鐘脈沖信號經(jīng)過一定的分頻后，分別送到各路輸出的邏輯電路，稱為脈沖信號分配器。它經(jīng)常用來產(chǎn)生各種定量信號。圖9.3.1是脈沖信號分配器的組成原理框圖。

P0P1P7M計數(shù)器譯碼器CP模M=4

的環(huán)形計數(shù)器構(gòu)成的脈沖信號分配器如圖9.3.2所示。當(dāng)環(huán)行計數(shù)器工作在每個狀態(tài)中只有一個“1”的循環(huán)狀態(tài)時，它就是一個脈沖信號分配器。當(dāng)CP端不斷輸入系列脈沖時，Q0---Q3端將依次輸出正脈沖，并不斷循環(huán)。例9.3.1試用74LS161和74LS138構(gòu)成信號分配器。1、74LS161的功能真值表（表9.3.1）當(dāng)RD=0時為清零。CPRDLDEPET工作狀態(tài)xxx01111x0111xxxx01x011清零預(yù)置數(shù)保持保持（C=0）計數(shù)當(dāng)RD=1，LD=0時，預(yù)置數(shù)狀態(tài)。當(dāng)RD=LD=1，EP=0，EF=1時，保持。當(dāng)RD=LD=EP=EF=1，工作在計數(shù)狀態(tài)。如圖9.3.3所示9.3.2序列信號發(fā)生器在數(shù)字信號的和數(shù)字信號的測試中，有時要用到一組特定的串行數(shù)字信號，通常把這種串行數(shù)字信號叫做序列信號，產(chǎn)生序列信號的電路稱為序列信號發(fā)生器。1.

用計數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器組成的序列信號發(fā)生器：下面用8位的序列信號“00010111”，時間順序為自左向右，可用一個八進(jìn)