計(jì)數(shù)器原理分析及應(yīng)用實(shí)例

除了計(jì)數(shù)功能外，計(jì)數(shù)器產(chǎn)品還有一些附加功能，如異步復(fù)位、預(yù)置數(shù)（注意，有同步預(yù)置數(shù)和異步預(yù)置數(shù)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(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器來(lái)構(gòu)成任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)器74LS160構(gòu)成一個(gè)六進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

因?yàn)榱M(jìn)制計(jì)數(shù)器的有效狀態(tài)有六個(gè)，而十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的有效狀態(tài)有十個(gè)，所以用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，我們只需保留十進(jìn)制計(jì)數(shù)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?yàn)?4LS160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(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出端了。于是，六進(jìn)制計(jì)數(shù)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(gòu)成一個(gè)譯碼器[圖5.3.37b]，當(dāng)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(yù)置數(shù)狀態(tài)，當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，由于等于1001，74LS160就會(huì)預(yù)置成1001，從而我們實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)跳躍。

圖5.3.37b 用置數(shù)法將74160接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)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(fù)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(gòu)成的譯碼器。

圖5.3.34 用置零法將74LS160接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器

不過(guò)，這個(gè)譯碼器當(dāng)輸入為0110時(shí)才輸出低電平，使74LS160異步復(fù)位，進(jìn)入0000這個(gè)狀態(tài)。從0000狀態(tài)開(kāi)始，隨著時(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]。可能有人說(shuō)：“不對(duì)！這個(gè)電路總共有七個(gè)狀態(tài)，應(yīng)該是七進(jìn)制計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)循環(huán)，因此它仍是六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖5-2

我們仔細(xì)分析一下。假設(shè)74LS160的初始狀態(tài)為0000，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)后，它的狀態(tài)變?yōu)?001，第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)后，它的狀態(tài)變?yōu)?010，……，第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)后，它的狀態(tài)變?yōu)?101，第六個(gè)時(shí)鐘脈沖到達(dá)后，它的狀態(tài)變?yōu)?110。當(dāng)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(fù)位，進(jìn)入0000這個(gè)狀態(tài)。這段話里，“異步復(fù)位”是一個(gè)關(guān)鍵詞。與同步復(fù)位不同，異步復(fù)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(nèi)首先在0110狀態(tài)停留片刻，然后就穩(wěn)定地停留在0000狀態(tài)。我們知道，計(jì)數(shù)器的工作對(duì)象是時(shí)鐘脈沖。計(jì)數(shù)，就是計(jì)時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)。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(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)循環(huán)中包括0000、0001、0010、0011、0100和0101這六個(gè)穩(wěn)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(jì)數(shù)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(jì)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(duì)，我也這樣想。然而，事與愿違呀！不改進(jìn)的話，這個(gè)電路還真不能工作。”為什么呢？我們知道，計(jì)數(shù)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(shè)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(fù)位信號(hào)就消失了。在異步復(fù)位信號(hào)持續(xù)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(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象，因?yàn)?4LS160是否能夠從0110變成0000取決于和的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。怎樣使異步復(fù)位信號(hào)持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間呢？我們來(lái)看看這個(gè)電路[圖5.3.36]。