基于MSI的N進制計數(shù)器設(shè)計方法研究

1緒論

　　計數(shù)器是數(shù)字邏輯系統(tǒng)中的基本部件，它是數(shù)字系統(tǒng)中用得最多的時序邏輯電路，其主要功能就是用計數(shù)器的不同狀態(tài)來記憶輸入脈沖的個數(shù)。除此以外還具有定時、分頻、運算等邏輯功能。計數(shù)器不僅能用于對時鐘脈沖的計數(shù)，還可使用于定時、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及進行數(shù)字運算等。只要是稍微復(fù)雜一些的

　　數(shù)字系統(tǒng)，幾乎沒有不包含計數(shù)器的。通常把滿足N=2n的計數(shù)器稱為二進制規(guī)則計數(shù)器，有些數(shù)字定時、分頻系統(tǒng)中，常需要N≠2n的任意進制計數(shù)器。

　　當(dāng)我們在設(shè)計任意進制計數(shù)器（即計數(shù)模不是2及10）時，一般采用現(xiàn)有的中規(guī)模集成電路（MediumScaleIntegratiON，MSI）芯片，通過適當(dāng)?shù)姆答佭B接加以實現(xiàn)。而市場上現(xiàn)成的中規(guī)模集成電路芯片常見的只有十進制計數(shù)器和十六進制計數(shù)器，而在實際應(yīng)用中，如數(shù)字鐘電路中，卻需要二十四進制和六十進制計數(shù)器，因此要將現(xiàn)有計數(shù)器改造成任意進制計數(shù)器。利用MSI芯片進行適當(dāng)?shù)倪B接就可以構(gòu)成任意進制計數(shù)，所使用的方法主要有反饋置零法、反饋預(yù)置法和級聯(lián)法。

　　采用中規(guī)模集成計數(shù)器來設(shè)計任意進制計數(shù)器，使設(shè)計和調(diào)試工作更趨于簡單，并且具有體積小，功耗低，可靠性高等優(yōu)點。本文主要闡述了用中規(guī)模集成計數(shù)器設(shè)計任意進制同步加法計數(shù)器的設(shè)計思想，并對設(shè)計方法和步驟作了討論。

　　2.MSI中規(guī)模計數(shù)器概述

　　2.1MSI中規(guī)模計數(shù)器芯片種類

　　MSI中規(guī)模計數(shù)器芯片有非常多的種類。若按觸發(fā)時鐘的方式分類有：同步計數(shù)器、異步計數(shù)器；若按進制的“模”分類有：二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器；若按計數(shù)的方式分類：有加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆（加/減）計數(shù)器；若按芯片的型號分類就更多了，如：僅74系列的4位二進制計數(shù)器芯片就有161、163、191、193、197等，十進制計數(shù)器芯片有160、162等。

　　2.2MSI中規(guī)模計數(shù)器工作原理

　　2.2.1.以十進制同步計數(shù)器74LS160為例

　　74LS160的功能

表174LS160功能表

　　根據(jù)功能表，74LSl60的功能說明如下：

　?。?）異步清零功能。當(dāng)CR=0時，不論其他輸入如何，輸出Q3Q2Q1Q0為0000，表中“×”表示任意。

　?。?）同步并行置數(shù)功能。LD為預(yù)置數(shù)控制端，在CR=1的條件下，LD=0時，在CP上升沿的作用下，預(yù)置好的數(shù)據(jù)d3d2dld0被并行地送到輸出端，即此時的Q3Q2Q1Q0為d3d2dld0。

　　（3）保持功能。在CR=1和LD=1的前提下，只要TTTP=0，則計數(shù)器不工作，輸出保持原狀態(tài)不變。

　　（4）計數(shù)功能。正常計數(shù)時，必須使CR=1，LD=1，TTTP=1，此時在CP的上升沿的作用下，計

　　數(shù)器對CP的個數(shù)進行加法計數(shù)。當(dāng)計數(shù)到輸出Q3Q2Q1Q0為1001時，C0=1，C0=1的維持時間是從Q3Q2QlQ0為1001時起到QaQ2Q1Q0狀態(tài)變化時止。

　　2.2.2以四位二進制計數(shù)器為例

　　74LS161功能

表274LS161功能表

　　從功能表（一）可以看到，74LS161處于計數(shù)狀態(tài)時，引出端RD，LD，S：，S：都應(yīng)為“1”（接高電平）。如果取其中一片T4161作為低位計數(shù)器〔記作（1）〕，對該片計數(shù)器來講，每來一個CP就計一次數(shù)，它始終工作在計數(shù)狀態(tài)。

　　3.設(shè)計方案

　　3.1采用反饋置零法來設(shè)計任意進制計數(shù)器

　　對于74LS160屬于異步置零輸入端的計數(shù)器，它是當(dāng)置零輸入端出現(xiàn)有效電平（低電平）后計數(shù)器立即被置零，不受時鐘信號的控制。而對于74LS162/74LS163屬于同步置零輸入端的計數(shù)器。它是當(dāng)置零輸入端出現(xiàn)有效電平（低電平）后計數(shù)器并不會立即被置零，必須等下一個時鐘信號到達后，才能將計數(shù)器置零。兩者用時必須加以區(qū)分。

　　3.1.1采用并行法來設(shè)計24進制計數(shù)器

　　用74LS160并行置零法設(shè)計24進制計數(shù)器的電路圖如圖1所示。此電路的工作原理：先假設(shè)兩芯片的置零輸入端為1，則個位芯片由于計數(shù)控制端ENP=ENT=1，故該芯片始終處于計數(shù)狀態(tài)；而十位芯片的ENP、ENT連接的是個位芯片的進位控制端RCO，只有當(dāng)個位芯片的計數(shù)狀態(tài)Q3Q2Q1Q0為1001時，RCO才為1.十位芯片才能計數(shù)。如果沒有反饋置零（即MR端恒接高電平）則電路是一個100進制計數(shù)器?，F(xiàn)在電路中加上了反饋，當(dāng)計數(shù)狀態(tài)（00100100）8421BCD碼=（24）10時，與非門輸出為零。由于74LS160屬于異步置零，且復(fù)位控制端MR低電平有效，所以計數(shù)器立即置零。由于電路中的狀態(tài)（24）10轉(zhuǎn)瞬即逝，顯示不出。故電路的有效狀態(tài)從（00）10到（23）10共24個，故此電路為24進制計數(shù)器。

圖1用74LS160并行置零法設(shè)計24進制計數(shù)器

　　另外如果采用同步置零74LS162計數(shù)器來設(shè)計24進制計數(shù)器，那么反饋代碼必須是（23）10相應(yīng)的8421BCD碼為00100011.由此可見反饋信號應(yīng)取自十位芯片的Q1及個位芯片的Q1和Q0，相應(yīng)的與非門應(yīng)改成四輸入端與非門。用74LS162并行置零法設(shè)計24進制計數(shù)器的電路圖如圖2所示。

圖2用74LS162并行置零法設(shè)計24進制計數(shù)器

　　3.1.2采用串行法來設(shè)計48進制計數(shù)器

　　用74LS160串行置零法設(shè)計48進制計數(shù)器的電路圖如圖3所示。

圖3用74LS160串行置零法設(shè)計48進制計數(shù)器

　　此電路的工作原理：先假設(shè)兩芯片的置零輸入端為1，則個位芯片由于計數(shù)控制端ENP=ENT=1，故該芯片始終處于計數(shù)狀態(tài)；而十位芯片的ENP=ENT=1，但十位芯片的計數(shù)脈沖CLK是通過個位芯片的進位控制端RCO取反來控制的。當(dāng)個位芯片的計數(shù)狀態(tài)Q3Q2Q1Q0為1001時，RCO為1.當(dāng)下一個計數(shù)脈沖到來時RCO又為0.又由74LS160計數(shù)器的時鐘脈沖CLK是上升沿有效，與此同時，個位的RCO由1到0相當(dāng)于一個下降沿，通過非門74LS04控制就得到一個上升沿，同時十位芯片才能計數(shù)。如果沒有反饋置零（即MR恒接高電平）則電路是一個100進制計數(shù)器。現(xiàn)電路中加上了反饋。當(dāng)計數(shù)狀

態(tài)（01001000）8421BCD碼=（48）10時，與非門輸出為零。由于74LS160屬于異步置零，且復(fù)位控制端低電平有效，所以計數(shù)器立即置零。如果采用同步置零74LS162計數(shù)器來設(shè)計48進制計數(shù)器，那么反饋代碼必須是（47）10相應(yīng)的8421BCD碼為01000111.由此可見反饋信號應(yīng)取自十位芯片的Q2及個位芯片的Q2，Q1及Q0，相應(yīng)的與非門應(yīng)改成四輸入端與非門。74LS162串行置零法設(shè)計48進制計數(shù)器的電路圖如圖4所示。

圖4用74LS162串行置零法設(shè)計48進制計數(shù)器

　　另外，采用串行法設(shè)計時，十位芯片的計數(shù)脈沖CLK還可以通過個位芯片的最高位Q3端通過非門取反來控制，其他線路保持不變。只要對圖3或圖4稍加修改即可。

　　3.2采用反饋置數(shù)法來設(shè)計任意進制計數(shù)器

　　此方法適用于某些具有預(yù)置數(shù)的計數(shù)器，它是采用預(yù)置數(shù)控制端LOAD來實現(xiàn)。對于74LS160屬于同步式預(yù)置數(shù)的計數(shù)器來說，當(dāng)LOAD出現(xiàn)有效電平低電平后待下一個時鐘脈沖信號到來后計數(shù)器輸出端的狀態(tài)Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0.使其跳過某些狀態(tài)來設(shè)計任意進制計數(shù)器。下面就以74LS160為例，用并行置數(shù)法設(shè)計23進制計數(shù)器，其中預(yù)置數(shù)端D3D2D1D0可以置零，也可以置十以內(nèi)的任意四位二進制數(shù)。那么此電路在其置數(shù)時十位和個位的D3D2D1D0置入（01100110）8421BCD碼=（66）10，而反饋代碼十位和個位為（10001000）8421BCD碼=（88）10，相當(dāng)于十進制數(shù)的88.由此分析可得到計數(shù)器的模為（88-66）+1=23，故計數(shù)器為23進制計數(shù)器，其設(shè)計電路圖如圖5所示。由此可以得到置數(shù)法的設(shè)計要點為：反饋代碼轉(zhuǎn)換成的十進制數(shù)-預(yù)置數(shù)端的代碼轉(zhuǎn)換成的十進制數(shù)+1=所設(shè)計的計數(shù)器的模。同樣我們也可以仿照前面的設(shè)計用串行置數(shù)法設(shè)計任意進制計數(shù)器。

圖5用74LS160并行置數(shù)法設(shè)計23進制計數(shù)器

　　4設(shè)計步驟

　　由于反饋置數(shù)法不太常用，且難于理解？？下面我們就以反饋置零法為例，通過以上分析和經(jīng)驗總結(jié)，可以得出任意N進制計數(shù)器的設(shè)計方法及步驟。

　　根據(jù)計數(shù)模N來確定所需要計數(shù)器芯片的個數(shù)n.n=INT（logm（N-1））+1，INT表示取整。m：當(dāng)芯片為十進制計數(shù)器時m取10，當(dāng)芯片為四位二進制計數(shù)器時m取16.

　?。?）當(dāng)n個計數(shù)器芯片連接成模為m的計數(shù)器

　　（3）選用并行法或串行法將n個計數(shù)器連接起來。

　　（4）確定反饋置零代碼。如果計數(shù)器芯片采用異步置零反饋代碼為（N）10，若是采用同步置零，則反饋代碼為（N？？1）10.

　?。?）反饋置零代碼形式的轉(zhuǎn)換。如果芯片為十進制制計數(shù)器，將反饋代碼轉(zhuǎn)換成8421BCD碼的形式。若是四位二進制計數(shù)器，則將反饋代碼轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。

　?。?）將轉(zhuǎn)換結(jié)果與計數(shù)器的狀態(tài)輸出端進行比較，讓與1對應(yīng)的引腳作用到與非門（反饋置零端低電平有效）或者與門（反饋置零端高電平有效）的輸入端，然后將與非門或者與門的輸出，連接到計數(shù)器芯片的反饋置零端即可。