摘要  以多種種典型的中規(guī)模集成 （MSI） 計(jì)數(shù)器芯片為例，采用反饋置零法 （ 復(fù)位法 ）、反饋置數(shù)法 （ 置位法 ） 和級(jí)聯(lián)法來(lái)構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。總結(jié)出詳細(xì)的設(shè)計(jì)步驟。

　　1 緒論

　　計(jì)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)中用得多的時(shí)序邏輯電路，其主要功能就是用計(jì)數(shù)器的不同狀態(tài)來(lái)記憶輸入脈沖的個(gè)數(shù)。除此以外還具有定時(shí)、分頻、運(yùn)算等邏輯功能。 計(jì)數(shù)器不僅能用于對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)， 還可使用于定時(shí)、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。只要是稍微復(fù)雜一些的

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

　　當(dāng)我們?cè)谠O(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器 （即計(jì)數(shù)模不是 2及10）時(shí)， 一般采用現(xiàn)有的中規(guī)模集成電路（ Medium Scale Integration, MSI）芯片， 通過(guò)適當(dāng)?shù)姆答佭B接加以實(shí)現(xiàn)。而市場(chǎng)上現(xiàn)成的中規(guī)模集成電路芯片常見(jiàn)的只有十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而在實(shí)際應(yīng)用中，如數(shù)字鐘電路中，卻需要二十四進(jìn)制和六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因此要將現(xiàn)有計(jì)數(shù)器改造成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。利用MSI芯片進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪B接就可以構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)，所使用的方法主要有反饋置零法、反饋預(yù)置法和級(jí)聯(lián)法。

　　采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器，使設(shè)計(jì)和調(diào)試工作更趨于簡(jiǎn)單， 并且具有體積小， 功耗低， 可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 本文主要闡述了用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)任意進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)思想， 并對(duì)設(shè)計(jì)方法和步驟作了討論。

　　2. MS I中規(guī)模計(jì)數(shù)器概述

　　2.1 MS I中規(guī)模計(jì)數(shù)器芯片種類(lèi)

　　MS I中規(guī)模計(jì)數(shù)器芯片有非常多的種類(lèi)。若按觸發(fā)時(shí)鐘的方式分類(lèi)有： 同步計(jì)數(shù)器、異步計(jì)數(shù)器； 若按進(jìn)制的"模"分類(lèi)有： 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器； 若按計(jì)數(shù)的方式分類(lèi)： 有加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆（加/減）計(jì)數(shù)器； 若按芯片的型號(hào)分類(lèi)就更多了， 如：僅74系列的4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片就有161、163、191、193、197等，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片有160、162等。

　　2.2 MSI中規(guī)模計(jì)數(shù)器工作原理

　　2.2.1.以十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74LS160為例

　　74LS160的功能

表1 74LS160功能表

　　根據(jù)功能表，74LSl60的功能說(shuō)明如下：

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

　　（2）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(shí)，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(shí)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(jì)數(shù)器不工作，輸出保持原狀態(tài)不變。

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

　　數(shù)器對(duì)C P 的個(gè)數(shù)進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到輸出Q3Q2Q1Q0 為1001 時(shí)，C0=1,C0=1 的維持時(shí)間是從Q3Q2QlQ0 為1001 時(shí)起到QaQ2Q1Q0 狀態(tài)變化時(shí)止。

　　2.2.2以四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例

　　74LS161功能

表2 74LS161功能表

　　從功能表（ 一） 可以看到，74LS161處于計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，引出端RD,L D , S : , S : 都應(yīng)為" 1 " （ 接高電平） . 如果取其中一片T 4 1 6 1 作為低位計(jì)數(shù)器〔記作（1 ） 〕， 對(duì)該片計(jì)數(shù)器來(lái)講，每來(lái)一個(gè)C P 就計(jì)數(shù)，它始終工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)。

　　3. 設(shè)計(jì)方案

　　3. 1 采用反饋置零法來(lái)設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　對(duì)于 74LS160屬于異步置零輸入端的計(jì)數(shù)器，它是當(dāng)置零輸入端出現(xiàn)有效電平 （低電平 ） 后計(jì)數(shù)器立 即 被 置 零， 不 受 時(shí) 鐘 信 號(hào) 的 控 制。 而 對(duì) 于74LS162 / 74LS163 屬于同步置零輸入端的計(jì)數(shù) 器。它是當(dāng)置零輸入端出現(xiàn)有效電平 （低電平 ） 后計(jì)數(shù)器并不會(huì)立即被置零， 必須等下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)后， 才能將計(jì)數(shù)器置零。兩者用時(shí)必須加以區(qū)分。

　　3. 1. 1 采用并行法來(lái)設(shè)計(jì) 24 進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　用 74LS160并行置零法設(shè)計(jì) 24進(jìn)制計(jì)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(gè)位芯片由于計(jì)數(shù)控制端 ENP = ENT = 1, 故該芯片始終處于計(jì)數(shù)狀態(tài)； 而十位芯片的 ENP、ENT連接的是個(gè)位芯片的進(jìn)位控制端 RCO, 只有當(dāng)個(gè)位芯片的計(jì)數(shù)狀態(tài) Q 3Q 2 Q1 Q0為 1001時(shí)， RCO 才為 1.十位芯片才能計(jì)數(shù)。如果沒(méi)有反饋置零 （即 MR 端恒接高電平 ）則電路是一個(gè) 100進(jìn)制計(jì)數(shù)器。現(xiàn)在電路中加上了反饋， 當(dāng)計(jì)數(shù)狀態(tài) （ 00100100） 8421BCD碼 = （ 24） 10時(shí)， 與非門(mén)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(jì)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(gè)， 故此電路為24進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖1  用74LS160并行置零法設(shè)計(jì)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　另外如果采用同步置零 74LS162計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)計(jì)24進(jìn)制計(jì)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(jiàn)反饋信號(hào)應(yīng)取自十位芯片的 Q1 及個(gè)位芯片的 Q1 和 Q0, 相應(yīng)的與非門(mén)應(yīng)改成四輸入端與非門(mén)。用 74LS162并行置零法設(shè)計(jì) 24進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路圖如圖 2所示。

圖2   用74LS162并行置零法設(shè)計(jì)24進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　3. 1. 2 采用串行法來(lái)設(shè)計(jì) 48 進(jìn)制計(jì)數(shù)器

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

圖3  用74LS160串行置零法設(shè)計(jì)48進(jìn)制計(jì)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(gè)位芯片由于計(jì)數(shù)控制端 ENP=ENT = 1, 故該芯片始終處于計(jì)數(shù)狀態(tài)； 而十位芯片的 ENP = ENT = 1, 但十位芯片的計(jì)數(shù)脈沖CLK 是通過(guò)個(gè)位芯片的進(jìn)位控制端 RCO 取反來(lái)控制的。當(dāng)個(gè) 位芯 片的計(jì) 數(shù)狀 態(tài) Q 3Q 2Q 1Q 0為 1001時(shí)， RCO 為 1.當(dāng)下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí) RCO 又為0.又由74LS160計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖 CLK是上升沿有效， 與此同時(shí)， 個(gè)位的RCO 由1到0相當(dāng)于一個(gè)下降沿， 通過(guò)非門(mén)74LS04 控制就得到一個(gè)上升沿， 同時(shí)十位芯片才能計(jì)數(shù)。如果沒(méi)有反饋置零（即MR 恒接高電平）則電路是一個(gè)100 進(jìn)制計(jì)數(shù)器。現(xiàn)電路中加上了反饋。當(dāng)計(jì)數(shù)狀態(tài)（ 01001000） 8421BCD碼= （48）10時(shí)， 與非門(mén)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(jì)數(shù)器立即置零。如果采用同步置零74LS162計(jì)數(shù)器來(lái)設(shè)計(jì)48進(jìn)制計(jì)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(jiàn)反饋信號(hào)應(yīng)取自十位芯片的Q2 及個(gè)位芯片的Q2, Q1 及Q0, 相應(yīng)的與非門(mén)應(yīng)改成四輸入端與非門(mén)。74LS162串行置零法設(shè)計(jì)48進(jìn)制計(jì)數(shù)器的電路圖如圖4所示。

圖4  用74LS162串行置零法設(shè)計(jì)48進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　另外， 采用串行法設(shè)計(jì)時(shí)， 十位芯片的計(jì)數(shù)脈沖CLK還可以通過(guò)個(gè)位芯片的位Q3 端通過(guò)非門(mén)取反來(lái)控制， 其他線路保持不變。只要對(duì)圖3或圖4稍加修改即可。

　　3.2  采用反饋置數(shù)法來(lái)設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　此方法適用于某些具有預(yù)置數(shù)的計(jì)數(shù)器， 它是采用預(yù)置數(shù)控制端LOAD來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于74LS160屬于同步式預(yù)置數(shù)的計(jì)數(shù)器來(lái)說(shuō)， 當(dāng)LOAD 出現(xiàn)有效電平低電平后待下一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)到來(lái)后計(jì)數(shù)器輸出端的狀態(tài)Q3Q2Q1Q0 = D3D2D1D0.使其跳過(guò)某些狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。下面就以74LS160為例， 用并行置數(shù)法設(shè)計(jì)23 進(jìn)制計(jì)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(jìn)制數(shù)。那么此電路在其置數(shù)時(shí)十位和個(gè)位的D3D2D1D0 置入（ 01100110 ）8421BCD 碼= （ 66） 10, 而反饋代碼十位和個(gè)位為（ 10001000）8421BCD 碼= （ 88） 10, 相當(dāng)于十進(jìn)制數(shù)的88.由此分析可得到計(jì)數(shù)器的模為（ 88- 66） + 1= 23, 故計(jì)數(shù)器為23進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 其設(shè)計(jì)電路圖如圖5所示。由此可以得到置數(shù)法的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為：反饋代碼轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制數(shù) - 預(yù)置數(shù)端的代碼轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制數(shù) + 1 = 所設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器的模。同樣我們也可以仿照前面的設(shè)計(jì)用串行置數(shù)法設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖5用74LS160并行置數(shù)法設(shè)計(jì)23進(jìn)制計(jì)數(shù)器

　　4 設(shè)計(jì)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(guò)以上分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以得出任意N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法及步驟。

　　根據(jù)計(jì)數(shù)模N 來(lái)確定所需要計(jì)數(shù)器芯片的個(gè)數(shù)n.n= INT （ logm （N - 1） ） + 1, INT 表示取整。m: 當(dāng)芯片為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)m 取10, 當(dāng)芯片為四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)m 取16.

　　（ 2）當(dāng)n個(gè)計(jì)數(shù)器芯片連接成模為m 的計(jì)數(shù)器

　　（ 3）選用并行法或串行法將n 個(gè)計(jì)數(shù)器連接起來(lái)。

　　（ 4）確定反饋置零代碼。如果計(jì)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.

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

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

參考文獻(xiàn):

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