基于MSI的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)方法研究

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)中用得最多的時(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（MediumScaleIntegratiON，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.MSI中規(guī)模計(jì)數(shù)器概述

2.1MSI中規(guī)模計(jì)數(shù)器芯片種類

MSI中規(guī)模計(jì)數(shù)器芯片有非常多的種類。若按觸發(fā)時(shí)鐘的方式分類有：同步計(jì)數(shù)器、異步計(jì)數(shù)器；若按進(jìn)制的“模”分類有：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：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。

2.2MSI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174LS160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)CP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274LS161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，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(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)CP就計(jì)一次數(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)Q3Q2Q1Q0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)的與非門應(yīng)改成四輸入端與非門。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)Q3Q2Q1Q0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?，F(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)的與非門應(yīng)改成四輸入端與非門。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)位芯片的最高位Q3端通過(guò)非門取反來(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（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(jì)數(shù)器芯片的反饋置零端即可。