约翰逊计数器

环形计数器是由移位寄存器加上一定的反馈电路构成的 用移位寄存器构成环形计数器的一般 框图见图 23 5 1 它是由一个移位寄存器和一个组合反馈逻辑电路闭环构成 反馈电路的输出 接向移位寄存器的串行输入端 反馈电路的输入端根据移位寄存器计数器类型的不同 可接向 移位寄存器的串行输出端或某些触发器的输出端 图 23 5 1 移位寄存器型计数器方框图 23 5 1 环形计数器环形计数器 23 5 1 1 电路工作原理 图 23 5 2 为一个四位环形计数器 它是把移位寄存器最低一位的串行输出端 Q1反馈到最高 位的串行输入端 即 D 触发器的数据端 而构成的 环形计数器常用来实现脉冲顺序分配的功 能 分配器 假设寄存器初始状态为 Q4Q3Q2Q1 1000 那么在移位脉冲的作用下 其状态将按表 23 11 中的顺序转换 当第三个移位脉冲到来后 Q1 1 它反馈到 D4输入端 在第四个移位脉冲作用下 Q4 1 回 复到初始状态 表 23 11 中的各状态将在移位脉冲作用下 反复在四位移位寄存器中不断循环 由上述讲讨论可知 该环形计数的计数长度为 N n 和二进制计数器相比 它有 2n n 个状态 没有利用 它利用的有效状态是少的 23 5 1 2 状态转换图和工作时序 表 23 11 中是以 1000 为初始状态的 它所对应的状态转换图见图 23 5 3 如果移位寄存器中 的初始状态不同 就会有不同的状态转换图 图 23 5 4 给出了四位环形计数器可能有的其它几 种状态转换图 图 23 5 3 状态转换图 a b c d 图 23 5 4 四位环行计数器其它的状态转换图 图 23 5 4 a b c 三个状态转换图中各状态是闭合的 相应的时序为循环时序 当计数 器处于图 23 5 4 d 所示的状态 0000 或 1111 时 计数器的状态将不发生变化 这两个状态称为 悬态或死态 四位环形计数器可能有这么多不同的循环时序 是我们不希望的 只能从这些循环时序中选 出一个来工作 这就是工作时序 或称为正常时序 或有效时序 其它末被选中的循环时序称 为异常时序或无效时序 一般选图 23 5 3 的时序为工作时序 因为它只循环一个 1 不用经 过译码就可从各触发器的 Q 端得到顺序脉冲输出 参看图 23 5 5 图 23 5 5 四位环形的计数器的输出波形 正常时序 也可选图 23 5 4 a 的时序作为工作时序 它循环的是一个 0 顺序输出一个负脉冲 23 5 1 3 如何保证正常时序如何保证正常时序 对于图 23 5 2 这种结构的计数器 可能存在两个以上的循环时序 要想使环形计器在选定的时 序中工作 就必须防止异常时序和死态的出现 方法有两种 第一种第一种是利用触发器的直接置位端和直接复位端 将计数器的状态预置到正常时序中的某一 个状态上去 这种方法虽然简单 但有两个缺点 其一 电路在工作中一旦受干扰脱离了正常 时序 就不能自动返回 其二 对于中规模电路 由于受到引出线的限制 一个单片中的几个 触发器不会同时引出直接置位端和直接复位端 因而不能采用预置的办法对某一级单独置 0 或 是置 1 第二种第二种是利用外接反馈逻辑电路的办法 使计数器自动进入正常时序 所以这种电路即使受干 扰脱离了正常时序也能自动返回 这一性能称为自行启动 图 23 5 6 的电路是具有自启动能力 的四位环形计数器 图 23 5 6 能自启动的四位环行计数器 比较图 23 5 2 和图 23 5 6 这两种电路 可以看出后者是将 Q1到 D4的反馈线断开 按 D4 设置新的反馈逻辑而组成的 计数器启动后 若 Q4 Q3 Q2不同时为 0 则 D4 0 那么 下一时钟作用后 Q4转换为 0 只要 Q4 Q3 Q2仍不同时为 0 D4仍为 0 再一个时 钟作用后 Q4 Q3 0 所以计数器启动后 不管处于什么状态 最多经过三拍 三个时钟节拍 电路就可进入有效工作时序 若计数器通电后 处于 0000 态 那么 D4 1 下一 时钟作用后 即可进入有效时序的 1000 状态 具体参见状态转换图 23 5 7 图中只有一个循 环时序 即工作时序 其它 12 个状态都与工作时序相连接 具体转换关系见表 23 12 23 5 2 扭环型环形计数器扭环型环形计数器 图 23 5 8 是另一种常用的环形计数器 称为扭环型计数器 与图 23 5 6 的不同之处是从 端反馈到 D4端 从 Q1端扭向 端构成反馈 故得此名 扭环型计数器也称约翰逊计数器 23 5 2 1 工作原理工作原理 图 23 5 8 电路的状态转换图见图 23 5 9 它的循环时序有两个 一般选图 a 的为工作时序 因 为它符合相邻两个数码之间只有一位码元不同的特点 约翰逊计数器的计数长度 N 2n 因为移位寄存器串行输入端的信号是从反相端 处取得 的 经过 n 个时钟后 计数器的状态与初始状态正好相反 必须再经过 n 个时钟后才能扭回原 状态 对于正常时序 约翰逊计数器的译码也不复杂 不管位数多少 每一状态由两位就可确定 参看表 23 13 23 5 2 2 能能自启动的扭环形计数器自启动的扭环形计数器 约翰逊计数器有 2n 个有效状态 多余状态为 2n 2n 个 也存在自行启动的问题 附加反馈逻辑 也可使约翰逊计数器自行启动 具体原则就是使非工作时序中的状态向正常时序过渡 能自启 动的反馈逻辑可通过如下过程确定 在真值表表 23 14 中的非工作时序有一部分可以一拍就进入工作时序的状态 即破坏正常的反 馈逻辑 F 所确定的反馈值 需要修改反馈为 1 者 在旁边填上 s 需要修改反馈为 0 者 在旁边填上 r 填有小写字母的状态就是异常时序被拆开进入正常时序突破口处的状态 对于不能一拍进入工作时序的状态 仍按反馈逻辑 F 填写 F 的真值 待其转换到突破口处 就可进入工作时序 将真值表 23 14 填入卡诺图 突破口至少要选择一个 至于选择几个突 破口要以在卡诺图上使反馈函数最简来确定 按图 23 5 10 的卡诺图确定的反馈逻辑 可