计数器的原理

1、计数器的原理23为 0000。当第一个计数脉冲输入后，脉冲后沿使 F0 的 Q0 由 0 变 1，F1、F2、F3 均保持 0态，计数器的状态为0001；当图 14 位异步二进制加法计数器第二个计数脉冲输入后， Q0 由 1 变为 0，但 Q0 的这个负跳变加至 F1 的 CP 端，使 Q1 由 0 变为1，而此时 F3、F2 仍保持 0 状态，计数器的状态为 0010。依此类推，对于 F0 来说，每来一个计数脉冲后沿， Q0 的状态就改变，而对于 F1、F2、F3 来说，则要看前一位输出端Q 是否从 1 跳到 0，即后沿到来时，其输出端的状态才改变，否则Q1、Q2、 Q3 端的状态同前一个状

2、态一样。这样在第 15 个计数脉冲输入后，计数器的状态为1111，第 16 个计数脉冲输入，计数器恢复为0000。由上述分析可知， 一个 4 位二进制加法计数4器有 24=16 种状态，每经过十六个计数脉冲，计数器的状态就循环一次。 通常把计数器的状态数称之为计数器的进制数（或称计数器的模），因此， 4 位二进制计数器也可称之为 1 位十六进制（模 16）计数器。表 1 所示为 4 位二进制加法计数器的状态表。 计数脉冲和各触发器输出端的波形如图 2 所示。图 2 直观地反映出最低位触发器Q0 在 CP脉冲后沿触发，而各高位触发器又是在相邻低位触发器输出波形的后沿触发。 从图中还可以看出每经过

3、一级触发器，脉冲波形的周期就增加 1 倍，即频率降低一半，则从 Q0 引出的脉冲对计数脉冲为两（ 21）分频，从 Q1 引出的脉冲对计数脉冲为四（ 22）分频 ，依此类推，从 n 位触发器输出端 Qn 引出的脉冲对计数脉冲为 2n 分频，因此，计数器可以用于分频电路。对异步二进制加法计数器的特点归纳如下：1）计数器由若干个计数型触发器所组成，各触发器之间的连接方式取决于触发器的类型。如由脉冲下降沿触发的触发器组成， 则进位信号从 Q 端引出，如用脉冲上升沿触发的触发器构成计数器，则进位信号从 Q 端引出。5n2）n 个触发器具有2 个状态，其计数容量n（即能记住的最大二进制数）为2 -1。表

4、14 位异步二进制加法计数器状态表四位触发器状态计数脉Q3Q2对应的十冲数进制数Q1Q00000100120023013400451056006711780189009100110110111120112131013140114615111516101600100110101011110011011110111100003）图 1 所示的二进制计数器的 CP 脉冲只加到最低位触发器， 其他各位触发器则由相邻低7位触发器的进位脉冲来触发， 因此其状态的变换有先有后，是异步的，其计数的速度难以提高。图 2 4 位二进制加法计数器工作波形2）同步二进制加法计数器 同步二进制计数器是用计数脉冲同时去触

5、发计数器中各触发器的 CP 端，使各触发器的状态变换与计数脉冲同步，不存在各触发器之间的进位传输延迟，因而计数速度高。同步二进制加法计数器与异步二进制加法计数器的状态表和工作波形都相同。 如果计数器是由脉冲下降沿触发的四个 JK 触发器组成，根据表 1 可得出各位触发器的 J、K 端的逻辑关系式。1）第一位触发器F0，每来一个计数脉冲就翻转一次，故 J0=K 0=1；2）第二位触发器F1，在 Q0=1 时，再来一8个计数脉冲才翻转，故J1=K 1=Q 0；3）第三位触发器 F2，在 Q1=Q0=1 时，再来一个计数脉冲才翻转，故 J2=K 2=Q 1Q0；4）第四位触发器F3，在 Q2=Q 1

6、=Q 0=1 时，再来一个计数脉冲才翻转，故 J3=K 3= Q2Q1Q0。由上述逻辑关系式可得出图 3 所示的 4 位同步二进制加法计数器的逻辑图。现分析其工作原理：设触发器初态为 0000。在第一个计数脉冲后沿到达时， F0 翻转为 1 态，由于此时 F1F3 的J、K 端均为 0，故不翻转，计数器输出为 0001；在第二个计数脉冲到来前，由于 F1 的 J1=K 1=Q0=1，故在第二个计数脉冲后沿到达时，F0 由 1 翻转为 0，F1 由 0 翻转为 1，而此时 F2、F3 的 J、K 均为 0，不翻转，计数器输出为 0010；依此类推，当第十五个计数脉冲后沿到达后， 计数器输出为 1

7、111。而第十六个计数脉冲到来，由于各触发器 J、K 端均为 1，全部翻转为 0，故触发器返回初态 0000。9图 3 4 位同步二进制加法计数器3）同步二进制可逆计数器组件简介 同时兼有加法和减法两种计数功能的计数器称为可逆计数器。中规模集成计数器 74LS193 是同步 4 位二进制可逆计数器， 它同时具有预置数码、 加减可逆计数的同步计数功能以及异步清除功能。 图 4 所示是它的外形及外引线排列图，功能图 4 74LS193 外形及外引线排列图表见表 2。当清除端（ CR）为高电平时，不管计数脉冲（ CPD、CPU）状态如何，所有计数输出10QAQD）均为低电平。当置入控制（ LD）为低

8、电平时， QAQD 将随数据输入（ D0D3）一起变化，而与 CPD 和 CPU 无关，即它的预置功能也是异步的。该器件的计数是同步的。 当一个计数时钟保持高电平时， 另一个计数时钟的上升沿能使 QAQD 同时变化。其中， CPU 为加计数时钟输入端， CPD 为减计数时钟输入端。当计数上溢（为 9），并且 CPD 为低电平时，加计数进位输出（ CO）产生一个低电平脉冲；当计数下溢（为0），并且 CPU 为低电平时，减计数借位输出（ BO）产生一个低电平脉冲。表 274LS193 功能表输入输出CRLDCPUCPDQAQBABCDQCQD1000000d01dd 0d 1d 2d 3d2d30

9、11加计数11011减计数2、十进制计数器十进制计数器也称为二 -十进制计数器，它是用 4 位二进制数来表示十进制数的每一位数。如前所述，一个 4 位二进制数共有十六种状态，若用来表示十进制的 10 个状态，需去掉 6 种状态，其方案很多，这个问题就是二 -十进制编码，简称 BCD 码。最常用的 8421 码十进制计数器，它是取 4 位二进制数前面的 00001001来表示十进制的 09 这 10 个数码，而去掉后面的10101111 6个数。图 5 所示为由 4 个 JK 触发器组成 1 位异步十进制加法计数器逻辑图， 计数脉冲从最低位触发器的时钟端加入， 4 个触发器的置 0 端并联连接。

10、12图 58421BCD 码异步十进制加法计数器工作原理：图中3 个触发器 F0F2 的各 J、端在触发器 F3 翻转（即 Q3=1，Q3 =0）之前均为 1，处于计数工作状态，因此在第 17 个计数脉冲作用期间，触发器的翻转情况与上述图 1 所示的异步二进制加法计数器相同， 第 7 个计数脉冲作用后， F3F0 的状态为 0111。第 8 个计数脉冲输入后， F0、F1、F2 相继由 1 态变为 0 态，由于 Q0 同时加到了 F3 的时钟端，而触发前 F3 的两个 J 端均为 1，使 F3由 0 态变为 1 态，即 4 个觖发器的状态变为 1000，此时， Q3=1，Q3 =0，因Q3与

11、J1 端相连，阻止下一个由 F0 来的负脉冲触发 F1 使其翻转。第 9 个计数脉冲作用后， F0 翻转，Q0=1，计数状态为 1001。当第 10 个计数脉冲到来后， F0 翻转， Q0 又由 1 变为 0，但 Q0 这个负跳变不能使 F1 翻转，却能直接去触发 F3，由于13此时 F3 的两个 J 端均为 0，而 K=1，使 Q3 由 1变 0，于是使 4 个触发器跳过 10101111 6 个状态而复原到初始状态 0000，向高位触发器送出十进制进位信号，从而完成 8421BCD 编码十进制计数过程。十进制加法计数器的波形如图 6 所示。图 6异步十进制加法计数器时序图二、计数器应用实例

12、用异步计数器74LS290 实现二 -五-十分频用计数器组成分频器是计数器的基本应用之一。74LS290 是一种比较常用的 TTL 电路异步计数器，图 7 所示为其简化原理图。 其外形及外引线排列见图 8 所示。74LS290 含有两个独立的14下降沿触发计数器，清除端和置9 端两触发器共用。若以 CPA 为计数输入， QA 为输出，即得到模二计数器（二分频器）；若以图 7 74LS290 简化原理图CPB 为计数输入， QD 为输出，即得到模五计数器（五分频器）；模五计数器的输出端由高位到低位依次为 QD、QC 和 QA。74LS290 也可以接成模十计数器（十分频器），其接法有两种：一种是

13、将 QA 与 CPB 连接， CPA 为计数输入，输出端顺序为 QDQCQBQA 时，执行 8421BCD 编码；另一种是 QD 和 CPA 连接， CPB 为计数输入，输出高低位顺序为 QAQDQCQB 时，执15图 8 74LS290 外形及外引线排列图行 5421BCD 编码，5421BCD 编码参见表 3 两种常用 BCD 码中 5421BCD 码。74LS290 当 S9 1 S9（ ）2） =1 时，则输出为 1001，完成置 9 功能；当R0（1）R0（ 2） =1 时，输出为 0000，完成置 0 功能；当 S9（1）S9（2）=0，且 R0（1）R0（2）=0 时，执行计数操作。表4 所示为 74LS290 的功能表。表 3 两种常用 BCD 码码型8421 码5421 码十进制数00000000010001000120010001030011001140100010050101100016601101001701111010810001011910011100权84215421表 4 74LS290 功能表CPR0（1）R0（2）S9（1）S9（2）功 能110置 0110置 011置 900计数00计数00计数00计数图 9 所示为用一片中规模集成异步计数器 74LS290 通过不同的电路连线， 可组成对输入脉冲进行二分