6.2.1 同步计数器的分类
Section titled “6.2.1 同步计数器的分类”同步计数器种类较多,每种计数器的功能各不相同,它们的多功能特性主要表现在以下几个方面。
1. 计数方式
Section titled “1. 计数方式”通过选择不同时钟输入端或在控制加减的输入端加不同的信号,实现加计数方式或减计数方式。这样的计数器称为可逆计数器。也可称为加/减计数器。
实现可逆计数的方法有两种:加减控制输入方式和双时钟输入方式。加减控制输入方式需要一个控制信号来控制计数方式。控制信号端是 U/overlineD ,当 U/overlineD=1 时进行加计数方式,当 U/overlineD=0 时进行减计数。
另一种实现可逆计数的方式是双时钟输入方式。这样的计数器有两个外部时钟输入端:CLKUP(或 CLK_(+) )和CLKDW(或 CLK_(-) ),当外部时钟从CLKUP端输入时,作加法计数;当外部时钟从CLKDW输入时,作减法计数。没有接外部时钟的时钟端,应该根据器件的要求接0或者接1,使得这个输入端不起作用。
2. 预置功能
Section titled “2. 预置功能”许多计数器都具有预置功能。计数器有一个预制控制端,一般多用 overlineLOAD (或LD)表示,低电平有效。当 overlineLOAD=0 时,计数器将预置信号送到每个触发器的输出。预置方式有同步预置和异步预置两种。
异步预置: 异步预置类似于触发器的异步复位/置位,只要预置控制信号有效,就立即实现预置,与时钟无关。这时每个触发器的输出等于它的预置值。
同步预置: 同步预置要求预置控制信号必须有效,但是预置信号有效后,并不立即实现预置,而是要到下一次有效时钟边沿到来时,才实现预置功能。即: 所谓的同步预置,就是预置要和时钟同步。
3. 复位功能
Section titled “3. 复位功能”复位也称为“清零”或“置零”,就是将计数器的状态复位到全0状态。复位是由复位控制端来控制。同样,复位也分异步复位和同步复位,异步复位与时钟无关,只要复位信号到达就立即复位。而同步复位除需要复位信号有效外,还必须在时钟的有效边沿到来才能实现复位。
4. 进位、借位功能
Section titled “4. 进位、借位功能”同步计数器还可以有进位(借位)信号输出功能。当加法计数器进入最大状态(例如输出全1),会产生一个进位输出信号;或者当减法计数进入最小状态(输出全0),会产生一个借位输出信号。进位/借位输出一般都是宽度等于一个周期的脉冲,但是,脉冲的极性(正脉冲或负脉冲)则要取决于具体的芯片,可从手册中的描述或功能表中获得。
5. 计数控制(使能控制)
Section titled “5. 计数控制(使能控制)”中规模同步计数器一般都有两个计数控制输入: ENP 和 ENT(或 overlineENP 、 overlineENT ), 可以通过这两个输入来控制计数是否进行。另外,ENT 或 overlineENT 还可以控制是否产生进位,只有当其有效时,计数器才能在一定状态下产生进位信号。
6.2.2 同步集成计数器简介
Section titled “6.2.2 同步集成计数器简介”下面通过几个芯片说明同步计数器的功能。
1. 同步 4 位二进制(十六进制)计数器 74161
Section titled “1. 同步 4 位二进制(十六进制)计数器 74161”图 6.2.1 为中规模集成的同步 4 位二进制计数器 74161 的逻辑图和符号。74161 除了具有二进制加法计数外,还具有预置数、保持和异步复位等功能。图中 overlineLOAD 为预置数控制端;A~D 为数据输入端,RCO 为进位输出端, overlineCLR 为异步复位(清零)端,ENP 和 ENT 为计数控制端。
(a)



(c)
图 6.2.1 同步 4 位二进制计数器 74161 的逻辑图及符号
表 6.2.1 是 74161 的功能表,图 6.2.2 给出的是 74161 的时序图。
表 6.2.1 74161 的功能表
| CLK | overlineCLR | overlineLOAD | ENP | ENT | 工作状态 |
| × | 0 | × | × | × | 复位 |
| ↑ | 1 | 0 | × | × | 预置数 |
| × | 1 | 1 | 0 | 1 | 保持 |
| × | 1 | 1 | × | 0 | 保持(但RCO=0) |
| ↑ | 1 | 1 | 1 | 1 | 十六进制计数 |

由表 6.2.1 和图 6.2.2 可见,当 overlineCLR=0 时所有内部触发器将同时被复位,Q_(D)Q_(C)Q_(B)Q_(A)=0000,而且复位操作不受其他输入端状态的影响,与时钟的边沿有否无关,计数器为异步复位,且优先级最高。
当 overlineCLR = 1 而 overlineLOAD = 0 时,电路工作在预置状态,并在下一个上升沿出现时实现数据预置,由于 DCBA = 1100 ,所以 Q_(D)Q_(C)Q_(B)Q_(A) = 1100 ,显然该计数器实现的是同步预置。
当 overlineCLR=overlineLOAD=1 ,且ENP=ENT=1时,电路工作在计数状态,当电路出现1111状态时RCO=1,电路从1111状态返回0000状态,RCO端从高电平跳变至低电平。可以利用RCO端输出的高电平、上升沿或下降沿等作为进位输出信号。
当 overlineCLR = overlineLOAD = 1 ,而 ENP = 0, ENT = 1 时,无论有无时钟,它们保持原来的状态不变,同时RCO的状态也得到保持。如果 ENT = 0 ,则ENP不论为何状态,计数器的状态也将保持不变,但这时进位无论在什么输出状态下,RCO都等于0。
与 74LS161 相似的器件有 74LS160, 它是十进制计数器,在内部电路结构形式上与 74161 有些区别,但引脚排列和各控制端功能均相同。
2. 74LS192 可预置十进制可逆计数器
Section titled “2. 74LS192 可预置十进制可逆计数器”74LS192 是十进制计数器,计数的编码采用 8421 码,计数循环是 0000 ~ 1001。74LS192 是采用双时钟方式的可逆计数器,时钟输入端为 CLKUP 和 CLKDW。当外部时钟接到 CLKUP 时进行加计数,接到 CLKDW 时进行减计数。
图 6.2.3() 是 74LS192 的逻辑符号,图 6.2.3() 是 74LS192 的逻辑符号,图 6.2.3(b) 是其简化的逻辑符号。


表 6.2.2 给出了 74LS192 的逻辑功能。通过功能表可以看出 74LS192 具有预置功能,当预置控制输入 LOAD 有效时,将预置的数据输入 A、B、C、D 置位到 4 个触发器。74LS192 的预置控制属于异步预置,低电平有效。
表 6.2.2 74LS192 的逻辑功能
| CLKUP | CLKDW | overlineLOAD | CLR | D | C | B | A | Q_D | Q_C | Q_B | Q_A |
| × | × | × | 1 | × | × | × | × | 0 | 0 | 0 | 0 |
| × | × | 0 | 0 | d | c | b | a | d | c | b | a |
| ↑ | 1 | 1 | 0 | × | × | × | × | 十进制加计数 | |||
| 1 | ↑ | 1 | 0 | × | × | × | × | 十进制减计数 | |||
| 1 | 1 | 1 | 0 | × | × | × | × | 保持原状态 | |||
74LS192 复位输入是 CLR, 为异步控制,高电平产生复位,优先级最高; 预置为异步预置。
74LS192 的进位/借位输出是分开的,进位输出是 overlineCO,加法计数进入状态 1001 时产生一个周期宽度的负脉冲输出。借位输出是 overlineBO,减法计数进入状态 0000 时产生一个周期宽度的负脉冲输出。
74LS192 没有计数控制输入,即: 没有 ENP 和 ENT(或 overlineENP 、 overlineENT ) 控制输入端。
表 6.2.2 比较简洁地给出了 74LS192 的大多数功能,但是进位、借位的特性还是不能通过功能表来表示,因此许多手册中还需要对这部分功能进行文字性的描述。
3. 74LS169 可预置 4 位二进制可逆计数器
Section titled “3. 74LS169 可预置 4 位二进制可逆计数器”74LS169 是 4 位二进制计数器,计数循环从 0000 到 1111,共 16 个状态。74LS169 采用加/减控制方式实现可逆计数,当控制端 U / overlineD = 1 时为加计数, U / overlineD = 0 时为减计数。图 6.2.4) 为 74LS169 的逻辑符号,图 6.2.4) 为其简化的逻辑符号。表 6.2.3 是 74LS169 的功能表,图 6.2.5 是 74LS169 的时序图。a) 为 74LS169 的逻辑符号,图 6.2.4(b) 为其简化的逻辑符号。表 6.2.3 是 74LS169 的功能表,图 6.2.5 是 74LS169 的时序图。


(b)
图6.2.4 74LS169的逻辑符号和简化符号
从时序图和功能表可以看出,预置功能是由 overlineLOAD 端控制,低电平有效,是同步预置,必须在 overlineLOAD 有效后的下一个时钟有效边沿到来时,才能实现预置。
表 6.2.3 74LS169 的功能表
| overlineENT+overlineENP | U/ overlineD | overlineLOAD | CLK | Q_D | Q_C | Q_B | Q_A |
| 1 | × | 1 | × | 保持原状态 | |||
| 0 | × | 0 | ↑ | 预置 | |||
| 0 | 1 | 1 | ↑ | 加计数 | |||
| 0 | 0 | 1 | ↑ | 减计数 | |||

74LS169 的进位和借位输出使用同一个输出端,为 overlineRCO 。当加计数状态为 1111 时,或减计数达到 0000 状态, overlineRCO 端输出宽度为一个时钟周期的负脉冲。
74LS169 没有复位输入,只能通过预置的方式使得计数器回到计数的初始状态 0000 或者 1111。
74LS169有两个计数控制输入: overlineENP 和 overlineENT 。这两个输入都是低电平时,计数器才可以进行正常计数。 overlineENT 还会影响进位的保持,当计数器在1111状态时 overlineENT = 1 ,计数器的输出状态得到保持,但进位脉冲输出不被保持。这一点与74161类似。