数字电路实验3 计数器.doc

实验八 计数器
一、实验目的
1． 熟悉由集成触发器构成的计数器电路及其工作原理。
2． 熟悉掌握常用中规模集成电路计数器及其应用方法。
二、实验原理和电路
所谓计数，就是统计脉冲的个数，计数器就是实现“计数”操作的时序逻辑电路。计数器的应用十分广泛，不仅用来计数，也可用作分频、定时等。
计数器种类繁多。根据计数体制的不同，计数器可分成二进制（即2”进制）计数器和非二进制计数器两大类。在非二进制计数器中，最常用的是十进制计数器，其它的一般称为任意进制计数器。根据计数器的增减趋势不同，计数器可分为加法计数器—随着计数脉冲的输入而递增计数的；减法计数器—随着计数脉冲的输入而递减的；可逆计数器—既可递增，也可递减的。根据计数脉冲引入方式不同，计数器又可分为同步计数器—计数脉冲直接加到所有触发器的时钟脉冲（CP）输入端；异步计数器—计数脉冲不是直接加到所有触发器的时钟脉冲（CP）输入端。
1.异步二进制加法计数器
异步二进制加法计数器是比较简单的。图1.8.1(a)是由4个JK（选用双JK74LS112）触发器构成的4位二进制（十六进制）异步加法计数器，图1.8.1(b)和（c）分别为其状态图和波形图。
对于所得状态图和波形图可以这样理解：触发器FFO（最低位）在每个计数沿（CP）的下降沿（1 → 0）翻转，触发器FF1的CP端接FF0的Q0端，因而当FFO（QO）由1→ 0时，FF1翻转。类似地，当FF1（Q1）由1→0时，FF2翻转，FF2（Q2）由1→0时，FF3翻转。

4位二进制异步加法计数器从起始态0000到1111共十六个状态，因此，它是十六进制加法计数器，也称模16加法计数器（模M=16）。
从波形图可看到，Q0 的周期是CP周期的二倍；Q1 是Q0的二倍，CP的四倍；Q2是Q1 的二倍，Q0的四倍，CP的八倍；Q3是Q2的二倍，Q1的四倍，Q0的八倍，CP的十六倍。所以Q0 、Q1、Q2、Q3分别实现了二、四、八、十六分频，这就是计数器的分频作用。
2.异步二进制减法计数器
异步二进制减法计数器原理同加法计数器，只要在图1.8.1（a）所示加法计数器逻辑电路中将低位触发器Q端接高位触发器CP端换成低位触发器Q端接高位触发器CP端即可。
图1.8.2为异步二进制减法计数器。
如果有D触发器，则可把D触发器光转换成T’触发器，然后根据74LS74 D触发器是上升沿触发，画出逻辑电路图。用74LS74构成的4位二进制计数器逻辑电路如图1.8.3所示，
3.其它进制计数器
在很多实际应用中，往往需要不同的计数进制满足各种不同的要求。如电子钟里需要六十进制、二十四进制，日常生活中的十进制，等等。

在图1.8.3中虚线所示，我们只要把Q3和Q1通过与非门接到FF0、FF1、FF2、FF3四个触发器的清零端 ，即可实现从十六进制转换为十进制计数器。如要实现十四进制计数器，可以把Q3、 Q2 、Q1 相“与非”后，接触发器FF3~FF0的清零端 。同理可实现其它进制的异步计数器。
“8421码”十进制计数器是常用的，图1.8.4为下降沿触发的JK触发器构成的异步十进制计数器（8421码）。
要组成100进制（8421码）计数器可以把两个8421计数器级联起来即可实现。
4.集成计数器
在实际工程应用中，我们一般很少使用小规模的触发器去拼接而成各种计数器，而是直接选用集成计数器产品。例如74LS161是具有异步清零功能的可预置数4位二进制同步计数器。74LS193是具有带清除双时钟功能的可预置数4位二进制同步可逆计数器。图1.8.5为74LS161惯用逻辑符号和外引脚排列图。表1.8.1为74LS161的功能表。
由表1.8.1可知，74LS161具有下列功能：
① =0，不管其它输入端为何状态，输出均为0。
② =1，=0，在CP上升沿时，将d0~d3置入Q0~Q3中。
③ = =1，若CTT=CTP=1，对CP脉冲实现同步计数。
④ = =1，若CTP. =0,计数器保持。
进位CO在平时状态为0，仅当CTT=1且Q0~Q3全为1时，才输出1（CO= CTT.Q3. Q2. Q1 .Q0）。
体现74LS193功能的波形图如图1.8.6所示，其主要功能如下：
① CR=1为清零，不管其它输入如何，输出均为0。
② CR=0, =0,置数，将D、C、B、A置入QD、QC、QB、QA中。
③ CR=0，=1，在CPD=1，CPU有上升沿脉冲输入时,实现同步二进制加法计数。在CPU=1，CPD 有上升沿脉冲输入时，实现同步二进制减法计数。
④ 在计数状态下（CR=0，=1时，CPD=1时）CPU输入脉冲，进行加法计数，仅当计数到QD~QA全1时，且CPU为低电平时，进位输出为低电平；减法计数时（CPU=1，CPD为脉冲输入，CR=0，=1），仅当QD~QA全0时，且CPD为低电平时，借位 输出为低电平。
三、实验内容及步骤
1． 异步二进制加法计数器
a. 在实验箱中选四个JK触发器，（也可自行插入二片74LS112双JK触发器）按图
1.8.1(a)接线。74LS112管脚排列如实验七图1.7.14所示。
b. 其中CP接单次脉冲（或连续脉冲），R端接实验箱上的复位开关K5。
c. 接通实验系统（箱）电源，先按复位开关K5（复位开关平时处于1，LED灯亮，按下为0，LED灯灭，再松开开关，恢复至原位处于1，LED灯亮），计数器清零。
d. 按动单次脉冲（即输入CP脉冲），计数器按二进制工作方式工作。这时 Q3、Q2、Q1、Q0的状态应和图1.8.1（b）一致。如不一致，则说明电路有问题或接线有误，需重新排除错误后，再进行实验论证。
2． 异步二进制减法计数器
a. 按图1.8.2（a）接线。实际上，只要把异步二进制加法计数器的输出脉冲引线由Q端换成 端，即为异步二进制减法计数器。
b. 输入单次脉冲CP，观察输出Q3、 Q2、 Q1、 Q0的状态是否和图（b）一致。
c. 将CP脉冲连线接至接续脉冲输出（注意，必须先断开与单次脉冲连线，再接到连续脉冲输出上），调节连续脉冲旋钮，观察计数器的输出。
3． 用D触发器构成计数器
a． 按图1.8.3接线，即为4位二进制（十六进制）异步加法计数器，验证方法同上，从本实验不难发现，用D触发器构成的二进制计数器与JK触发器构成的二进制计数器的接线（即电路连接）不一样，原因是74LS74双D触发器为上升沿触发，而74LS112双JK触发器为下降沿触发。
b． 构成十进制异步计数器
在图1.8.3中，将Q3和Q1两输出端，接至与非门的输入端，输出端接计数器的四个清零端 。图中虚线所示（原来接复位按钮K5的异线应断开）。按动单次脉冲输入，就开发现其逻辑功能为十进制（8421码）计数器。
若要构成十二进制或十四进制计数器，则只需将Q3、Q2、Q1进行不同组合即可。如图1.1.8所示分别为十进制、十二进制、十四进制计数器反馈接线图。
4． 集成计数器74LS161的功能验证和应用
a． 将74LS161芯片插入实验箱IC空插座中，按图1.8.9接线。16脚接电源+5V，8脚接地，D0、D1、D2、D3接四位数据开关，Q0、Q1、Q2、Q3、CO接五只LED发光二极管，置数控制端，清零端，分别接逻辑开关K1、K2，CTP、CTT分别接另二只逻辑开关K3、K4，CP接单次脉冲。
接线完毕，接通电源，进行74LS161功能验证。
①清零：拨动逻辑开关Ｋ２＝Ｏ（＝０），则输出Ｑ０～Ｑ３全为０，即LED全灭。
②置数：设数据开关D3 D2 D1D0＝1010，再拨动逻辑开关Ｋ１＝０，
Ｋ２＝１（即＝０，＝１），按动单次脉冲（应在上升沿时），输出Q3 Q2 Q1Q0＝1010，即D3～D0数据并行置入计数中，若数据正确，再设置D3～D0为0111，输入单次脉冲，观察输出正确否（Q3～Q0＝0111）。如不正确，则找出原因。
③保持功能：置K4＝K2＝１（＝＝１），K3或K4＝0（即CTP＝０或CTP＝０），则计数器保持，此时若按动单次脉冲输入CP，计数器输出Ｑ３～Ｑ０不变（即ＬＥＤ状态不变）。
④计数：置K1＝K2＝１（＝＝１），K3＝K4＝１（CTP＝CTT=1），则74LS16处于加法计数器状态。这时，可按动单次脉冲输入CP，LED显示十六进制计数状态，即从000→0001→…111进行顺序计数，当计到计数器全为1111时，进位输出LED发光二极管亮（即CO＝１，CO＝G .Q3.Q2 .Q1.Q0）。
将ＣＰ接到单次脉冲的导线切断，连至连续脉冲输出端，这时可看到二进制计数器连续翻转的情况．
b． 十进制计数也可用74LS161方便地实现．将Q3和Q4通过与非门反馈后接到端，见图1.8.10（a）所示．利用此法，74LS16可以构成小于模16的任意进制计数器．
此外，还可利用另一控制端把74LS16设计成十进制计数器，如图1.8.10（b）所示。 同步置数法，就是利用这一端给一个零信号，使＝D3 D2 D1D0＂0110＂6这个数并行置入计数器中，然后以６为基值向上计数直至15（共十个状态），即0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111。所以利用15=＂1111＂状态CO为１的特点，反相后接到，而完成十进制计数器这一功能．同样道理，也可以从0、1、2等数值开始，再取中间十个状态为计数状态，取最终状态的“1”信号相与非后，作为的控制信号，就可完成十进制计数器。例如若D3D2D1D0=“0000”=0则计到9；D3D2D1D0=“0001”=1则计到10，等等。
c． 用两片或三片74LS161完成更多位数的计数器，实验电路见图1.8.11和图1.8.12。其中图1.8.11为两片74LS161构成174进制计数器的两种接法。图1.8.12为三片构成4096进制计数器的两种接法。按图1.8.11和图1.8.12分别进行实验论证。
5． 集成计数器74LS193的功能验证
74LS193计数器的使用方法和74LS161很相似。图1.8.13为其实验接线图。按图1.8.13接线，进行74LS193的功能验证。a．清零:74LS193的CR端与74LS161不同,它是“1”信号起作用,即CR=1时,74LS193清零.实验时,将CR置1,观察输出QD、Qc、QB、QA的状态，并和逻辑功能；图1、8、6、比较。
b． 计算；74LS193可以加、减计数，在计数状态时，即CR=0，
＝１，CPD＝１时，CPU输入脉冲，为加法计数器；CPU＝１，CPD输入脉冲，计数器为减法计数器。
c． 置数：CR＝０，置数据并关为任一二进数（如0111），拨动逻辑开关Ｋ１＝Ｏ（＝Ｏ）则数据Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ已送入ＱＤ～ＱＡ中。
d． 用74LS193也可实现任意进制计数器，这里不一一实验了。读者可以试做一下其它几个任意进制的计数器。
四、实验器材
1． THDM-1系列数字电子技术实验系统　　　　　　 1台　
2． 直流稳压电源　SG1731　　　　　　　　　　　　 2台
3． 集成电路：74LS74，74LS112，74LS193　　 各2片 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　74LS161　　　　　　　　　　　 3片　
74LS04，74LS08，74LS20 各1片
五、预习要求
1． 复习计数器电路的工作原理和电路组成结构。
2． 熟悉中规模集成计数器电路74LS161，74LS193的逻辑功能、外引脚排列和使用方法。
六、实验报告要求
1． 整理实验电路，画出时序状态图和波形图。
2． 若用74LS193构成60进制计数器，电路如何？
3． 总结74LS161二进制计算器的功能的特点。