《电子线路》异步二进制计数器教案.doc

异步二进制计数器
【教学目标】
教 学 目 的 1、知识目标：
（1）理解异步二进制计数器的功能；
（2）掌握异步二进制计数器的电路结构；
（3）理解异步二进制计数器的工作原理。
2、能力目标：
（1）提高实践动手能力；
（2）提高思考问题、分析问题的能力。
3、情感目标：激发学习兴趣。
【教学重难点】
重点：
（1）异步二进制计数器的功能；
（2）异步二进制计数器的电路结构；
难点：
（1）仪器使用、实践技能；
（2）异步二进制计数器的工作原理。
【授课方式】
理实一体化
【教学过程】
【复习引入】
这节课我们来学习一种常见的时序逻辑电路，叫做计数器。计数器是怎样构成的，它能实现什么功能呢？今天我们通过做一个实验，让大家从实验中来发现和总结计数器的功能和工作原理。
做实验之前，我们首先来复习一下JK边沿触发器及其逻辑功能：

J
K
Qn
功能
0
0
Qn
保持
1
1

翻转
0
1
0
置0
1
0
1
置1
1、观察图中符号，CP脉冲的有效触发边沿是它的什么边沿？
（下降沿）
2、置0端和置1端是什么电平或脉冲有效？
（低电平）
触发器正常工作时，置0端和置1端应给予高电平还是低电平？
（高电平）
3、TTL数字集成电路输入端悬空可视为输入什么？
（高电平）
4、JK触发器的逻辑功能？填入上表。特别注意当JK输入都为1时，触发器实现的是什么功能？

【新课】
一、实践准备：
（一）实验器材：
异步二进制计数器实验电路板一块、EE1640C函数信号发生器/计数器一台、YJ56-1双路稳压电源一台、万用表一架、导线、电烙铁及焊锡。
（二）认识电路板：
1、双JK触发器集成电路74LS112的管脚排列：

2、请同学们对照管脚排列图理解元件接线图：

（1）电源正极和电源负极接线夹脚及分布线；
（2）两个集成块里包含着四个JK边沿触发器：四组JK输入端和直接置1端接高电平；四个直接置0端（直接复位端）相连并与复位开关相连；四个CP脉冲输入的位置；四个Q输出的位置；
（3）四个发光二极管及其限流电阻
3、电路板实物图：

（三）仪器准备：
1、调节电源：
打开双路稳压电源，取其中一路，用万用表调出准确的5V电源电压。
2、调节信号源：采用单脉冲输出
打开信号发生器，输出电缆线接“单脉冲输出”端，波形选择方波，其它所有旋钮和按钮全部置于关闭或不作用的状态。（输出的单脉冲幅度为5V，该波形参数为内部设定，与仪器板面显示参数无关。）
按动信号源上的单脉冲按钮，注意观察单脉冲按钮上方的指示灯，灯亮表示此时输出高电平，灯灭表示此时输出低电平，当灯从灭到亮时出现了一个上升沿，当灯从亮到灭时出现了一个下降沿。

（四）电路板接线：
1、供给电源：
用两根鳄鱼夹导线分别将调好的一路电源的正极接线柱与电路板的正极连接，负极接线柱与电路的负极连接。
2、输入CP：
将信号源输出电缆线的红色鳄鱼夹与电路板的正极连接，黑色鳄鱼夹与电路板的负极连接。

二、单个JK触发器的计数功能：
　（一）实践操作
1、复位按钮的作用：多次重新连接CP脉冲输入，每次都按一下复位按钮，可看到什么现象？可见复位按钮起什么作用？（解释常开开关）
2、手动输入CP脉冲，填写工作状态表：
CP个数
J
K
Q
0
1
1
0
1
1
1
1
2
1
1
0
3
1
1
1
4
1
1
0

观察当电路板的输入CP脉冲出现上升沿时，发光二极管的亮灭情况有没有变化？当输入CP脉冲出现下降沿时呢？这说明了什么？

（二）思考：
1、此时触发器J、K端输入什么电平？触发器实现什么功能？
答：JK端输入高电平；触发器实现翻转功能。
2、观察电路板，完成以下原理图：

3、根据电路原理图，完成工作波形图，观察对比实验记录的工作状态表和工作波形图，两者是否一致？

　（三）小结：
JK触发器通过翻转功能实现对CP脉冲个数的计数，即每来一个脉冲，触发器翻转一次。但单个JK触发器只能实现一位二进制数的记录，即只能记录0到1个CP脉冲输入，可被视为一个最简单的二进制一位计数器。
（四）问题：怎样实现对更多个CP的计数呢？
提示：二进制数逢二进一，进位后需要多1个位数来表示数值，如十进制数（2）10就需要一个二位二进制数来表示成（10）2。

三、用2个JK触发器组成的计数器：
　（一）实践操作：
1、改装电路：用一根短导线将IC1的第5脚和第13脚相连接。
2、复位（清零）。
3、手动输入CP，，填写工作状态表：
CP个数
Q1
Q0
N
0
0
0
0
1
0
1
1
2
1
0
2
3
1
1
3
4
0
0
0
5
0
1
1
6
1
0
2

（二）思考：
　1、观察电路板，两个JK触发器各输入输出端是怎样连接的？完成电路原理图并思考，高位触发器FF1的CP由哪里提供？两个触发器是否受统一的时钟脉冲控制？状态变化都是同时发生的吗？
　答：由低位触发器FF0的输出Q0提供，两个触发器不受统一的时钟脉冲控制，状态变化不是同时发生的。

2、根据电路原理图，完成工作波形图，观察对比实验记录的工作状态表和工作波形图，两者是否一致？Q1是在什么情况下翻转的？
答：Q1是在Q0出现下降沿的时候翻转的。

3、把Q1、 Q0看作一个二位二进制数，在工作状态表中把该二进制数转换成十进制数N，填入最后一列。观察N与CP脉冲个数有什么关系？这说明该电路对CP脉冲个数实现了什么功能？并且其结果是怎样表示的？
答：N与CP脉冲个数一致，这说明电路对CP脉冲个数实现了计数功能，并且其结果是用一个二位二进制数表示的。

　（三）小结：
把2个JK触发器连接起来，使高位触发器FF1的CP1脉冲由低位触发器FF0的输出Q0提供。两个触发器不受同一时钟脉冲控制，触发器的状态不在同一时刻发生，因此这是一个异步的时序逻辑电路。
当第2个脉冲输入后，FF0的输入Q0在由1变0的同时，产生了一个进位信号（即下降沿），给FF1使其翻转，Q1由0变1。计数器的输出显示为（１０）２，即２的二进制数表示方法。
计数器通过进位的方式实现了对1个以上CP个数的记录，记录结果用一个二位二进制数表示，并且数值的变化呈递增顺序。这样的计数器称为一个异步二进制二位加法计数器。

　（四）问题：如果说秒表类似于一个加法计数器，可以实现递增计数，那么假如我们需要一个定时器来实现倒计时的功能，则此时计数器应该实现什么变化顺序的计数？应该怎么设计电路？
提示：递减顺序计数，减法计数器

四、减法计数器的实现：
　（一）思考：
1、如果要构成一个二进制二位减法计数器，也就是说实现二位二进制递减顺序的计数，需要几个触发器？各个触发器的状态应该怎样变化？尝试填写工作状态表：

CP个数
Q1
Q0
N
0
0
0
0
1
1
1
3
2
1
0
2
3
0
1
1
4
0
0
0
5
1
1
3
6
1
0
2

2、根据工作状态表，试着完成工作波形图。仔细观察Ｑ０和Ｑ１的波形：Ｑ０的波形与加法计数器中Ｑ０的波形图有没有不同？Ｑ１波形的变化与加法计数器中Ｑ１波形的变化有什么不同？是在什么情况下翻转的？

答：Ｑ０的波形与加法计数器中Ｑ０的波形没有不同；加法计数器的Ｑ０波形是在Ｑ０波形出现下降沿的时候翻转的；而此时Ｑ１波形是在Ｑ０波形出现上升沿的时候翻转的。
　　如果高位触发器FF1的CP1脉冲由低位触发器FF0的0输出提供，那么电路的工作过程和实现的功能会有什么不同？
　　1、根据以上提示完成电路原理图：

2、根据电路原理图，完成工作波形图，观察对比实验记录的工作状态表和工作波形图，两者是否一致？Q1是在什么情况下翻转的？

　3、根据工作波形图填写状态工作表：

　（二）小结：
将低位触发器FF0的0连接到高位触发器FF1的CP1脉冲，就构成了一个实现递减计数的计数器，称为减法计数器。一个十进制二位减法器能实现从3到0的倒计数。

（三）问题：一个由三个触发器组成的计数器可以记录多少个CP或实现多少个CP的倒计数？四个或者更多个呢？
提示：三个触发器－－三位十进制数――表示0到7
　　　四个触发器－－四位十进制数――表示0到15

五、多位计数器：
　（一）思考：假如用四个JK触发器实现0到15的计数，那么四个触发器的输出应怎样变化？填写工作状态表：
CP个数
Q3
Q2
Q1
Q0
N
1
0
0
0
1
1
2
0
0
1
0
2
3
0
0
1
1
3
4
0
1
0
0
4
5
0
1
0
1
5
6
0
1
1
0
6
7
0
1
1
1
7
8
1
0
0
0
8
9
1
0
0
1
9
10
1
0
1
0
10
11
1
0
1
1
11
12
1
1
0
0
12
13
1
1
0
1
13
14
1
1
1
0
14
15
1
1
1
1
15
16
0
0
0
0
0
17
0
0
0
1
1

　（二）实践操作：
1、调节信号源：采用连续脉冲输出
输出电缆线接“连续脉冲输出”端，波形选择方波，频率调节为1Hz，幅度调节为5V（p-p），衰减选择0dB。其它无关的旋钮和按钮全部置于关闭或不作用的状态。
2、接线：用一根短导线将IC2的第5脚和第13脚相连接，用一根长导线将IC1的第9脚和IC2的第1脚相连。
3、观察实验现象与理论分析是否一致？

【总结】
1、功能特点：
利用触发器的翻转功能，异步二进制计数器可以实现加法或减法计数，记录结果用若干位十进制数表示，N位计数器可实现0到（2N－1）个CP脉冲的计数。
2、结构特点：
高位触发器的时钟脉冲CP由低位触发器的输出Q或提供。
3、工作原理：
异步二进制加法计数器的工作特点是：高位触发器在低一位触发器的输出信号Q出现下降沿的时候翻转；
异步二进制减法计数器的工作特点是：高位触发器在低一位触发器的输出信号出现下降沿的时候翻转。

【作业】
　　1、完成实验报告。
　　2、画出异步二进制四位加法计数器的电路结构原理图。
【板书设计】
一、实践准备：
（一）实验器材：
（二）认识电路板：
（三）仪器准备：
（四）电路板接线：
二、单个JK触发器的计数功能：
　（一）实践操作
（二）思考：
（三）小结：
（四）问题：
三、用2个JK触发器组成的计数器：
　（一）实践操作：
（二）思考：
（三）小结：
（四）问题：
四、减法计数器的实现：
　（一）思考：
（二）小结：
（三）问题：
五、多位计数器：
（一）思考：
（二）实践操作：
六、总结：
1、功能特点：
2、结构特点：
3、工作原理：

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