同步计数器的实现方法优化

一、同步二进制计数器

前面讨论的异步计数器的状态转换是逐级推动的，因此计数速度低。为了提高计数速度，将输入时钟脉冲CP同时去触发计数器中所有的触发器，使各触发器状态的更新均与CP同步，这类计数器称为同步计数器。

1.同步二进制加法计数器

用JK触发器构成同步二进制计数器比较方便。对于JK触发器而言，当J＝K＝0时，输出状态保持不变；当J＝K＝1时，每输入一个脉冲CP，输出状态翻转一次。由于同步计数器中所有的触发器同时接到时钟脉冲输入端，因此只要控制各触发器的J、K端，使它们按计数顺序翻转即可。

一个4位二进制加法计数器的工作波形（以CP下降沿触发有效为例）如图5.5.10所示。

图5.5.10　4位二进制加法计数器的工作波形

从波形图可以分析出各触发器的翻转条件，从而求出相应J、K端的控制表达式（即驱动方程），分析结果如表5.5.8所示。

表5.5.8　同步二进制加法计数器的翻转条件和驱动方程

根据表5.5.8可归纳出由JK触发器组成的同步二进制加法计数器的电路构成规律：

只有当所有低位触发器的Qn均为1时，即，高位Qn才因进位产生翻转，故各触发器的驱动方程为：

电路图如图5.5.11所示，其工作原理请读者自行分析。

5.5.11　同步二进制加法计数器的电路图

2.同步二进制减法计数器

根据同步二进制加法计数器的电路构成规律可推出由JK触发器组成的同步二进制减法计数器的电路构成规律：

只有当所有低位触发器的Qn均为0时，即，高位Qn才因借位产生翻转，故各触发器的驱动方程为：

逻辑图如图5.5.12（a）所示，其工作波形如图5.5.12（b）所示。

图5.5.12　同步二进制减法计数器的逻辑图及工作波形

（a）逻辑图；（b）工作波形

3.同步二进制加/减计数器

由前面的讨论可知，无论同步二进制加法计数器还是同步二进制减法计数器，每个触发器的J、K端都并联成T触发器的形式。因此，我们可以将二者组合起来，从而在一个电路中，通过控制电路实现加法计数和减法计数两种功能。

图5.5.13所示为4位同步二进制加/减可逆计数器的逻辑电路图，图中U/D为加/减计数控制端（UP/DOWN的缩写），当时电路做减法计数，当时电路做加法计数。由图可得驱动方程如下：

图5.5.13　4位同步二进制加/减可逆计数器的逻辑电路图

4.同步二进制计数器的集成电路

（1）集成4位同步二进制加法计数器CT74LS161和CT74LS163。

图5.5.14所示为集成4位同步二进制加法计数器CT74LS161的逻辑功能示意图和引脚排列图。图中CP为计数脉冲输入端，为同步置数控制端，为异步清0控制端，CTT、CTP为计数控制端，D0～D3为并行数据输入端，Q0～Q3为计数状态输出端，CO为进位信号输出端。

图5.5.14　CT74LS161/CT74LS163的逻辑功能示意图和引脚排列图

（a）功能示意图；（b）引脚排列图

表5.5.9为CT74LS161的功能表。从表中可以看出CT74LS161具有以下逻辑功能：

表5.5.9　CT74LS161的功能表

表5.5.10　CT74LS163的功能表

图5.5.15　CT74LS191的逻辑功能示意图和引脚排列图

（a）功能示意图；（b）引脚排列图

CT74LS191的功能表如表5.5.11所示，从表中可以看出它具有以下逻辑功能：

表5.5.11　CT74LS191的功能表(www.xing528.com)

二、同步十进制计数器

1.同步十进制加法计数器

同步十进制计数器按计数时数值的增减变化可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器三类。图5.5.16所示为JK触发器组成的8421BCD码同步十进制加法计数器的逻辑电路图，下降沿触发有效。

图5.5.16　8421BCD码同步十进制加法计数器

根据电路图可分析其工作原理如下。

写出驱动方程和输出方程：

将上述驱动方程代入JK触发器的特性方程，得到电路的状态方程：

根据状态方程列出综合状态卡诺图，如图5.5.17所示。

图5.5.17　同步十进制加法计数器的综合状态卡诺图

将综合状态卡诺图转换成状态图，如图5.5.18所示。

图5.5.18　同步十进制加法计数器的状态图

从图中可以看出，该电路是一个按8421BCD码规律计数的同步十进制加法计数器，且可以自启动。

2.同步十进制减法计数器

图5.5.19所示为JK触发器组成的8421BCD码同步十进制减法计数器的逻辑电路图，分析方法同上，请读者自行分析。

图5.5.19　8421BCD码同步十进制减法计数器

3.同步十进制计数器的集成电路

集成同步十进制计数器的种类较多，常用的TTL集成同步十进制加法计数器的型号有 CT74LS160、CT74LS162等，同步十进制可逆计数器的型号有CT74LS190、CT74LS168等。常用的CMOS集成同步十进制加法计数器的型号有CC40160、CC40162等，同步十进制可逆计数器的型号有CC4510、CC40192等。

（1）集成同步十进制加法计数器CT74LS160和CT74LS162。

CT74LS160和CT74LS162的逻辑功能示意图如图5.5.20所示，其引脚排列和使用方法均与CT74LS161和CT74LS163相同，只是其计数长度不同而已，CT74LS160和CT74LS162是十进制计数器，而CT74LS161和CT74LS163是二进制计数器。CT74LS160和 CT74LS161采用异步清 0、同步置数方式；而CT74LS162和CT74LS163采用同步清0、同步置数方式。

图5.5.20　CT74LS160和CT74LS162的逻辑功能示意图

表5.5.12为CT74LS160的功能表。从表中可以看出CT74LS160具有以下逻辑功能：

表5.5.12　CT74LS160的功能表

表5.5.13所示为集成同步十进制加法计数器CT74LS162的功能表。由表可以看出：CT74LS162与CT74LS160相比，主要区别是清0方式不同，其他功能完全相同。CT74LS160采用的是异步清0方式，而CT74LS162采用的是同步清0方式。

表5.5.13　CT74LS162的功能表

续表

（2）集成同步十进制加/减计数器CT74LS190。

图5.5.21所示为集成同步十进制加/减计数器CT74LS190的逻辑功能示意图，其引脚排列和使用方法均与CT74LS191相同。CO/BO为进/借位信号输出端，为波纹脉冲输出端，进位/借位时输出负脉冲，利用它可实现多位集成芯片的级联。

图5.5.21　CT74LS190的逻辑功能示意图

CT74LS190的功能表如表5.5.14所示，从表中可以看出它具有以下逻辑功能：

表5.5.14　CT74LS190的功能表

图5.5.22　CT74LS168的逻辑功能示意图及引脚排列图

（a）功能示意图；（b）引脚排列图

表5.5.15　CT74LS168的功能表