移位寄存器在应用中的作用优化

移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器、顺序脉冲发生器、串行累加器以及数据转换器等。此外，移位寄存器在分频、序列信号发生、数据检测、模数转换等领域中也获得了应用。

1.构成环行计数器

将移位寄存器的串行输出端和串行输入端连接在一起，就构成了环行计数器。图7.26 （a）所示是74LS194构成的具有自启动能力的四位环行计数器，图7.26 （b）是环形计数器相应的时序波形图。

图7.26　74LS194构成的环行计数器逻辑图及波形图

（a）逻辑电路图；（b）时序图

移位寄存器构成环形计数器时，正常工作过程中清零端状态始终要保持高电平 “1”，并且将单向移位寄存器的串行输入端DR和串行输出端QD相连，构成一个闭合的环。实现环形计数器时，必须设置适当的初态，且输出Q3Q2Q1Q0端初始状态不能完全一致 （即不能全为“1”或 “0”），这样电路才能实现计数，环形计数器的进制数N 与移位寄存器内的触发器个数n相等，即N=n。

工作原理分析：根据起始状态设置的不同，在输入计数脉冲CP的作用下，环形计数器的有效状态可以循环移位一个1，也可以循环移位一个0，即当连续输入CP脉冲时，环形计数器中各个触发器的Q端 （或）端，将轮流地出现矩形脉冲。

四位移位寄存器的循环状态一般有16个，但构成环形计数器后只能从这些循环时序中选出一个来工作，这就是环形计数器的工作时序，也称为正常时序或有效时序。其他未被选中的循环时序称为异常时序或无效时序。例如，上述分析的环形计数器只循环一个“1”，因此不用经过译码就可从各位触发器的Q端得到顺序脉冲输出。

当由于某种原因使电路的工作状态进入到12个无效状态中的一个时，74LS194构成的四位环形计数器将实现自启动。实现自启动的方法是利用与非门作为反馈电路。

当输出信号由任何一个Q端取出时，可以实现对时钟信号的四分频。图7.27所示为四位环行计数器的状态转换图。

图7.27　四位环行计数器状态转换图

2.构成扭环形计数器

用移位寄存器构成的扭环形计数器的结构特点是：将输出触发器的反向输出端与数据输入端相连接，如图7.28所示。

图7.28　能自启动的四位环行计数器

图7.29　四位扭环环行计数器状态转换图

当扭环环形计数器的初始状态为0000时，在移位脉冲的作用下，按图7.29形成状态循环，一般称为有效循环；若初始状态为0100时，将形成另一状态循环，称为无效循环。所以，该计数器不能自启动。

图7.30　能自启动的四位扭环形计数器

扭环形计数器解决了环形计数器的计数利用率不高的问题，从图7.28可以看出，四位触发器构成的扭环形计数器的有效循环状态个数是8。每来一个CP脉冲，扭环形计数器中只有一个触发器翻转。并且在CP作用下，这个“1”在扭环形计数器中循环。

本节重要知识点学习检测

1.如何用JK触发器构成一个单向移位寄存器？

2.环形计数器初态的设置可以有哪几种？

3.在相同位数的触发器下，移位寄存器构成的环形计数器和扭环形计数器的有效循环数相同吗？各为多少？

4.数码寄存器和移位寄存器有什么区别？

5.什么是寄存器的并行输入？串行输入？并行输出？串行输出？

本节技能训练

实验八 移位寄存器及其应用

一、实验目的

1.熟悉中规模四位双向移位寄存器的使用方法及功能测试。

2.进一步了解移位寄存器的应用。

二、实验主要仪器设备

1.+5V直流电源。(www.xing528.com)

2.单次时钟脉冲源和连续时钟脉冲源。

3.逻辑电平开关和逻辑电平显示器。

4.74LS194 （或CC40194）芯片2只，74LS30 （或CC4068）芯片1只，74LS00 （或CC4011）集成芯片1只。

5.相关实验设备及连接导线若干。

三、实验原理及相关知识要点

1.移位寄存器的移位功能是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左、右移位的控制信号便可实现双向移位要求。根据存取信息的方式不同，移位寄存器可分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。

2.实验选用CC40194或74LS1944位双向通用移位寄存器 （两者功能相同，可互换使用），其逻辑符号及管脚排列如图7.31所示。

图7.31　由CC40194位双向通用移位寄存器的逻辑符号及管脚排列图

脚1为直接无条件清零端；脚2为右移串行输入端SR；脚6、脚5、脚4、脚3分别为并行输入端D3、D2、D1、D0；脚7为左移串行输入端SL；脚8 “负电源端”或“地”端；脚9和脚10为操作模式控制端S0和S1；脚11为时钟脉冲控制端CP，脚12～脚15为并行输出端Q3、Q2、Q1、Q0；脚16为正电源端，接+5V直流电压。

3.CC40194有5种不同操作模式，即并行送数寄存、右移 （方向由Q0→Q3）、左移（方向由Q3→Q0）、保持及清零。

4.CC40194中的S1、S0和端的控制作用见表7.10。

表7.10　CC40194中S1、S0和端的控制作用

图7.32　环形计数器

5.移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器、顺序脉冲发生器、串行累加器等，也可用作数据转换，即把串行数据转换为并行数据，或把并行数据转换为串行数据等。本实验研究移位寄存器用作环形计数器和数据的串、并行转换。

（1）环形计数器。把移位寄存器的输出反馈到它的串行输入端，就可以进行循环移位，如图7.32所示。把输出端Q3和右移串行输入端SR相连接，设初始状态Q0Q1Q2Q3=1000，则在时钟脉冲作用下，Q0Q1Q2Q3将依次变为0100→0010→0001→1000→…，见表7.11。

表7.11　环形计数器的输出

可见这是一个具有4个有效状态的计数器，这种类型的计数器通常称为环形计数器。图7.30所示环形计数器可以作为输出在时间上有先后顺序的脉冲，也可作为顺序脉冲发生器。

如果将输出Q0与左移串行输入端SL相连接，即可达左移循环移位。

（2）实现数据串、并行转换。

1）串行/并行转换器。串行/并行转换是指串行输入的数码经转换电路之后，变换成并行输出。图7.33所示是用两片CC40194 （74LS194）四位双向移位寄存器组成的七位串行/并行数据转换电路。

图7.33　七位串行/并行数据转换电路

电路中S0端接高电平1，S1受Q7控制，两片寄存器连接成串行输入右移工作模式。Q7是转换结束标志。当Q7=1时，S1为0，使之成为S1S0=01的串入右移工作方式；当Q7=0时，S1=1，有S1S0=10，则串行送数结束，标志着串行输入的数据已转换成并行输出了。

串行/并行转换的具体过程如为：转换前，端加低电平，使1、2两片寄存器的内容清0，此时S1S0=11，寄存器执行并行输入工作方式；当第一个CP脉冲到来后，寄存器的输出状态Q0～Q7为01111111，与此同时S1S0变为01，转换电路变为执行串入右移工作方式，串行输入数据由1片的SR端加入；随着CP脉冲的依次加入，输出状态的变化可列成表7.12。

表7.12　串行/并行转换输出状态的变化

由表7.12可见，右移操作7次之后，Q7变为0，S1S0又变为11，说明串行输入结束。这时，串行输入的数码已经转换成了并行输出了。

当再来一个CP脉冲时，电路又重新执行一次并行输入，为第二组串行数码转换作好了准备。

2）并行/串行转换器。图7.34所示是用两片CC40194 （74LS194）组成的七位并行/串行转换电路，其中有两只与非门G1和G2，电路工作方式同样为右移。

图7.34　七位并行/串行转换电路

寄存器清“0”后，加一个转换启动信号 （负脉冲或低电平）。此时，由于方式控制S1S0为11，转换电路执行并行输入操作。当第一个CP脉冲到来后，Q0～Q7的状态为D0～D7，并行输入数码存入寄存器，从而使得G1输出为1，G2输出为0。结果，S1S2变为01，转换电路随着CP脉冲的加入，开始执行右移串行输出，随着CP脉冲的依次加入，输出状态依次右移，待右移操作7次后，Q0～Q6的状态都为高电平1，与非门G1输出为低电平，G2门输出为高电平，S1S2又变为11，表示并行/串行转换结束，且为第二次并行输入创造了条件。转换过程见表7.13。

表7.13　并行/串行转换输出状态的变化

中规模集成移位寄存器，其位数往往以四位居多，当需要的位数多于四位时，可把几片移位寄存器用级连的方法来扩展位数。