集成计数器及级联构成方法简介

由于计数器应用广泛，需求量大，所以集成计数器很常见。常用的集成计数器有异步十进制计数器74LS196、74LS290，异步4位二进制计数器74LS293、74LS393等，同步十进制

计数器74LS160、74LS162，同步十进制可逆计数器74LS168、74LS190等，同步4位二进制计数器74LS161、74LS163，同步4位二进制可逆计数器有74LS169、74LS191等。

图5-35 X=0时的状态转换图

图5-36 X=1时的状态转换图

1.级联法扩展计数长度

当计数器的计数长度（模）不够时，可以采用级联的方式进行扩展，级联后的总计数长度为各级计数器计数长度的乘积。

由于集成计数器多数具有进位输出端和保持功能控制端，集成计数器的级联方式一般有异步和同步两种。

图5-37 计数器时序图

（1）异步级联 将时钟脉冲信号接至最低位计数器的时钟脉冲输入端，把低位计数器的进位脉冲（递减计数为借位脉冲）输出作为高位计数器的时钟信号输入。这种方式需要注意低位计数器的进位脉冲（或借位脉冲）的脉冲是正脉冲（原变量）还是负脉冲（反变量），在真正进位（或借位）时，其跳变的边沿是上升沿还是下降沿，与高位计数器的时钟脉冲有效边沿是否一致，如果相同，可以直接将低位计数器的进位（或借位）输出端连接到高位计数器的时钟输入端；如果相反，需要将低位计数器的进位（或借位）输出信号经过非门（反相器）再连接到高位计数器的时钟输入端。

图5-38为两个74LS290异步级联构成的100进制计数器。74LS290为时钟下降沿计数，当U1的输出从1001变到0000时，Q_D正好是下降沿，所以可以直接连接到U2的时钟输入端INA。U1每加一代表一个时钟脉冲，U2每加一代表十个时钟脉冲，每循环都是从00加到99，然后归00，再次循环。

（2）同步级联 将各个集成计数器的时钟输入端都连接在一起，同时接通时钟脉冲信号，把低位计数器的进位脉冲（递减计数为借位脉冲）输出作为高位计数器的保持功能控制信号，令高位计数器在低位计数器产生进位时对时钟脉冲计数。这种方法也需要注意低位计数器输出的进位脉冲（或借位脉冲）是正脉冲还是负脉冲，与高位计数器控制输入端所需电平是否一致，如果不一致，需要通过非门取反。

图5-39为两个74LS160同步级联构成100进制计数器。74LS160为时钟下降沿计数，当U1的输出1001时，RCO产生高电平，U2脱离保持功能开始计数功能，下一个时钟脉冲到来后，U1和U2对时钟脉冲同时计一次数，然后因为U1变成0000，导致U1的RCO输出低电平，所以U2进入保持功能，不再随时钟脉冲计数，直到下一次U1计数到1001再重复上述过程。

图5-38 异步级联构成100进制计数器

图5-39 同步级联构成100进制计数器

2.反馈法构成任意进制计数器

现实生活中有很多场合需要不同进制的计数器，比如，每分钟有60s，分钟对秒计数需要60进制；每天有24h，需要24进制计数器；每星期有7天，需要7进制计数器；每年有12个月，需要12进制计数器等。集成计数器进行简单级联都不能满足需求，这时可以使用反馈法构成需要的计数长度。

采用级联法能增加计数器计数长度，反馈法能减小计数器计数长度。两者结合可以构成任意进制计数器。反馈法分为反馈归零法和反馈置位法两种，可以根据集成计数器的扩展功能端子情况和使用需要进行选用。下面以典型的十进制集成计数器74LS160为例，介绍反馈归零法（或称为反馈清零法、反馈复位法）和反馈置位法（或称为反馈预置数法）实现八进制计数器。(www.xing528.com)

（1）反馈归零法 74LS160的状态转换图如图5-40所示，图中没有画出无效状态，74LS160能够自启动。74LS160在计数时，自动对输入时钟脉冲计数，状态按箭头方向自动转换。如果每次循环到0111状态时，都通过清零端（CLR）将计数器清零，则计数器永远也执行不到1000和1001这两个状态，这两个状态就变成了无效状态，有效状态变成了8个，这样，十进制计数器就变成了八进制计数器，如图5-41所示。图5-41中实线箭头表示集成计数器自身固有状态转换方向，虚线箭头表示需要外界施加的状态转换方向。

图5-40 74LS160的状态转换图

图5-41 反馈法改变计数长度

74LS160是异步复位（清零），如果直接用状态0111去清零，当0111状态出现后，经过一个很短的延时（反馈路径所需延时），复位清零端有效，输出端立刻被清零，0111状态不复存在（变成了0000状态），所以0111状态存在的时间会非常短，远远小于时钟脉冲周期，而且脉冲宽度不可控，不算作正常的工作状态。一般数字电路的最小时间单位就是时钟脉冲周期，脉冲宽度小于时钟周期的窄脉冲会被当作干扰信号抑制掉，这里只是利用这个窄脉冲完成自动状态转换，这个状态被称为暂态。

图5-42 74LS160的异步清零反馈

异步复位（清零）的集成电路在用反馈归零法构成计数器时，一定要把最后一个有效状态后面的状态当成暂态去反馈归零。因为反馈归零法每次都是从0开始计数，若要构成N进制计数器，则需要把状态N当成暂态去控制反馈清零。如图5-42所示，图中有效状态为实线圆圈，暂态为虚线圆圈，实线箭头为集成计数器原有状态转换路径，虚线为实际暂态转换路径，点画线为有效状态转换路径。

如果是同步复位的集成计数器，则没有暂态，如果要构成N进制计数器，则直接用状态（N-1）控制反馈清零即可，与图5-42所示相同。

图5-43为74LS160用反馈归零法实现的八进制计数器电路。图中计数器的输出经显示译码器74LS48译码后驱动数码管进行数值显示。

图5-43 用反馈归零法实现的八进制计数器电路

（2）反馈置位法 反馈置位法的原理与反馈归零法的原理类似，也是利用反馈去改变状态转换路径，减少有效状态数，使有效状态数满足要求，实现计数长度的改变。两者不同之处在于，反馈归零法每次计数都是从0状态开始，而反馈置位法每次计数的开始状态可以根据需求进行设置，使用更为灵活。

异步预置数的集成计数器有暂态，74LS160为同步预置数，没有暂态。若要实现从0001到1000的八进制计数，则74LS160的数据输入端DCBA=0001，用状态1000去控制预置数，如图5-44所示。图中实线箭头表示集成计数器自身固有状态转换方向，虚线箭头表示需要外界施加的状态转换方向。

图5-44 74LS160的同步预置数反馈

根据复位或者预置数是否异步，确定有无暂态，之后需要解决如何用输出的特定状态去反馈清零或者预置数。因此，需要设计一个电路，该电路的输入信号为计数器的状态，输出信号为控制清零或预置数的信号。

图5-45为74LS160用反馈置位法实现的八进制计数器电路。图中计数器的输出经显示译码器74LS48译码后驱动数码管进行数值显示。

图5-45 用反馈置位法实现的八进制计数器电路