任意进制计数器优化：如何更高效地计数？

在计数脉冲的驱动下，计数器中循环的状态个数称为计数器的模数。如用N表示模数，则n位二进制计数器的模数为2n

N=（n为构成计数器的触发器的个数）。构成N进制计数器的方法大致分3种：第一种是利用触发器直接构成的，称为反馈阻塞法；第二种是用集成计数器构成的，有清零型和置位型两种；第三种是利用级联方法获得大容量的N进制计数器。本书讨论第二种和第三种方法。

1. 中规模集成同步计数器

上面讲到，集成电路构成的N进制计数器主要分为两大类：清零型和置位型。实际上，根据触发器状态转移是否同步，可进一步分为同步清零型、同步置位型、异步清零型、异步置位型等。本书只讨论异步清零、同步置位的方法。

1） CT54/74LS161型计数器

图7 - 7所示为CT54/74LS161的引脚排列和逻辑功能示意。

图7-7　4位同步二进制加法计数器CT54/74LS161

（a）引脚排列；（b）逻辑功能示意

表7 - 3为CT54/74LS161的功能表。它给出了当CTT、CPT为不同取值时电路的工作状态。

表7-3　CT54/74LS161的功能表

例7 - 2 用一片CT54/74LS161构成十进制同步计数器。

解 直接写出状态转移图，如图7 - 8所示。

图7-8　例7-2的状态转移图

其电路连接如图7 - 9所示。

图7-9　例7-2的电路连接图

根据其状态转移图，可画出波形图，如图7 - 10所示。

图7-10　例7-2的波形图

通过检测自启动特性，可以自启动则成功。同时，此电路还可以认为是分频器。

2） 异步清零法

假设已有的是N进制计数器，而需要得到的是M进制计数器。

清零法适用于有置零输入端的计数器。对于有异步置零输入端的计数器，它的工作原理（如图7 - 11所示）是这样的：设原有的计数器为N进制，当它从全0状态S0开始计数并接受了M个计数脉冲以后，电路进入SM状态。如果将SM状态译码产生一个置零信号加到计数器的异步置零输入端，则计数器将立刻返回S0状态，这样就可以跳过N - M个状态而得到M进制计数器（或称为分频器）。

其中由于电路一进入SM状态后立即被置成S0状态，所以SM状态仅在极短的瞬时出现，在稳定的状态循环中不包括SM状态。

图7-11　清零法原理示意

例7 - 3 采用异步清零法，用CT54/74LS161构成九进制计数器。

表7-4　九进制计数器的状态转移真值表(www.xing528.com)

图7-12　采用异步清零法的九进制计数器电路连接

3） 同步置位法

对于有同步置零输入端的计数器，由于置零输入端变为有效电平后计数器并不会立刻被置零，必须等下一个时钟信号到达后才能将计数器置零，因此应由S M1-状态译出同步置零信号，而且S M1-状态包含在稳定状态的循环中。

置位法与清零法不同，它是通过给计数器重复置入某个数值的方法跳跃N - M个状态，从而获得M进制计数器。置数操作可以在电路的任何一个状态下进行。这种方法适用于有预置数功能的计数器电路。

例7 - 4 采用同步置位法，用CT54/74LS161构成九进制计数器。

表7-5　采用同步置位法的九进制计数器的状态转移真值表

2. 计数器的级联

上面讨论的是M＜N的情况，还有M＞N的情况，这时必须用多片N进制计数器组合起来才能构成M进制计数器。各片之间（或称为各级之间）的连接方式可分为异步方式（串行进位方式）、同步方式（并行进位方式）。

若M可以分解成两个小于N的因数相乘，即M=N1·N2，则可直接采用异步或同步方式将一个N1进制计数器和一个N2进制计数器连接起来，构成M进制计数器。

图7-13　采用同步置位法的九进制计数器电路连接

若M不能分解为N1和N2，这时需在上面两种连接方式的基础上结合清零法和置位法来完成，基本原理与M＜N时是一样的。

1） 异步方式

所谓异步方式，即串行进位方式是指低位计数器的进位输出直接作为高位计数器的时钟脉冲，其缺点是速度较慢。

如一片CT54/74LS161为4位，最多可构成十六进制计数器，而两片CT54/74LS161采用异步级联则最多可构成二百五十六进制计数器。

例7 - 5 采用异步级联的方式实现二百进制计数器。解 采用置位法，则循环状态有N - 1个。

其中，高位数字12相应的8421码为1100，对应连接Q3Q2。低位数字7相应的8421码为0111，对应连接Q2 Q1 Q 0。具体连接方式如图7 - 14所示。

图7-14　用异步级联（置位法）实现二百进制计数器

2） 同步方式

所谓同步方式，即并行进位方式是指各计数器的CP端连在一起，接统一的时钟脉冲，低位计数器的进位输出送至高位计数器的计数控制端，其速度较快。

例7 - 6 采用同步级联的方式，实现一百进制计数器。

解 采用清零法，循环状态有N个。

其中，高位数字6的8421码为0110，对应Q21Q。低位数字4的8421码为0100，对应2Q。具体的电路连接如图7 - 15所示。

图7-15　用同步级联（清零法）实现一百进制计数器