实验八  计数器

一、实验目的

1． 熟悉由集成触发器构成的计数器电路及其工作原理。

2． 熟悉掌握常用中规模集成电路计数器及其应用方法。

二、实验原理和电路

所谓计数，就是统计脉冲的个数，计数器就是实现“计数”操作的时序逻辑电路。计数器的应用十分广泛，不仅用来计数，也可用作分频、定时等。

计数器种类繁多。根据计数体制的不同，计数器可分成二进制（即2”进制）计数器和非二进制计数器两大类。在非二进制计数器中，最常用的是十进制计数器，其它的一般称为任意进制计数器。根据计数器的增减趋势不同，计数器可分为加法计数器—随着计数脉冲的输入而递增计数的；减法计数器—随着计数脉冲的输入而递减的；可逆计数器—既可递增，也可递减的。根据计数脉冲引入方式不同，计数器又可分为同步计数器—计数脉冲直接加到所有触发器的时钟脉冲（CP）输入端；异步计数器—计数脉冲不是直接加到所有触发器的时钟脉冲（CP）输入端。

1.异步二进制加法计数器

异步二进制加法计数器是比较简单的。图1.8.1(a)是由4个JK（选用双JK74LS112）触发器构成的4位二进制（十六进制）异步加法计数器，图1.8.1(b)和（c）分别为其状态图和波形图。

对于所得状态图和波形图可以这样理解：触发器FF_O（最低位）在每个计数沿（CP）的下降沿（1 → 0）翻转，触发器FF₁的CP端接FF₀的Q_0­端，因而当FF_O（Q_O­）由1→ 0时，FF₁翻转。类似地，当FF₁（Q_1­）由1→0时，FF₂翻转，FF₂（Q_2­）由1→0时，FF₃翻转。

   4位二进制异步加法计数器从起始态0000到1111共十六个状态，因此，它是十六进制加法计数器，也称模16加法计数器（模M=16）。

从波形图可看到，Q₀ 的周期是CP周期的二倍；Q_1­ 是Q₀的二倍，CP的四倍；Q_2­是Q_1­ 的二倍，Q₀的四倍，CP的八倍；Q₃是Q_2­的二倍，Q₁的四倍，Q₀的八倍，CP的十六倍。所以Q₀ 、Q_1­、Q₂、Q₃分别实现了二、四、八、十六分频，这就是计数器的分频作用。

2.异步二进制减法计数器

异步二进制减法计数器原理同加法计数器，只要在图1.8.1（a）所示加法计数器逻辑电路中将低位触发器Q端接高位触发器CP端换成低位触发器Q端接高位触发器CP端即可。

图1.8.2为异步二进制减法计数器。

如果有D触发器，则可把D触发器光转换成T’触发器，然后根据74LS74 D触发器是上升沿触发，画出逻辑电路图。用74LS74构成的4位二进制计数器逻辑电路如图1.8.3所示，

3.其它进制计数器

在很多实际应用中，往往需要不同的计数进制满足各种不同的要求。如电子钟里需要六十进制、二十四进制，日常生活中的十进制，等等。

在图1.8.3中虚线所示，我们只要把Q₃和Q₁通过与非门接到FF₀、FF₁、FF₂、FF₃四个触发器的清零端  ，即可实现从十六进制转换为十进制计数器。如要实现十四进制计数器，可以把Q_3、 Q₂ 、Q₁  相“与非”后，接触发器FF₃~FF₀的清零端   。同理可实现其它进制的异步计数器。

“8421码”十进制计数器是常用的，图1.8.4为下降沿触发的JK触发器构成的异步十进制计数器（8421码）。

要组成100进制（8421码）计数器可以把两个8421计数器级联起来即可实现。

4.集成计数器

在实际工程应用中，我们一般很少使用小规模的触发器去拼接而成各种计数器，而是直接选用集成计数器产品。例如74LS161是具有异步清零功能的可预置数4位二进制同步计数器。74LS193是具有带清除双时钟功能的可预置数4位二进制同步可逆计数器。图1.8.5为74LS161惯用逻辑符号和外引脚排列图。表1.8.1为74LS161的功能表。

由表1.8.1可知，74LS161具有下列功能：

① =0，不管其它输入端为何状态，输出均为0。

② =1，=0，在CP上升沿时，将d₀~d₃置入Q₀~Q₃中。

③  = =1，若CT_T=CT_P=1，对CP脉冲实现同步计数。

④ =  =1，若CT_P. =0,计数器保持。

进位CO在平时状态为0，仅当CT_T­=1且Q₀~Q₃全为1时，才输出1（CO= CT_T­.Q₃. Q₂. Q₁ .Q₀）。

体现74LS193功能的波形图如图1.8.6所示，其主要功能如下：

①    CR=1为清零，不管其它输入如何，输出均为0。

②    CR=0, =0,置数，将D、C、B、A置入Q_D、Q_C、Q_B、Q_A中。

③    CR=0，=1，在CP_D=1，CP_U有上升沿脉冲输入时,实现同步二进制加法计数。在CP_U­=1，CP_D 有上升沿脉冲输入时，实现同步二进制减法计数。

④   在计数状态下（CR=0，=1时，CP_D=1时）CP_U­­输入脉冲，进行加法计数，仅当计数到Q_D~Q_A全1时，且CP_U­­为低电平时，进位输出为低电平；减法计数时（CP_U­­­=1，CP_D为脉冲输入，CR=0，=1），仅当Q_D~Q_A全0时，且CP_D为低电平时，借位   输出为低电平。

三、实验内容及步骤

1． 异步二进制加法计数器

a.  在实验箱中选四个JK触发器，（也可自行插入二片74LS112双JK触发器）按图

1.8.1(a)接线。74LS112管脚排列如实验七图1.7.14所示。

b. 其中CP接单次脉冲（或连续脉冲），R端接实验箱上的复位开关K₅。

c.  接通实验系统（箱）电源，先按复位开关K₅（复位开关平时处于1，LED灯亮，按下为0，LED灯灭，再松开开关，恢复至原位处于1，LED灯亮），计数器清零。

d.      按动单次脉冲（即输入CP脉冲），计数器按二进制工作方式工作。这时  Q₃、Q₂、Q₁、Q_0­­­的状态应和图1.8.1（b）一致。如不一致，则说明电路有问题或接线有误，需重新排除错误后，再进行实验论证。

2． 异步二进制减法计数器

a.       按图1.8.2（a）接线。实际上，只要把异步二进制加法计数器的输出脉冲引线由Q端换成  端，即为异步二进制减法计数器。

b.      输入单次脉冲CP，观察输出Q₃、 Q₂、 Q₁、 Q₀的状态是否和图（b­）一致。

c.       将CP脉冲连线接至接续脉冲输出（注意，必须先断开与单次脉冲连线，再接到连续脉冲输出上），调节连续脉冲旋钮，观察计数器的输出。

3． 用D触发器构成计数器

a． 按图1.8.3接线，即为4位二进制（十六进制）异步加法计数器，验证方法同上，从本实验不难发现，用D触发器构成的二进制计数器与JK触发器构成的二进制计数器的接线（即电路连接）不一样，原因是74LS74双D触发器为上升沿触发，而74LS112双JK触发器为下降沿触发。

b． 构成十进制异步计数器

在图1.8.3中，将Q₃和Q₁两输出端，接至与非门的输入端，输出端接计数器的四个清零端 。图中虚线所示（原来接复位按钮K₅的异线应断开）。按动单次脉冲输入，就开发现其逻辑功能为十进制（8421码）计数器。

若要构成十二进制或十四进制计数器，则只需将Q₃、Q₂、Q₁进行不同组合即可。如图1.1.8所示分别为十进制、十二进制、十四进制计数器反馈接线图。

4． 集成计数器74LS161的功能验证和应用

a． 将74LS161芯片插入实验箱IC空插座中，按图1.8.9接线。16脚接电源+5V，8脚接地，D₀、D₁、D₂、D₃接四位数据开关，Q₀、Q₁、Q₂、Q_3­­­­­、CO接五只LED发光二极管，置数控制端，清零端，分别接逻辑开关K₁、K₂，CT_P、CT_T分别接另二只逻辑开关K₃、K₄，CP接单次脉冲。

接线完毕，接通电源，进行74LS161功能验证。

①清零：拨动逻辑开关Ｋ_２＝Ｏ（＝０），则输出Ｑ_０～Ｑ_３全为０，即LED全灭。

②置数：设数据开关D₃ D₂ D₁D₀＝1010，再拨动逻辑开关Ｋ_１＝０，

Ｋ_２＝１（即＝０，＝１），按动单次脉冲（应在上升沿时），输出Q₃ Q₂ Q₁Q₀＝1010，即D₃～D₀数据并行置入计数中，若数据正确，再设置D₃～D₀为0111，输入单次脉冲，观察输出正确否（Q₃～Q₀＝0111）。如不正确，则找出原因。

③保持功能：置K₄＝K₂＝１（＝＝１），K₃或K₄＝0（即CT_P＝０或CT_P＝０），则计数器保持，此时若按动单次脉冲输入CP，计数器输出Ｑ_３～Ｑ_０不变（即ＬＥＤ状态不变）。

④计数：置K_1＝K₂＝１（＝＝１），K₃＝K₄＝１（CT_P＝CT_T=1），则74LS16处于加法计数器状态。这时，可按动单次脉冲输入CP，LED显示十六进制计数状态，即从000→0001→…111进行顺序计数，当计到计数器全为1111时，进位输出LED发光二极管亮（即CO＝１，CO＝G .Q₃.Q₂ .Q_1.Q₀）。

将ＣＰ接到单次脉冲的导线切断，连至连续脉冲输出端，这时可看到二进制计数器连续翻转的情况．

b． 十进制计数也可用74LS161方便地实现．将Q₃和Q₄通过与非门反馈后接到端，见图1.8.10（a）所示．利用此法，74LS16可以构成小于模16的任意进制计数器．

此外，还可利用另一控制端把74LS16设计成十进制计数器，如图1.8.10（b）所示。     同步置数法，就是利用这一端给一个零信号，使＝D₃ D₂ D₁D₀＂0110＂6这个数并行置入计数器中，然后以６为基值向上计数直至15（共十个状态），即0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111。所以利用15=＂1111＂状态CO为１的特点，反相后接到，而完成十进制计数器这一功能．同样道理，也可以从0、1、2等数值开始，再取中间十个状态为计数状态，取最终状态的“1”信号相与非后，作为的控制信号，就可完成十进制计数器。例如若D₃D₂D₁D₀=“0000”=0则计到9；D₃D₂D₁D₀=“0001”=1则计到10，等等。

c． 用两片或三片74LS161完成更多位数的计数器，实验电路见图1.8.11和图1.8.12。其中图1.8.11为两片74LS161构成174进制计数器的两种接法。图1.8.12为三片构成4096进制计数器的两种接法。按图1.8.11和图1.8.12分别进行实验论证。

5． 集成计数器74LS193的功能验证

74LS193计数器的使用方法和74LS161很相似。图1.8.13为其实验接线图。按图1.8.13接线，进行74LS193的功能验证。a．清零:74LS193的CR端与74LS161不同,它是“1”信号起作用,即CR=1时,74LS193清零.实验时,将CR置1,观察输出Q_D、Qc、Q_B、Q_A的状态，并和逻辑功能；图1、8、6、比较。

b． 计算；74LS193可以加、减计数，在计数状态时，即CR=0，

＝１，CP_D＝１时，CP_U输入脉冲，为加法计数器；CP_U＝１，CP_D输入脉冲，计数器为减法计数器。

c． 置数：CR＝０，置数据并关为任一二进数（如0111），拨动逻辑开关Ｋ_１＝Ｏ（＝Ｏ）则数据Ｄ、Ｃ、Ｂ、Ａ已送入Ｑ_Ｄ～Ｑ_Ａ中。

d． 用74LS193也可实现任意进制计数器，这里不一一实验了。读者可以试做一下其它几个任意进制的计数器。

四、实验器材

1． THDM-1系列数字电子技术实验系统　　　　　　 1台　

2． 直流稳压电源　SG1731　　　　　　　　　　　　 2台

3． 集成电路：74LS74，74LS112，74LS193　　      各2片 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　74LS161　　　　　　　　　　　      3片　   

74LS04，74LS08，74LS20             各1片   

五、预习要求

1． 复习计数器电路的工作原理和电路组成结构。

2． 熟悉中规模集成计数器电路74LS161，74LS193的逻辑功能、外引脚排列和使用方法。

六、实验报告要求

1． 整理实验电路，画出时序状态图和波形图。

2． 若用74LS193构成60进制计数器，电路如何？

3． 总结74LS161二进制计算器的功能的特点。

第二篇：数字电路实验 计数器(外接)