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若干常用的时序逻辑电路

• 主要有两类：寄存器和计数器，没有组合电路那么丰富

寄存器

1. 用于寄存一组二进制代码，N位寄存器由N个触发器组成，可存放一组N位二进制代码
2. 只要求其中每个触发器可置一置零

例：74HC175
（1）边沿触发
（2）提供了一个R端可以异步置零

移位寄存器

• 具有储存+移位功能

• 在二进制中，有时候移位就相当于运算，所以移位寄存器在数字电路中有相当重要的地位
  

• 这个电路连接很简单，采用的都是边沿D触发器

• 数据从D1进来，一个节拍写道Q0，下一个节拍到Q1，以此类推

• ！因为触发器有Tpd和Tcd的存在，才使得这种写法能够稳定。Tpd的作用是数到达之后要经过多长时间才能写到下一级。想把数据稳定地写道第一个触发器FF0的话，数据和CLK应该有一个配合，早来建立时间，晚走保持时间。而相对于FF1来说，上一级来的数据也应该早来晚走。早来没有问题，只要触发边沿不到，Q0的值就是稳定值。晚走就要靠上一级的Tcd了。

• ！也就是说从左向右，第一级的Tcd要大于第二级的Thold，依此类推。

• 工作波形图如下：
  

• ！！！用在哪？优化上一篇文章的这个模型
  

• 接到出来的Si上，移位寄存器的长度决定了加法器可以做多少位

• ！问题1：上面的依位寄存器用的是D触发器，我可以换成其他触发器么？

• 结论：无论换成JK或RS都可以（功能上）

• ！问题2：功能换完了，可以换触发方式么？

• 电平触发不可以，如果换了，当触发信号到达时，一串都成直通得了，电平触发不存在节拍的概念，所以不能用作移位；主从结构的脉冲触发也可以

• 应用：
  （1）代码转换，串—>并
  （2）数据运算

• ！问题3：如果我想并变串怎么办？

• 目前的电路显然不符合要求，因为每一位的数据不能独立到达

• 要求：左/右移，并行输入，保持，异步置零等（还是四位）

• 设计原理：
  （1）异步置零肯定要有异步信号接入端
  （2）左移右移或并行输入或保持，都意味着每一位触发器的数据来源有多个方向。数据来源有多个，任何时候只搭在一个上-----数据选择器。每一位触发器的数据来源都需要加一个四选一的数据选择器，而这个数据选择器的地址端有两位，相当于多功能依位寄存器的功能控制端。要明确一点：这四个数据选择器要处在相同的功能下，所以可以直接把这两位接出来，当作整个模块的功能选择端。

• 通过设计原理再看这个电路就不是那么复杂了。
  

1. 所有的触发器都选择了带有异步置零端的触发器（因为有这个需求），把异步置零端甩出来就是异步置零了
2. 工作模式选择就对应着左移，右移，并行，保持这四个功能
3. 四选一数据选择器
4. 对FF1模块的构成进行分析：
   （1）G2是个反相器，所以FF1看着是个SR，其实就是个D边沿触发器
   （2）数据选择器四个数据来源：左1的最左边（从左来），左二的最右边（并行输入），右二的最右边（从右边来），右1的最右边（自保持）
   （3）通过S1，S0就可以控制左移右移还是保持还是并行输入
   （4）直接封装成模块，不再打开
   
5. 看到这个模块
   （1）CLK的三角：边沿触发
   （2）S1，S0选择功能，左移，右移，并行输入，自保持
   （3）Dir，Dil：左移右移的最原始数据来源
6. 功能表
   
7. 扩展应用（4位–>8位）
   

• 唯一一点就是确保左移右移数据不断，就是把Dil接到右边的Q0，把Q3接到右边的Dir

计数器

• 用于计数，分频，定时，产生节拍脉冲等
• 分类
  （1）按时钟分：同步，异步
  （2）按计数过程中数字增减分：加，减，可逆
  （3）按计数器的数字编码分，二进制，二-十进制和循环码…
  （4）按计数容量分：十进制，六十进制…

同步计数器

同步二进制计数器

分为加法和减法

同步二进制加法计数器

• 原理：多位二进制末位加一，若第i位以下皆为1时，则第i位应翻转
• 由此得出规律，若用T触发器构成计数器，则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为
  
• 也就是T0是恒等于1的，第i位的T取决于前面的Q相与，只要前面没记满，第i位就不会翻转
• 得到电路图
  
• ！！T触发器没有一个现成的触发器，它是用我们学过的接出来的，最简单的是把J和K捏在一起构成了T触发器
• C是计位信号，有了这个信号就可以进行下一步的扩展，也可以不丢信息

经典设计 74161

• 这是一个常用的四位二进制计数器
• 通过读功能表，知道芯片怎么接
  

（1）CLK给上升沿
（2）Rd‘一定要接高电平，LD’一定要接高电平
（3）EP，ET一定要接高电平才可以计数
（4）由表格第一行，Rd‘是异步置零
（5）由表格第二行，当Rd’=1，LD’=0，CLK上升沿到达时，会把R0-R3写入Q0-Q3（预置数）
（6）由表格三四行，当EP和ET有一个是零的时候，保持。注意，在触发器中，说保持一定是保持的Q

• 内部电路
  
• 选的是带异步清零的JK触发器，这是异步清零端的来源，但是它并没有置一端，所以它的置数实际上不是通过异步来的，是通过JK触发器写进来的数。前面说过，JK触发器想要构成一个四位二进制计数的时候，可以把它构成一个T触发器来做。对着FF3来看，组成T触发器可以通过G19，也可以通过G14和G15，当用后者时，J和K就可以输入两个不一样的数，实现预置数

同步二进制减法计数器

• 原理：在多位二进制末位减一，若第i位一下皆为0，则第i位应该翻转
• 由此得出规律，若用T触发器构成计数器，则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为
  
• 也就是T0是恒等于1的，第i位的T取决于前面的Q’相与
• 构成等和加法类似

同步二进制加减计数器

• 两种方案
  （1）来的脉冲是同一个脉冲源，和它配合的有另一个信号来表达这个脉冲是加还是减（码盘计数）
  （2）加减计数是两个脉冲源（进出图书馆）
• 最根本的是解决编码区分的问题
• 同一个计数器—容易出问题，除非物理背景让加两个信号不同时来。而两个脉冲源不会出现这个问题。

1. 单时钟的方式
   加/减脉冲用同一输入端，由控制线的高低电平决定加减，实例：74LS191
   

• U’/D是一个信号，等于0是加技术，等于0是减计数
• 功能表
  
  （1）使能端S‘一定为0
  （2）LD’是预置数，但是这里是异步的，也就是对CLK没有配合，一旦LD’等于0，直接写入预置数（所以这个里一定用的触发器原有的异步置零置一端）

2. 双时钟的方式
   实例：74LS193（采用T’触发器，即T=1）
   

• 加计数和减计数采用不同的时钟源
• 是一个假同步，因为所有的CLK并不是接在一起构成一个统一的时钟
• 实际上每一步的时钟受控于外面的CLK，但是加了个运算
• 最根本的使用，要有一个物理机制保证CLK（D）和CLK（U）不是同时来（这俩信号看芯片内部图），如果同时来，一定就会有竞争-冒险。

同步十进制计数器

• 问题：同步二进制计数如果是0-9没问题，如果再多了，可读性不是特别好，所以有同步十进制计数器

• 希望用二进制的结构实现十进制

• 问题：计数器的容量是多少？

• 容量就是10，所以如果要用二进制结构实现的话，4位二进制就是一个底，用它打基础，在它的基础上，我只用到它的十个（会造成浪费，但是可读性好）

• 有两件事需要做
  

（1）对电路进行改动，让1001的下个状态指向0000，让这之间的状态组成主循环圈

• 用0000对比之前1001的下个状态，1010。发现只有T1和T3的变化规则需要改
• 原来T3 = Q2Q1Q0，过去规则保存（因为在主循环圈的前面还要用到），而且要在Q3Q0时发生跳变。所以T3 = Q2Q1Q0 + Q3Q0
• 同理T1 = Q0Q3’

（2）剩余的项就成了无效态，要处理好无效态

• 问题：如果改成六进制，十二进制能改么？
• 可以

异步计数器

二进制计数器

二进制加法计数器

• 在末位+1时，从低位到高位逐位进位
• 原则：每一位从“1”变到“0”，向高位发出进位，使高位翻转
  
• 所有的J,K都接成1，那就意味着是T触发器，而且T恒等于1，所以见时钟就翻转
• Q0和CLK0就存在一个二分频的关系，Q1和Q0又是一个二分频，而且是Q0从1变0的时候翻转，也就是Q1计满了，天然的把自己作为一个进位给了下一位
• 时序图如下
  
• 在波形图当中，Q0的变化是以CLK0作为基准点，也就是CLK0的下降沿到达之后，Q0发生翻转。Q1的基准点是Q0，Q2的基准点是Q1
• 所以Q0的Tpd一定小于Q1的Tpd，Q1的Tpd一定小于Q2的Tpd，而且随着位数增加，Tpd会越来越大
• 也就是在Q3的Tpd之内，会出现一个我不希望的组合，这个给到下面的组合电路就会出现竞争-冒险，这也是异步电路我们不喜欢的地方

二进制减法计数器

把加法C前面的圈抹去

任意进制计数器的构成方法

用已有的N进制芯片，组成M进制的计数器，是常用的方法

• 两种可能
  （1）N>M
  （2）N<M

当N>M

1. 异步置零法，同步置零法（每次计数的初态都以000开始）
2. 异步预置数法，同步预置数法（只要状态数够，满足我进制需要就可以i，不必000开始）

例：用十进制的74160接成六进制计数器

• 可以置零也可以预置数。
• 异步和同步的区别：异步如果置零信号来了，马上就置零，同步要等上升沿

置零法

• ！！如果用置零法：应该在计数到5的时候跳回0。如果用异步置零会有一个问题，第六个状态只会持续74160整个芯片的Tpd，但是前五个状态会持续一个CLK，也就是说，如果用异步置零，需要用0110，这个0110就成了一个暂态，它的出现就是为了回到0000

• 实际的状态转换图如下（注意两个虚线）
  
  注意：只有1001，1000，0111是你十进制改六进制造成的无效态，其他的无效态是这个芯片16进制改10进制造成的

• 芯片引脚图
  

• ！！引出了进位信号，表达了你这个计数器是可以扩展的

• 建议不要单独画进位信号，就用跳转的信号当作进位信号是最理想的，因为跳转了就证明计满了

• 问题1：如果像上图那样引出进位信号在0100就出了进位信号，这个进位信号会持续0100和0101两个CLK长，是一个很长的高电平（能这么引的原因是，如果后面电路认下降沿就可以用，如果认上升沿就取反还可以用，原理是只要一个周期里只有一个进位信号就能用，但是不建议这么引）

• 问题2：在这个电路中，这么引会有问题，Rd’平时一直是1，只有Rd’=0才让他清零，清完零又回去了，这个信号会出现一个电平，但是大概就是传输延迟时间级别的，太短，如果用Rd’作为进位信号可能会被认为是竞争-冒险带来的毛刺，用个滤波电容就滤掉了

• 改进上面的电路
  

• 接了一个基本的RS锁存器，G2是Sd’，G3是Rd‘，Sd’=0的时候进位输出置一，如果想清零的话，必须让Rd’=0，而Rd‘接在了CLK上。

• 芯片是上升沿工作的，也就是写进位的时候Rd’=1，所以写入的信号会一直保持，直到CLK变到0

预置数法

• 这时候，我们译的是0101，因为LD是同步信号，所以得等到下一个CLK到达的时候，才能把数置进去，所以这时候0101这个状态就能呆一个时钟了
• 所以如果用置零法的话建议用同步的方法，置入0000
• 方案不唯一，可以用各种方法，甚至可以用1111，只要在0110的时候置数跳回1111就可以
• 书上给的例子是在74160有效循环圈里面最大的一个
  
• 同理，置1001，保证自己的有效循环圈即可
• 所以，有效循环的个数就是进制，两个点的连接，一个作为译码，还有一个作为置数

当N<M

1. 方法一：分解

• M = N1 * N2
• 先用前面的方法分别接成N1和N2两个计数器
• N1和N2有两种连接方式
  （1）并行进位：用同一个CLK。低位片的进位输出作为高位片的计数控制信号
  （2）串行进位：低位片的进位输出作为高位片的CLK，两片始终处于计数状态

例：用74160接成100进制

只有EP,ET同为1时才允许进位，所以直接把前面的进位信号接到EP,ET上就可以了

• 问题：串行进位为什么接反相器？
• 前面那个的C是记到1001的时候会有一个高电平，如果不加反相器，那前面是9的时候，后面就加一了，也就是显示的话是1，2，3，4，5，6，7，8，19，10，11…

2. 方法二：M不可分解

• 采用整体置零和整体置数法
• 先用两片接成M’ > M的计数器，然后采用置零或置数的方法

例：用74160接成29进制

• 整体异步置零：找出29，图上不是全译码，找了2和9的第一次出现方式，实验中可以这么做，但是实际中尽量使用全译码

• 整体同步置数：一出现28就回去

计数器应用实例

计数器+译码器----->顺序节拍脉冲发生器

• 把一个计数器和38译码器放在一起
• 前端是74161，而且Rd‘和LD都接了高电平，EP,ET接1，CLK给了一个始终，所以74161一直在16位计数循环，16个状态一直在跑
• 138取了它的低位，那么138的输出，每个CLK这些都会出现一个低电平，而且在循环跑，CLK是高电平的时候不工作，低电平的时候才工作，所以是CLK的后半段工作，前半段没工作
• 电路工作起来会相当稳定，因为前面发生变化的时候后面不变，把时间错开了
• 这个电路如果和前面三态总线的电路接在一起，总线就构成了循检的方式
  

计数器+数据选择器----->序列脉冲发生器

• 152是八选一的数据选择器
• 当CLK不断进来，161循环计数，Y’就得到不断循环的脉冲序列00010111