計數器在數字電路中的應用

摘 要：計數器的應用比較廣泛，不僅可以用于對時鐘脈沖計數，還可以用于分頻、定時，產生節拍脈沖和脈沖序列以及進行數字運算等。在通信、數據記錄等方面經常用到。

關鍵詞：數字電路；時序電路；觸發器；計數器

引言

計數器是在數字系統中使用最多的時序邏輯電路之一，計數器在數字系統中主要是對輸入的脈沖進行計數，計數器種類也比較多。按照不同分類原則大致可分為：（1）按計數器中的編碼方式可分為：二進制計數器，二-十進制計數器，格雷碼計數器等；（2）按計數過程中的數字變化分類可分為：加法計數器，減法計數器，可逆計數器；（3）按計數器中觸發器翻轉是否與輸入脈沖信號同步可分為同步式和異步式兩種；（4）此外，如果按進制來劃分種類就更多了，二進制，十進制，一百進制，任意進制。

1 計數器運行原理

談到計數器的原理作者認為要先了解到它的構成，“結構決定功能”，金剛石與石墨就是對這句話最好的詮釋，計數器之所以有計數等功能是由于組成它的計數單元和一些邏輯門控制單元。計數單元主要由一些具有記憶功能的觸發器組成，主要有SR觸發器JK觸發器，T觸發器，D觸發器，邊沿觸發器等。下面是幾個常用觸發器的結構及功能：

同步SR觸發器：

真值特性：

當脈沖信號clk為0時觸發器保持之前狀態，clk為有效電平1時觸發器接受輸入信號SR。當SR不同時輸出結果與S相同，SR同為0時輸出保持之前狀態，SR同為1時輸出為1.約束。

異步SR觸發器 （圖略）：

真值特性：

當脈沖信號clk為0時，RD'=0 SD'=1置零輸出，RD'=1 SD'=0置1輸出，RD'=1 SD'=1保持之前狀態，RD'=0 SD'=0約束。

電平觸D發觸發器：

真值特性：

當脈沖信號clk為0時觸發器保持之前狀態，clk為有效電平1時，D=1，輸出置1，D=0，輸出置0。

脈沖觸發的主從SR觸發器：

當脈沖信號clk為1時主觸發器工作，根據S和R的狀態翻轉。S=0，R=0保持S=1，R=0輸出置1，S=0，R=1輸出置0，S=1，R=1輸出約束。

主從JK觸發器（圖略）：

它與主從SR區別在于把輸出反饋回輸入電路，即把SR輸出Q，Q'接回SR，同時把SR名稱改為JK就行了。

真值特性：

J=1，K=0置1輸出，J=0，K=1置0輸出，J=0，K=0保持，J=1，K=1翻轉。

邊沿觸發器（以邊沿D觸發器上升沿有效為例）：

真值特性：

處于上升沿時，D=0，Q*=0，D=1 Q*=1處于非上升沿時輸出Q*保持。

2 計數器在同步時序脈沖電路中的應用原理

2.1 以74LS160芯片為例構成電子鐘表：計數器在時序電路中應用主要通過接收脈沖信號使對應的計數器翻轉，以同步計數器為例，通常采用T觸發器構成，結構形式有兩種。一種是控制輸入端T的狀態。當每次計數脈沖信號到達時，使該翻轉的那些觸發器輸入控制端為高電平，不翻轉的為低電平。另一種是控制時鐘信號，每次信號來時只能使該翻轉的觸發器脈沖輸入有效，不加給不該翻轉的觸發器。同時所有觸發器的T接到高電平狀態，就可以記錄脈沖信號個數。

2.2 以74LS160芯片為例構成電子鐘表：平時大家所用的數字電子鐘就可以用計數器去實現，其實原理就是相當于六十進制，時分秒進位構成。下面作者就以74LS160芯片構成數字鐘為例用multisim實現。

首先，用器件要先了解結構，下面介紹下74LS160的引腳功能。

數據輸入端D0，D1，D2，D3，輸出Q0，Q1，Q2，Q3，進位輸出端C，同步置數端LD'，異步置零端RD'，功能控制端EP，ET，脈沖信號輸入CLK。

EP，ET功能控制端同時為1即高電平時開始計數，RD'異步置零端不受脈沖信號控制一旦信號有效計數器就清零，如RD'=0即接地則輸出Q0，Q1，Q2，Q3清零。同步置數端LD'受CLK控制，當輸入信號D0，D1，D2，D3，準備好且該信號有效時，不能立即置數要等到CLK有效信號有效時才會置數。該芯片在脈沖上升沿有效。

要用74LS160芯片構成電子時鐘，顯示時分秒，所以要用到六片芯片，連接如圖3所示。其中左下角的單項開關設置為暫停鍵按下計時斷開暫停，左下角雙向開關為清零鍵，撥至地端清零。

3 計數器在數字電路定時系統中的應用

3.1 數字系統方面的應用

在數字電路中經常用到，在數電中有經典的555定時器，在這里就不在敘述。

3.2 計數器定時方面的應用

設想一下，通過計算計數脈沖計數，達到某一數值時，可以接一個蜂鳴器，這樣就成了鬧鐘。后面電路還可以控制開關，這樣可以在后面的電路就通過計數器來實現定時功能了。后面大家可以自行發揮想象。

4 結束語

通過大家親自動手實踐利用模擬仿真軟件multisim實現數字時鐘的構成，可以讓我們對計數器有了更深一層的認識，對工作原理的掌握也會更進一步。

參考文獻

[1]閻石.數字電子技術基礎（第五版）[M].高教出版社.

作者簡介：許雪成（1995，7-），男，安徽省蚌埠市固鎮縣人，合肥市蜀山區安徽新華學院，電子信息工程專業，本科生。