5.4 中规模集成计数器及其应用(2)

中大规模集成电路及应用第一章↗微电子学✍微电子学是研究固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支。

✍作为电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。

↗集成电路：↗Integrated Circuit，缩写IC✍是指通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）或陶瓷基片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。

↗集成电路设计与制造的主要流程框架设计创意+ 仿真验证集成电路芯片设计过程流程图↗摩尔定律✍基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。

✍在新技术的推动下，集成电路自发明以来，其集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍。

✍是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。

集成电路分类↗集成电路的分类✍按器件结构类型✍按集成电路规模✍按结构形式✍按电路功能✍按应用领域按器件结构类型分类↗双极集成电路：主要由双极晶体管构成(优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低)✍NPN型双极集成电路✍PNP型双极集成电路↗金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成✍NMOS✍PMOS✍CMOS(互补MOS)↗双极-MOS(BiMOS)集成电路(功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高)：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂按集成电路规模分类↗度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目↗小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)↗中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)↗大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)↗超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)↗特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)↗巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）按结构形式的分类↗单片集成电路：✍它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路✍在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等↗混合集成电路：✍厚膜集成电路✍薄膜集成电路按电路功能分类↗数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路↗模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路✍线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等✍非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路↗数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等第二章半导体固体材料：超导体: 大于106(Ωcm)-1导 体: 106~104(Ωcm)-1半导体: 104~10-10(Ωcm)-1绝缘体: 小于10-10(Ωcm)-1从导电特性和机制来分：不同电阻特性、不同输运机制1. 半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构： 构 成 一 个正四面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构半导体的结合和晶体结构半导体有元素半导体，如：Si 、Ge化合物半导体，如：GaAs 、InP 、ZnS2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni电子：Electron ，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole ，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位4.半导体的掺杂受 主 掺 杂、施 主 掺 杂施主：Donor ，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。

《数字电子技术》课程标准一、概述（一）课程性质本课程是五年制高职应用电子专业的专业主干项目课程。

通过本课程的学习，使学生掌握数字电路的相关理论，使学生具备高职应用型人才所必须的常用数字集成电路的应用能力，掌握常见仪器、仪表的使用，熟悉简单电子产品的一般设计过程，数字集成电路制作与调试，培养学生独立分析问题和解决问题的能力，训练学生的创新能力。

本课程是《模拟电子设计与制作》的后续课程。

是《单片机原理及应用》、《PLC及其应用技术》、《集成电路应用技术》等课程的前修基础课程。

（二）课程基本理念本课程标准的基本理念：用项目课程，突出专业课程的实践性、针对性和实用性，努力实现课程功能取向与人才培养目标取向一致性。

以强化应用为重点，以就业为导向，以能力为本位，加强实践性教学环节，注重学生综合职业素质的提高。

紧紧围绕完成工作任务的需要来选择课程内容，改变传统的学科体系中理论的“难、繁、旧、偏”等状况，增加与就业岗位直接相关的新知识、新技术和新工艺。

以“工作项目”为主线，变学科体系本位为职业能力本位，变书本知识的传授为技能的训练，结合职业资格鉴定，培养学生的实践动手能力。

实现专业课程内容与职业岗位（群）、工作任务和工作过程相一致，实现专业教育与职业资格证书相融合。

（三）课程设计思路1、按照“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目课程为主体的模块化专业课程体系”的总体设计要求，该门课程以形成具有灵活应用常用数字集成电路实现逻辑功能的能力为基本目标，彻底打破学科课程的设计思路，紧紧围绕工作任务完成的需要来选择和组织课程内容，突出工作任务与知识的联系，让学生在职业实践活动的基础上掌握知识，增强课程内容与职业岗位能力要求的相关性，提高学生的就业能力。

2、学习项目选取的基本依据是该门课程涉及的工作领域和工作任务范围，但在具体设计过程中，还根据三人表决器或裁判器、抢答器和数字钟等典型产品为载体，使工作任务具体化，产生了具体的学习项目。

集成计数器实验原理集成计数器是一种在数字电路和计算机中广泛应用的数字逻辑元件，可用于数码显示、时序控制、计数和频率分析等应用。

本文将介绍集成计数器的原理、类型和应用。

一、集成计数器的原理集成计数器是一种能够根据时钟信号进行计数的数字电路，其主要原理是利用触发器（Flip-Flop），将时钟信号分频后输出。

最常见的触发器是SR（Set-Reset）触发器，其输入为Set和Reset信号。

当Set为高电平，Reset为低电平时，触发器输出为高电平；当Set为低电平，Reset为高电平时，触发器输出为低电平；当Set和Reset同时为高电平或低电平时，触发器保持先前的状态不变。

集成计数器通常由多个触发器级联组成，其计数值（或分频比）等于触发器数量，是通过输入的时钟信号的频率等来实现的。

一个由4个Flip-Flop级联组成的计数器能够实现分频比为2^4=16，即每输入16个时钟信号，计数器输出一次脉冲。

除了SR触发器，还有D触发器、JK触发器等其他类型的触发器可用于构建集成计数器。

二、集成计数器的类型1.二进制计数器二进制计数器是最常见的类型，它能够计数从0到2^n-1的整数，其中n为计数器中Flip-Flop的数量。

一个4位二进制计数器能够计数从0到15的整数。

二进制计数器通常可设置为自由计数或者启动和停止计数。

启动和停止计数通常通过输入信号来实现，计数器的Clear输入可清零计数器并停止计数，计数器的Load输入可设置计数器的初始值。

二进制计数器还可以通过设置输出比特数来输出二进制码、BCD码和格雷码等多种码制信号。

2.分频器分频器是一种特殊的计数器，其主要功能是将输入时钟信号分频输出。

其分频比为2^n，即输出n个时钟信号后输出一次信号。

分频器通常采用二进制计数器或预置计数器实现，其中预置计数器能够根据预设的计数值（或初始值）进行计数，从而实现自由计数和分频输出。

3.模数计数器模数计数器是一种中断型的计数器，其计数值为预设的模数值。

中规模通用集成电路及其应用串行进位二进制并行加法器T692:由全加器级联构成，高位的进位输出依赖于地位的进位输入。

结构框图：特点：二进制加法器是一种能产生两个二进制数算术和的组合逻辑部件.被加数和加数的各位能同时并行到达各位的输入端，而各位全加器的进位输入则是按照由低位向高位逐级串行传递的，各进位形成一个进位链。

由于每一位相加的和都与本位进位输入有关，所以，最高位必须等到各低位全部相加完成并送来进位信号之后才能产生运算结果。

显然，这种加法器运算速度较慢，而且位数越多，速度就越低。

? 为了提高加法器的运算速度，必须设法减小或去除由于进位信号逐级传送所花的时间，使各位的进位直接由加数和被加数来决定，而不需依赖低位进位。

根据这一思想设计的加法器称为超前进位(又称先行进位)二进制并行加法器。

四位二进制并加法器T692，T693管脚排列：特点：加法器是运算电路的核心。

计算机中实现减法、乘法和除法都要最终转化成加法来运算二进制译码器MSI,T1438：二进制码译码器也称最小项译码器，N中取一译码器，最小项译码器一般是将二进制码译为十进制码。

管脚排列：特点：二进制译码器是一种由编码的输入信号触发后选择一条输出线信号有效的器件。

通常情况下，输入的是一个n位二进制数，最多会有2n条输出线。

编码器8421码编码器74ls48：分段式数码由分布在同一平面上若干段发光的笔画组成，如半导体显示器。

半导体数码管——BS201A半导体数码管是分段式半导体显示器件，其基本结构是PN结，即用发光二极管（LED）组成字型来来显示数字。

这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因此也称LED数码管或LED七段显示器。

BCD---七段显示译码器(74LS48)因为计算机输出的是BCD码，要想在数码管上显示十进制数，就必须先把BCD码转换成 7 段字型数码管所要求的代码。

我们把能够将计算机输出的BCD 码换成 7 段字型代码，并使数码管显示出十进制数的电路称为“七段字型译码器”。

实验七中规模集成计数器的应⽤实验七中规模集成计数器的应⽤⼀、实验⽬的1．熟悉中规模集成电路计数器的功能及应⽤。

2．进⼀步熟悉数字逻辑实验箱中的译码显⽰功能。

⼆、实验原理计数器是⼀种中规模集成电路，其种类有很多。

如果按照触发器翻转的次序分类，可分为同步计数器和异步计数器两种；如果按照计数数字的增减可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器三种；如果按照计数器进位规律⼜可分为⼆进制计数器、⼗进制计数器、可编程N 进制计数器等多种。

常⽤计数器均有典型产品，不须⾃⼰设计，只要合理选⽤即可。

本实验选⽤四位⼆进制同步计数器74LS161做计数器，该计数器外加适当的反馈电路可以构成⼗六进制以内的任意进制计数器。

图1是它的逻辑符号，它除了具有⼆进制加法计数功能外，还具有预置数、清零、保持的功能。

图中LD 是预置数控制端，0D 、1D 、2D 、3D 是预置数据输⼊端，r C 是清零端，T CT 、P CT 是计数器使能控制端，0C 是进位信号输出端，它的主要功能有：（1）异步清零功能若r C =0(输出低电平)，则输出0Q 1Q 2Q 3Q ＝0000，与其它输⼊信号⽆关，也不需要CP 脉冲的配合，所以称为“异步清零”。

（2）同步并⾏置数功能在r C ＝1，且LD ＝0的条件下，当CP 上升沿到来后，触发器0Q 1Q 2Q 3Q 同时接收0D 1D 2D 3D 输⼊端的并⾏数据。

由于数据进⼊计数器需要CP 脉冲的作⽤，所以称为“同步置数”，由于4个触发器同时置⼊，⼜称为“并⾏”。

（3）保持功能在r C ＝LD ＝1的条件下，T CT 、P CT 两个使能端只要有⼀个低电平，计数器将处于数据保持状态，与CP 及0D 1D 2D 3D 输⼊⽆关。

（4）计数功能当r C ＝LD ＝T CT ＝P CT ＝1时，电路为四位⼆进制加法计数器。

在CP 脉冲作⽤下，电路按⾃然⼆进制递加，状态变化在0000～1111间循环。

74LS161的功能表详见表⼀所⽰。

计数器及其应用
计数器是一种用于计数的电子器件或电路。

它可以根据特定的输入信号进行计数操作，并将计数结果反馈出来。

计数器的应用非常广泛，以下是一些常见的应用：
1. 时钟/计时器：计数器可以用来构建时钟或计时器，例如电子手表、计算器等设备中的计时功能。

2. 频率计：计数器可以用来测量信号的频率。

通过将输入信号作为计数器的输入，可以计算出输入信号的频率。

3. 程序控制器：计数器可以被用作程序控制器中的计数元件。

当计数器计数到特定的值时，可以触发程序中的某些操作或事件。

4. 计数器显示器：计数器可以用来驱动七段数码管等显示器件，从而显示出计数结果。

5. 计数器比较器：计数器可以与其他计数器或参考信号进行比较，从而实现计数器的同步和比较功能。

6. 频率分析仪：计数器可以与频率合成器结合使用，用于分析输入信号的频率分布。

总而言之，计数器是一种非常实用的电子器件，被广泛应用于计时、频率测量、计数显示等领域。

集成电路的分类和应用领域集成电路是一种电子元件，它将电子器件和电子元器件的功能和性能集成到一个芯片上。

集成电路可以按照不同的分类方式进行分类，例如按照集成度、功能、材料和制造工艺等方面进行分类。

同时，集成电路也广泛应用于各个领域。

一、按照集成度进行分类1. 小规模集成电路(SSI，Small-Scale Integration)：通常包含10个及以下的逻辑门电路，例如门电路、触发器等。

2. 中规模集成电路(MSI，Medium-Scale Integration)：通常包含10到100个逻辑门电路，例如算术逻辑单元(ALU)等。

3. 大规模集成电路(LSI，Large-Scale Integration)：通常包含100到1000个逻辑门电路，例如CPU、存储器等。

4. 超大规模集成电路(VLSI，Very Large-Scale Integration)：通常包含1000到10000个逻辑门电路，例如微处理器、数字信号处理器等。

5. 全定制集成电路(ASIC，Application-Specific Integrated Circuit)：针对特定应用而设计和制造的定制集成电路。

二、按照功能进行分类1. 数字集成电路：主要处理和控制数字信号，包括数字逻辑电路、计数器、移位寄存器等。

2. 模拟集成电路：主要处理和控制模拟信号，包括放大器、滤波器、模拟开关等。

3. 混合集成电路：集数字和模拟功能于一体，实现数字和模拟信号的处理和交互。

三、按照材料进行分类1. 原硅集成电路：使用纯硅作为基底材料。

2. 绝缘体上铜集成电路：使用绝缘体上覆盖薄铜层作为导电层。

3. 硅上宽温度范围集成电路：适用于高温环境，如发动机控制系统。

4. 硅上混合集成电路：将硅上的半导体器件和其他材料的电子元件集成在一起。

四、按照制造工艺进行分类1. MOS集成电路：使用MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)工艺制造的集成电路，具有低功耗和高集成度的特点。

中规模时逻辑集成计数器中规模时逻辑集成计数器在数字电路中，把记忆输人脉冲个数的操作称为计数，计数器就是实现计数操作的时序逻辑电路。

计数器应用非常广泛，除用于计数、分频外，还用于数字测量、运算和控制，从小型数字仪表到大型数字电子计算机，几乎无所不在，是任何现代数字系统中不可缺少的组成部分。

计数器的种类很多，按其进制不同分为二进制计数器、十进制计数器、N进制计数器；按触发器翻转是否同步分为异步计数器和同步计数器；按计数时是增还是减分为加法计数器、减法计数器和加/减法（可逆）计数器。

下面首先介绍二进制计数器。

1．集成二进制计数器74LS16174LS161是4位二进制同步加法计数器，除了有二进制加法计数功能外，还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。

74LS161的逻辑电路图和引脚排列图如图1所示，CR是异步清零端，LD是预置数控制端，D0，D1，D2，D3是预置数据输人端，P和T是计数使能端，C是进位输出端，它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。

74LS161的功能表如表1所示。

由表可知，74LS161具有以下功能。

图1 74LSl61的逻辑电路图和引脚图（1）异步清零功能当CR＝0时，不管其他输人端的状态如何（包括时钟信号CP），4个触发器的输出全为零。

（2）同步并行预置数功能在CR＝1的条件下，当LD＝0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时，D3，D2，D1，D0输入端的数据将分别被Q3～Q0所接收。

由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合，故称为同步置数。

（3）保持功能在CR=LD＝1的条件下，当T＝P＝0时，不管有无CP脉冲作用，计数器都将保持原有状态不变（停止计数）。

（4）同步二进制计数功能当CR＝LD＝P＝T＝1时，74LS161处于计数状态，电路从0000状态开始，连续输入16个计数脉冲后，电路将从1111状态返回到0000状态，状态表见表2。

（5）进位输出C当计数控制端T＝1，且触发器全为1时，进位输出为1，否则为零。

中规模计数器的应用
复位法
假如已有N进制计数器，要得到一个M进制计数器，只要NM，令N 进制计数器在计数过程中，计满M个状态后，跳过剩余N-M个状态，即可得到M进制计数器。

实现状态跳动的方法一般有两种：同步复位法、异步复位法（利用计数器的复位端实现）。

预置法
这种方法适用于有预置数功能的计数器。

置数法与置零法不同，它是通过给计数器重复置入某个数值来跳越M－N个状态，从而获得N 进制计数器。

对于同步预置数的计数器，在其计数过程中，可将它输出的任何一个状态译码，产生一个预置数掌握信号反馈至预置数掌握端，在下一个CP作用后，计数器就会把预置数输入端的状态置入输出端。

预置数掌握信号消逝后，计数器就从被置入的状态开头重新计数，即LD＝0的信号应从Si状态译出，待下一个CP信号到来时，才将要置入的数据置入计数器中，稳定的状态循环中包含有Si状态。

而对于异步预置数的计数器，只要= 0 信号一消失，马上会将数据置入计数器中，而不受CP信号的掌握，因此LD＝0信号应从Si＋1状态译出。

Si ＋1状态只在极短的瞬间消失，稳定的状态循环中不包含这个状态。

置数操作可在电路的任何一个状态下进行，详细方式又可分为置全0法、置最小值法、置最大值法。

1. 74ls139功能验证基本功能验证：如右图2. 74ls148功能验证基本功能验证：如下图3.用74ls138以及74ls00实现全加器、全减器（1）实验分析：74ls138三个输入对应8个输出，意思就是一个3位的二进制输入对应一个10进制的一位例如ABC输入111那他那边的Y就会输出对应的一个位置如果ABC译码为8那Y里面就有一个位被弄为低电平。

74ls138就是38译码器，是TTL系列的，也就是74系列，有三个输入端A0，A1，A2，其中A2是高位，输出是八个低电平输出Y0 ~ Y7，工作电压一般的5V。

（2）用74ls138、74ls00实现全加器电路图如下：（4）全减器真值表：用74LS138、74LS00实现全减器电路图如下：74ls247验证如右图74ls248验证如下图74ls85验证如下图74ls283将8421码转为余3码（如右图）J1端为输入8421码端。

灯X1、X2、X3、X4分别代表余三循环码的四位高低电平，灯亮代表高电平1,灯灭代表低电平0.（如下图）输入为8421码制的0111时输出为相对应的余三码制的应为1111，结果如下图：1.74LS74加法器（左图）74LS74减法器（左图）74LS112加法器（下图） 74LS112减法器（下图）74ls160：1.用于快速计数的内部超前进位2.用于n 位级联的进位输出3.同步可编程序4.有置数控制线5.二极管箝位输入6.直接清零同步计数74ls160是十进制计数器，也就是说它只能记十个数从0000-1001（0-9）到9之后再来时钟就回到0，首先是clk，这是时钟。

之后是rco，这是输出，MR是复位低电频有效（图上接线前面花圈的都是低电平有效）load是置数信号，当他为低电平时，在始终作用下读入D0到D3。

为了使161正常工作ENP和ENT接1另外D0到D3是置数端Q0到Q3是输出端。

这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。