SMI计数器的应用设计

摘 要： 通过对比分析汇总若干常用的中规模集成（SMI）计数器，并通过实例得出灵活设计任意进制计数器的方法。

关键词： SMI任意进制计数器；清零置数级联；设计

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2012）1110054-02

0 引言

计数器是最常用的时序逻辑电路，在数字电子技术课程中占有非常重要的地位。集成计数器的灵活应用是计数器部分的教学目标。目前大多数的教材中都会花大量篇幅介绍大量的电路和集成芯片，学生学习起来难以快速掌握。本文汇总各种常见的SMI计数器，对比分析总结各种计数器的功能区别，并通过设计实例得到快速、灵活掌握任意进制计数器的实现方法。

1 常见SMI计数器

计数器的种类非常繁多。按计数器中的各个触发器是否同时翻转分为同步计数器和异步计数器。按计数过程中数值的增减可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。按计数容量可分为十进制计数器，十六进制计数器，任意进制计数器。

74系列SMI同步计数器是目前集成计数器的主流产品。常见的SMI同步计数器型号有160/161/162/163/190/191/192/193。

其中，160/161/162/163是同步加法计数器，同步可逆（加/减）计数器型号是190/191/192/193。常见的SMI异步计数器有74LS290/293等。

161/163/191/193/293等型号是奇数的为四位二进制计数器，也称十六进制计数器，160/162/190/192/290等型号是偶数的为十进制计数器。它们的引脚如图1（a）-（e）所示。

SMI计数器一般有：清零、置数、计数、保持四种功能。清零和置数信号有异步和同步之分：与CP无关，称为异步；在CP有效沿动作，称为同步。清零信号和置数信号的同步异步对于实现任意进制计数器是非常重要的，不同型号总结如表1所示：

2 任意进制计数器的设计

假设需要得到的是M进制计数器，已有的是N进制计数器。第一步，确定芯片数目；第二步，若K=1，利用反馈法实现M进制计数器，若k>1，采用先级联后反馈的方式实现M进制，具体做法是：先将这K片连接成，然后采用整体反馈法实现M进制计数器。主要思想是：在Nk进制计数的过程中，设法使之跳越Nk-M个状态，就可以得到M进制的计数器。

2.1 确定芯片数目k

当M≤N时，只要一片N进制计数器就可以实现，当N

2.2 设计M111111

2.2.1 反馈方式

若MIN，此时K=1，用反馈法可以实现M进制计数。反馈信号加在清零端RD'称反馈清零法（也称复位法），反馈信号加在置位端LD'称反馈置数法（也成置位法）。根据清零和置位信号是同步还是异步，分为同步反馈和异步反馈。同步反馈时，清零信号是SM-1，异步反馈时，清零信号是SM。

图2和图3都是用161构成十进制计数器。161的RD'是异步清零端，RD'=0的信号应从SM=1010译出，清零函数RD'=（Q3Q1）'，即当计数器加计数到1010时，由于RD'=0立即有效，计数器被直接置为0000状态。其电路图和状态转换图如图2所示。

161的LD'是同步置数端。要实现和图2相同的有效状态序列，LD'=0的信号应从SM-1=1001状态译出，LD'=（Q3Q0）'，待下一个CP信号到来时，才将要预置的数据置入计数器中。电路图如图3（a）所示。图3（b）输出端计数到1010后再来一个CP上升沿，计数器就被置为Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0=0001所以电路的状态转换顺序是：00010010001101000101011001111000100110100001。

2.2.2 级联方式

若M>N，则k>1，需要2片或者多片用先级联再反馈的方式实现M进制计数电路。

1）级联，构成Nk进制计数器。K片之间的有并行进位方式、串行进位方式。以两片74LS160构成一百进制计数器为例，并行连接方式如图4所示，串行连接方式如图5所示。

图4可以看出，低位片即160（1）时钟处于计数状态，在低位片计数到9（1001）时，其进位C从0变为1，高位片即160（2）的计数控制端EP=ET=C=1，将在下个CP信号到达时开始计数加1，同时低位片加1到0（0000），C从1变为0，高位片停止计数，如此反复，构成一百进制计数器。由于160本身是同步计数器，2片160的CP又接在了一起，该电路也称同步一百进制计数器。

图5采用异步计数的思想，给不同的时钟信号实现2片160不同时计数，两片的计数控制端接高电平，始终处于计数状态。在低位片计数到9（1001）时，其进位C从0变为1，经反相器后高位片的CP为0，下一个CP到达后，低位片加1到0，其C由1变0，高位片的CP出现一个上升沿，于是高位片加1计数。该电路也称异步一百进制计数器。

2）反馈，构成M进制计数器。在进制Nk的基础上，利用反馈方法可以实现Nk以内任意进制计数器。以2片为例，图6是2片163同步方式级联，其同步清零函数RD'=（Q6Q4Q2）'，SM-1=01010100B，M-1对应十进制值84，该电路为八十五进制计数器。

如图7所示：2片74LS290各自接成十进制计数器，片（1）的Q3接片（2）的CP0，采用的是串接方式级联。290的异步清零信号ROA`ROB=（（Q5Q1Q0）'）'，SM=（00100011）BCD，M对应十进制值23，该电路为二十三进制计数器。

图8中，两片192首先串行接法级联形成一百进制计数器，异步置数反馈信号LD'=BO'，即当计数器减计数到0时，片（2）的B0'输出低电平，LD'有效，计数器输出Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=D7D6D5

D4D3D2D1D0，SM=（01100000）BCD，M对应十进制值60，该电路为六十进制计数器。

当M=M1*M2时，也可以将2片各自接成M1和M2进制，然后级联实现M进制计数器。

2.2.3 反馈清零法和反馈置数法的比较

两种方法的主要思想是一致的：在Nk进制计数的过程中，设法使之跳越Nk-M个状态，就可以得到M进制的计数器。两种方法的区别在：

1）反馈清零法是计数状态一定包含了零态，而反馈置数法不一定包含零态。

2）反馈置数法只适用于有预置数功能的计数器芯片，而反馈清零法适用于所有计数器芯片。

3）不管是置数法还是清零法，反馈函数的表达式只跟反馈信号的同步或异步有关。反馈信号同步，则反馈函数对应状态是SM-1；反馈信号异步，则反馈函数对应状态是SM。

4）在异步反馈中，由于清零信号随着计数器被清零而立即消失，如果触发器的复位速度有快有慢，则可能动作慢的触发器还没来得及复位，清零信号已消失，导致电路误动作。因此，其可靠性不高。通常在反馈门输出端加一个SR锁存器，延长清零信号的宽度，从而保证可靠的清零。同步反馈则不存在这个问题。

2.3 进位输出信号的实现

N进制的计数器是在Sn-1的时候进位输出1，在反馈清零法中，有时不出现Sn-1，因而它的C端不能给出进位信号。因此，如果RD'和LD'是同步反馈，进位输出端可以直接从反馈门的输出引出。如图2和图7的进位输出。如果是异步反馈，且要求输出信号要持续一个时钟周期，则应另外加门电路，从Sm-1译出，如图3和图6的进位输出。

3 总结

SMI计数器及其应用是数字电子技术的重点内容，本文通过对不同型号常见计数器的对比分析，给出灵活实现任意计数器的方法。原来，计数器这样简单。

参考文献：

[1]阎石，《数字电子技术基础》，高等教育出版社，2010.

[2]杨志忠，《数字电子技术基础》，高等教育出版社，2008.

[3]李精华，任意进制计数器的仿真设计与制作[J].桂林师范高等专科学校学报，2011.01.

[4]何燎武，公交车电子计数器的研究与设计[J].软件开发与设计，2011.08.

[5]胡宝明、黄双根、马文烈，一款简易十进制计数器的制作[J].电子世界，2012.06.