74LS163计数器及其应用(数字电路学习第二弹)
概述
在前面的课程中，讨论了用基本的触发器设计减法计数器，也提到了其缺陷，即只有脉冲输入，没有其它输入，不受控。因此，硬件工程师根据设计中常用的电路设计了163计数器，本节内容首先介绍74LS163的基本功能，然后以163为基础设计一个分频器和一个2421码模8电路（重点讲设计思路，verilog程序请自行完成）。
74LS163计数器
74LS163计数器有5个控制端、4个数据输入端和5个输出端，其逻辑功能和对应的逻辑符号如下图1和图2所示：
图1：74LS163功能表
图2：74LS163的逻辑符号
RCO表示进位，其语义为：当从0000~1111计满一轮，并且ENT为1时，RCO为1，其它时候均为0.
由图1，74LS163具有置位、保持、加1计数等功能，在这些功能的基础上，可以完成相对复杂的电路。
例1：以74LS163为基础设计一个6分频电路
首先，需要明白什么叫分频，图3展示了分频的效果：
图3：74LS163的波形图
分频通常以CP（时钟脉冲）为基础，从图3中可以看出：qout[0]的周期为CP的2倍，qout[1]的周期为CP的4倍，qout[2]位8倍，qout[3]为16倍，显然，其频率分别为CP的1/2, 1/4, 1/8, 1/16，即所谓的2-分频，4-分频，8-分频，16-分频。
再进一步分析，对于qout[0]，其变化为：当一个时钟脉冲来临时，qout[0]变化一次；对于qout[1]，每两个时钟脉冲，qout[1]值变化一次；对于qout[2]，每四个时钟脉冲，qout[2]值变化一次；对于qout[3]，每8个时钟脉冲，qout[3]值变化一次。依次类推，如果要做6分频，显然应该是每3个时钟脉冲，值变化一次，如何用74LS163来做6-分频呢？
显然，这个问题变为：如何使74LS163中的某一位每3个时钟脉冲跳变一次。显然，只有QD和QC这两位的变化可能满足（QB每两个脉冲跳变一次，QA每个脉冲跳变一次），如果选择QC，显然可以找出一个序列：
0000 ---> 0001 ---> 0010 ---> 1101 ---> 1110 --->1111 --->0000 ---> ...
对于QC，先是3个0，然后是3个1，开始循环，正好是6分频。仔细观察，发现这个循环对于QD也是6分频。
针对上面分析得到的状态迁移序列，如何用74LS163来实现呢？对于前半部0000 ---> 0001 ---> 0010，执行的是正常的计数功能，对于后半部1101 ---> 1110 --->1111（ --->0000），执行的也是正常的计数功能，只有0010 ---> 1101是一个跳跃，即当计数器状态为0010时，下一个状态需要用到163计数器的并行置数功能，因此，需要对163的计数器的输出进行判断，当输出为0010时，用1101对电路进行置数（确保下一时刻电路状态为1101）。
在此分析的基础上，其电路图如图4所示：
图4:6-分频电路
例2:2421码的模8电路
假设要求模8的状态序列如下图5所示：
图5:2421码模8状态迁移图
在图5中，模8的状态迁移序列为:
0001 ---> 0010 ---> 0011 ---> 0100 ---> 1011 ---> 1100 ---> 1101 ---> 1110 ---> 0001 ---> ...
即：初始状态为0001，当状态为1110时，一轮计满并迁移到状态0001。
这个状态迁移序列中，需要注意的地方包括：
初始状态为0001，即初始时需要置位
序列前半部分 0001 ---> 0010 ---> 0011 ---> 0100和序列后半部分1011 ---> 1100 ---> 1101 ---> 1110执行的是正常的计数功能
0100 ---> 1011有状态跳跃，在到达状态0100时，需要置数；1110 ---> 0001，即记录一轮满时，需要置数
从上面的分析中得知，这个电路中存在两次置数，一次为初始状态的置数，另一个则为0100 ---> 1011状态迁移时的置数，并且两次需要置的数值是不一样的，其它情况正常计数。因此，置数的时候需要作二选一，即从两个数中选择一个置数，需要一个二选一的选择器；另外，还要确定置数的时机，显然，当状态为1110时，需要置数为0001，当状态为0100时，需要置数为1011。
由上分析可知，其对应的电路图如图6所示：
图6:2421码模8计数器
小结
上面两个例子都是相对较难的例子，需要综合前面学习的组合电路，要求对组合电路和时序电路的基本功能非常熟悉。其基本思路相对而言，比较明晰，把需要跳转的状态找出来，然后需要置位的状态进行相应的设置即可。
如有错误，请各位批评指正！谢谢！
文／CodingTech（简书作者），高校计算机教师，除了教学科研之外，也做IT类的创业，公益性普及计算机基本知识，昨天的文章《数字电路学不好？是因为你不懂时序，重点已划》也由CodingTech发表。
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