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(总结)
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。
新《数字电子技术》课程标准
《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
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”。
中规模计数器
Rd LD ET EP CP A B C D CT = 0 M1 3CT = 9 M2 G3 G4 C5/2,3,4 + 1,5D (1) ( 2) (3) ( 4)
CTRDIV10
Rd LD RCO ET EP CP QA QB QC QD A B C D
5CT = 0 M1 M2 3CT = 15 G3 G4 C5/2,3,4 + 1,5D (1) ( 2) (3) ( 4)
× × × L × × × × × × × L L L L L × × × × × × × L L L 字样，D代表数据(Data)，接收该数据的条件是由M1和C5 H L × × A B C D H L × × A B C D A B C D 决定的，M是方式关联符，即有时钟的上升沿和M1 A B C × H H L × × × × × H H × × × × × 保持 保持 （ LDL =0）才可执行预置数操作。 即1，5D的1和5对应的 H H × L × × × × × H H × L × × × × 保持 保持 M1和C5。 H H H H H L × × × × × × L
4.计数器的进位使能与计数器的级联 图示为三片2/10进制计数器进行级联的连线 图，图中第I片计数器的ET=EP=1，RCO（Ripple carry-out）接第II片的ET端，第II片的RCO接第III 片的ET端。计数器在时钟的作用下从全“0”开始计 数，直至计数到999，RCO起到进位使能的作用。
中规模集成计数器及其应用
应用领域介绍
计数器广泛应用于各种数字系 统和电子设备中，如计算机、
通信、控制等领域。
在计算机中，计数器常用于实 现定时、延时、频率测量等功
能。
在通信领域，计数器可用于实 现数据同步、位同步等功能。
在控制系统中，计数器可用于 实现脉冲计数、位置控制等功 能。
02 中规模集成计数器技术
集成电路技术基础
市场拓展趋势
未来市场拓展将更加注重品牌建设和国际化运营等方面的发展。国内企业将积极加强品牌 建设，提升品牌影响力和竞争力；同时，积极拓展国际市场，加强与国际知名企业的合作 和交流，推动产业的国际化发展进程。
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未来，中规模集成计数器产业将继续保持快速发展态势，技术水平将不断提升，产品种类 将更加丰富。同时，随着下游应用领域的不断拓展和升级，集成计数器产业的市场规模也 将进一步扩大。
技术创新趋势
未来技术创新将更加注重高性能、低功耗、小体积和智能化等方面的发展。同时，随着新 材料、新工艺和新技术的不断涌现和应用，集成计数器的性能和品质也将得到进一步提升 。
检查输入信号是否正确、稳定； 检查计数器的引脚连接是否正确
；检查电源电压是否稳定。
输出波形异常
检查输出引脚是否连接正确； 检查负载是否匹配；检查电源 电压和电流是否满足要求。
芯片损坏
在调试过程中，要特别注意防止静 电、过流、过压等对芯片的损坏； 遇到芯片损坏时，应及时更换。
其他问题
遇到其他问题时，可以根据具 体情况进行分析和处理，或者
在数字钟设计中，利用计数器实现时、分、秒的计时功能，并通 过显示模块将时间显示出来。
案例二
在交通信号灯控制系统中，利用计数器实现红绿灯的定时切换， 确保交通有序进行。
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 (2)
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。
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2．应用举例 （1）同步二进制加法计数
实现四位二进制加法计数
2020/4/13
6
（2）构成16以内的任意进制加法计数器： ① 设计思想：利用脉冲反馈法 用 S0 ， S1 ， S2… ， SM…SN 表 示 输 入 0 ， 1 ，
2，…，N个计数脉冲CP时计数器的状态。 SM可以为S0，但需小于SN。
状态 输出
图3-35 74LS161的外引线图CP输入图3-36 74LS161的逻并辑符行号 输入
表5-14 74LS161的功能表
异步清0功 能最优先
CP上升 沿有效
2020/4/13
同步并 行置数
CO= Q3 Q2 Q1 Q022 74LS161的时序图
5
② 分析74LS161的置数功能：
③ 反馈信号的拾取 可利用与非门拾取状态SN或SN－1 可利用进位输出CO拾取状态1111
2020/4/13
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④ 电路举例（以十进制计数器为例）
十进制计数器的计数状态顺序表
2020/4/13
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图5-23 74LS161构成十进制计数器
利用进位输出CO取状态1111 令D3 D2 D1 D0＝0110 实现十进制计数 （0110到1111）
对于异步置数：在输入第N个计数脉冲CP后，通 过控制电路，利用状态SN产生一个有效置数信号，送 给异步置数端，使计数器立刻返回到初始的预置数状 态SM，即实现了SM～SN-1计数。
对于同步置数：在输入第N－1个计数脉冲CP时， 利用状态SN-1产生一个有效置数信号，送给同步置数控 制端，等到输入第N个计数脉冲CP时，计数器返回到 初始2020的/4/13预置数状态SM，从而实现SM～SN-1计数。 7
5.4
中规模集成计数器及其应用
结束 放映
5.4.2 同步四位二进制计数器74LS161
1. 74LS161的逻辑功能 2. 应用举例
2020/4/13
1
复习
实现异步N进制计数器的级联法 ？ 实现异步N进制计数器的脉冲反馈法？
2020/4/13
2
5.4.2 同步四位二进制计数器74LS161
1. 74LS161的逻辑功能
一般集成计数器都设有级联用的输入端和输出 端。
同步计数器实现的方法： 低位的进位信号→高位的保持功能控制端（相当 于触发器的T端）
有进位时，高位计数功能T ＝1； 无进位时，高位保持功能T ＝0。
2020/4/13
13
用两片CT74LS161级联成16×16进制同步加法计数器
低位片
高位片
在计到1111以前，CO1＝0，高位片保持原状态不变
2020/4/13
16
在计到1111时，CO1＝1，高位片在下一个CP加一 ② 再用脉冲反馈法
2020/4/13
14
例：用两片74LS161级联成五十进制计数器
0010
0011
十进制数50对应的二进制数为0011 0010
实现从0000 0000到0011 0001的50进制计数器
2020/4/13
15
作业题
5-8 5-9 5-10
用74LS161构成从0开始计数的十进制计数器
利用与非门拾取状态1010 实现十进制计数 （0000到1001） 改2020变/4/13与非门的输入信号 ，可以实现其它进制计数12。
（3）利用多片74LS161实现大容量计数 ① 先用级联法 计数器的级联是将多个集成计数器（如M1进制、
M2 进 制 ） 串 接 起 来 ， 以 获 得 计 数 容 量 更 大 的 N （=M1×M2）进制计数器。
改变D 2020/4/13 3 D2 D1 D0的状态，可以实现其它进制计数。10
图5-24 用74LS161构成从0开始计数的十进制计数器
利用与非门拾取状态1001 令D3 D2 D1 D0＝0000 可实现从0开始计数的十进制计数 （0000到1001）
改2020变/4/13与非门的输入信号， 可以实现其它进制计数11。