74LS90工作原理

74LS90是一種廣泛使用的四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，由德州儀器（Texas Instruments）公司生產(chǎn)。它基于LS TTL（低功耗肖特基TTL）邏輯電路制成，具有多種功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。本文將詳細(xì)探討74LS90的工作原理，包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能、工作模式以及應(yīng)用實(shí)例，并力求達(dá)到約3000字的深度解析。

一、74LS90概述

74LS90是一種中規(guī)模集成電路芯片，主要用于計(jì)數(shù)和測(cè)量特定事件發(fā)生的次數(shù)。它采用四個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)單元組成，每個(gè)計(jì)數(shù)單元可以計(jì)數(shù)0到15之間的數(shù)字。此外，74LS90還具備倒計(jì)數(shù)和重新計(jì)數(shù)的功能，這些特點(diǎn)使得它在多種電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

二、74LS90的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳功能

1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

74LS90主要由四個(gè)主從JK觸發(fā)器和一些附加門電路組成。整個(gè)電路可以分為兩部分：其中FA觸發(fā)器構(gòu)成一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；FD、FC、FB則構(gòu)成異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在74LS90中，還設(shè)有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2，以實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)數(shù)邏輯。

2. 引腳功能

74LS90芯片一共有14個(gè)引腳，每個(gè)引腳都承擔(dān)著特定的功能：

• A、B、C、D：這四個(gè)引腳用于設(shè)置初始計(jì)數(shù)值，通過(guò)輸入不同的二進(jìn)制數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)從0到9的計(jì)數(shù)。

• R1、R2、R3、R4：這四個(gè)引腳用于復(fù)位計(jì)數(shù)器。當(dāng)這些引腳接收到低電平信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器將被復(fù)位為0。

• QA、QB、QC、QD：這四個(gè)引腳用于輸出當(dāng)前的計(jì)數(shù)結(jié)果。

• CLK：時(shí)鐘輸入引腳，用于輸入時(shí)鐘信號(hào)以觸發(fā)計(jì)數(shù)動(dòng)作。

• Vcc：電源引腳，為芯片提供工作電壓。

• 其他引腳：如R0、R9等在某些特定的工作模式下使用，用于檢測(cè)計(jì)數(shù)溢出或提供其他控制功能。

三、74LS90的工作模式

74LS90具有多種工作模式，包括五分頻、十分頻（8421碼）、六分頻、九分頻和十分頻（5421碼）等。這些模式通過(guò)設(shè)置不同的引腳狀態(tài)和連接方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1. 五分頻模式

在五分頻模式下，74LS90的FD、FC、FB三個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成異步五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。輸入時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)CLK引腳輸入，每當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到4（即二進(jìn)制100）時(shí)，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖將使計(jì)數(shù)器復(fù)位為0，從而實(shí)現(xiàn)五分頻功能。

2. 十分頻（8421碼）模式

在十分頻（8421碼）模式下，QA引腳與CLK2（某些版本可能標(biāo)記為CK2）引腳連接，構(gòu)成8421碼十分頻電路。此時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍從0到9（二進(jìn)制0000到1001），每當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到9時(shí)，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖將使計(jì)數(shù)器復(fù)位為0，從而實(shí)現(xiàn)十分頻功能。

3. 六分頻和九分頻模式

六分頻和九分頻模式是在十分頻（8421碼）的基礎(chǔ)上通過(guò)增加復(fù)位邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在六分頻模式下，QB端接R1，QC端接R2，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到5（二進(jìn)制101）時(shí)，QB和QC的高電平信號(hào)將觸發(fā)復(fù)位邏輯，使計(jì)數(shù)器復(fù)位為0。九分頻模式的實(shí)現(xiàn)原理類似，只是復(fù)位條件不同。

4. 十分頻（5421碼）模式

在十分頻（5421碼）模式下，五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端QD接二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的脈沖輸入端CK1（或CLK1），從而構(gòu)成5421碼十分頻電路。此時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)順序?yàn)?-4-9-D（不定狀態(tài)）-3-8-2-7-1-6-5-A（進(jìn)位），其中A表示進(jìn)位輸出，不直接參與計(jì)數(shù)。

四、74LS90的工作原理詳解

74LS90的工作原理是異步的，其計(jì)數(shù)過(guò)程受計(jì)數(shù)器前面的計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)值的影響。每當(dāng)計(jì)數(shù)器的某個(gè)計(jì)數(shù)單元計(jì)數(shù)到最大值15（二進(jìn)制1111），它會(huì)將計(jì)數(shù)器的后面一個(gè)計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)值加一（如果后面計(jì)數(shù)單元的計(jì)數(shù)值不是最大值15），而這個(gè)計(jì)數(shù)單元?jiǎng)t會(huì)從最小值0開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。

具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)CLK引腳接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的輸入和之前的狀態(tài)進(jìn)行更新。在74LS90中，這個(gè)更新過(guò)程主要依賴于JK觸發(fā)器的特性，即它們可以根據(jù)J和K輸入端的信號(hào)來(lái)決定在時(shí)鐘脈沖的上升沿（或下降沿，具體取決于觸發(fā)器的類型，但74LS90通常使用上升沿）到來(lái)時(shí)，Q端的狀態(tài)是保持不變、置1、置0還是翻轉(zhuǎn)。

然而，在74LS90內(nèi)部，這些JK觸發(fā)器被配置成了特定的模式，使得它們的行為更接近于簡(jiǎn)單的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。特別是，當(dāng)用作二進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，J和K輸入通常被固定連接到邏輯高（Vcc）或邏輯低（GND），從而簡(jiǎn)化觸發(fā)器的行為。

在74LS90的常規(guī)二進(jìn)制計(jì)數(shù)模式下，計(jì)數(shù)器從0（0000）開(kāi)始計(jì)數(shù)，每次時(shí)鐘脈沖使最低有效位（LSB，即QA）翻轉(zhuǎn)，直到它達(dá)到1（0001）。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，QA的翻轉(zhuǎn)將不再影響計(jì)數(shù)器的值（因?yàn)樗呀?jīng)回到了0），而是觸發(fā)下一個(gè)更高位（QB）的翻轉(zhuǎn)。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到所有四位都翻轉(zhuǎn)，此時(shí)計(jì)數(shù)器將回到0并可能產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)（如果芯片設(shè)計(jì)有進(jìn)位輸出）。

然而，由于74LS90具有多種工作模式，包括五進(jìn)制、六進(jìn)制、九進(jìn)制等，因此其內(nèi)部邏輯會(huì)根據(jù)所選的工作模式進(jìn)行調(diào)整。例如，在五分頻模式下，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到4（即二進(jìn)制100）時(shí)，內(nèi)部邏輯會(huì)檢測(cè)到這個(gè)狀態(tài)，并在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)自動(dòng)將計(jì)數(shù)器復(fù)位到0，而不是繼續(xù)增加到5。

為了實(shí)現(xiàn)這些特殊的工作模式，74LS90內(nèi)部包含了一些額外的邏輯門電路，用于檢測(cè)計(jì)數(shù)器的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)需要產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)或控制其他觸發(fā)器的行為。這些邏輯門電路通常與計(jì)數(shù)器的輸出端相連，以便實(shí)時(shí)監(jiān)視計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。

此外，74LS90還提供了同步或異步復(fù)位功能。在同步復(fù)位模式下，復(fù)位信號(hào)需要在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿到來(lái)時(shí)才能生效；而在異步復(fù)位模式下，復(fù)位信號(hào)可以立即將計(jì)數(shù)器復(fù)位到初始狀態(tài)，而無(wú)需等待時(shí)鐘脈沖的到來(lái)。這種靈活性使得74LS90能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)要求。

五、74LS90的應(yīng)用實(shí)例

74LS90由于其靈活性和多功能性，在電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。以下是一些典型的應(yīng)用實(shí)例：

1. 定時(shí)器：通過(guò)連接一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘源到CLK引腳，74LS90可以作為一個(gè)定時(shí)器來(lái)使用。通過(guò)調(diào)整時(shí)鐘源的頻率和計(jì)數(shù)器的初始值，可以精確控制定時(shí)器的計(jì)時(shí)長(zhǎng)度。

2. 分頻器：在數(shù)字電路中，經(jīng)常需要將一個(gè)高頻時(shí)鐘信號(hào)分頻為較低頻率的信號(hào)。74LS90可以很容易地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通過(guò)選擇合適的計(jì)數(shù)模式和初始值，可以將輸入的時(shí)鐘信號(hào)分頻為所需的頻率。

3. 計(jì)數(shù)器：作為其基本功能之一，74LS90可以直接用于計(jì)數(shù)特定事件的發(fā)生次數(shù)。例如，在自動(dòng)售貨機(jī)中，可以使用74LS90來(lái)計(jì)數(shù)投入的硬幣數(shù)量；在電子秤中，則可以使用它來(lái)計(jì)數(shù)物品的數(shù)量或重量。

4. 狀態(tài)機(jī)：在更復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中，74LS90可以與其他邏輯電路一起構(gòu)成狀態(tài)機(jī)。通過(guò)編程計(jì)數(shù)器的初始值和復(fù)位條件，可以定義系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的行為。

5. 脈沖發(fā)生器：通過(guò)配置74LS90的計(jì)數(shù)模式和復(fù)位邏輯，可以生成具有特定周期和占空比的脈沖信號(hào)。這種脈沖信號(hào)在測(cè)試、測(cè)量和控制系統(tǒng)中非常有用。

六、總結(jié)

74LS90作為一種功能強(qiáng)大的四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片，在電子系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、引腳功能和工作原理，我們可以更好地利用它的特性來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字電路和系統(tǒng)。同時(shí)，隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，74LS90也在不斷演進(jìn)和升級(jí)，以適應(yīng)更加復(fù)雜和多樣化的應(yīng)用需求。在未來(lái)的電子設(shè)計(jì)中，74LS90及其衍生產(chǎn)品將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。