环形计数器

环形计数器是由移位寄存器加上一定的反馈电路构成的，用移位寄存器构成环形计数器的一般框图见图23-5-1，它是由一个移位寄存器和一个组合反馈逻辑电路闭环构成，反馈电路的输出接向移位寄存器的串行输入端，反馈电路的输入端根据移位寄存器计数器类型的不同，可接向移位寄

存器的串行输出端或某些触发器的输出端。

图23-5-1 移位寄存器型计数器方框图

23.5.1 环形计数器

23.5.1.1 电路工作原理

图23-5-2为一个四位环形计数器，它是把移位寄存器最低一位的串行输出端Q1反馈到最高位的串行输入端（即D触发器的数据端）而构成的，环形计数器常用来实现脉冲顺序分配的功能

（分配器）。

假设寄存器初始状态为[Q4Q3Q2Q1]＝1000，那么在移位脉冲的作用下，其状态将按表23-11

中的顺序转换。

当第三个移位脉冲到来后，Q1=1，它反馈到D4输入端，在第四个移位脉冲作用下Q4=1，回复到初始状态。表23-11中的各状态将在移位脉冲作用下，反复在四位移位寄存器中不断循环。

由上述讲讨论可知，该环形计数的计数长度为N=n。和二进制计数器相比，它有2n-n个状态

没有利用，它利用的有效状态是少的。

23.5.1.2 状态转换图和工作时序

表23-11中是以1000为初始状态的，它所对应的状态转换图见图23-5-3。如果移位寄存器中的初始状态不同，就会有不同的状态转换图。图23-5-4给出了四位环形计数器可能有的其它几

种状态转换图。

图23-5-3 状态转换图

(a) (b) (c) (d)

图23-5-4 四位环行计数器其它的状态转换图

图23-5-4(a)、(b)、(c)三个状态转换图中各状态是闭合的，相应的时序为循环时序。当计数器处于图23-5-4(d)所示的状态0000或1111时，计数器的状态将不发生变化。这两个状态称为悬

态或死态。

四位环形计数器可能有这么多不同的循环时序，是我们不希望的，只能从这些循环时序中选出一个来工作，这就是工作时序，或称为正常时序，或有效时序。其它末被选中的循环时序称为异常时序或无效时序。一般选图23-5-3的时序为工作时序，因为它只循环一个“1”，不用经过译码就可从各触发器的Q端得到顺序脉冲输出，参看图23-5-5。

图23-5-5 四位环形的计数器的输出波形（正常时序）

也可选图23-5-4(a)的时序作为工作时序，它循环的是一个“0”，顺序输出一个负脉冲。

23.5.1.3 如何保证正常时序

对于图23-5-2这种结构的计数器，可能存在两个以上的循环时序。要想使环形计器在选定的时序中工作，就必须防止异常时序和死态的出现，方法有两种。

第一种是利用触发器的直接置位端和直接复位端，将计数器的状态预置到正常时序中的某一个状态上去。这种方法虽然简单，但有两个缺点。其一，电路在工作中一旦受干扰脱离了正常时序，就不能自动返回；其二，对于中规模电路，由于受到引出线的限制，一个单片中的几个触发器不会同时引出直接置位端和直接复位端，因而不能采用预置的办法对某一级单独置“0”或是置

“1”。

第二种是利用外接反馈逻辑电路的办法，使计数器自动进入正常时序。所以这种电路即使受干扰脱离了正常时序也能自动返回。这一性能称为自行启动。图23-5-6的电路是具有自启动能力的

四位环形计数器。

图23-5-6 能自启动的四位环行计数器

比较图23-5-2和图23-5-6这两种电路，可以看出后者是将Q1到D4的反馈线断开，按D4=

设置新的反馈逻辑而组成的。计数器启动后，若Q4、Q3、Q2不同时为“0”，则D4=0。那么，下一时钟作用后Q4转换为“0”，只要Q4、Q3、Q2仍不同时为“0”，D4仍为“0”，再一个时钟作用后，Q4=Q3=0。所以计数器启动后，不管处于什么状态，最多经过三拍（三个时钟节拍）

电路就可进入有效工作时序。若计数器通电后，处于[0000]态，那么D4= =1，下一时钟作用后，即可进入有效时序的[1000]状态。具体参见状态转换图23-5-7，图中只有一个循环时序，即工作时序，其它12个状态都与工作时序相连接，具体转换关系见表23-12。

23.5.2 扭环型环形计数器

图23-5-8是另一种常用的环形计数器，称为扭环型计数器，与图23-5-6的不同之处是从

端反馈到D4端，从Q1端扭向端构成反馈，故得此名。扭环型计数器也称约翰逊计数器。

23.5.2.1 工作原理

图23-5-8电路的状态转换图见图23-5-9。它的循环时序有两个，一般选图(a)的为工作时序，因为它符合相邻两个数码之间只有一位码元不同的特点。

约翰逊计数器的计数长度N=2n，因为移位寄存器串行输入端的信号是从反相端处取得的。经过n个时钟后，计数器的状态与初始状态正好相反，必须再经过n个时钟后才能扭回原状

态。

对于正常时序，约翰逊计数器的译码也不复杂，不管位数多少，每一状态由两位就可确定，

参看表23-13。

23.5.2.2 能自启动的扭环形计数器*

约翰逊计数器有2n个有效状态，多余状态为2n-2n个，也存在自行启动的问题，附加反馈逻辑也可使约翰逊计数器自行启动。具体原则就是使非工作时序中的状态向正常时序过渡，能自启动

的反馈逻辑可通过如下过程确定：

在真值表表23-14中的非工作时序有一部分可以一拍就进入工作时序的状态，即破坏正常的反馈

逻辑F= 所确定的反馈值。需要修改反馈为“1”者，在旁边填上s；需要修改反馈为“0”者，在旁边填上r。填有小写字母的状态就是异常时序被拆开进入正常时序突破口处的状态。

对于不能一拍进入工作时序的状态，仍按反馈逻辑F= 填写F的真值，待其转换到突破口处，就可进入工作时序。将真值表23-14填入卡诺图，突破口至少要选择一个，至于选择几个突破口要以在卡诺图上使反馈函数最简来确定。按图23-5-10的卡诺图确定的反馈逻辑，可使反馈函数

最简。于是有

图23-5-11是能自启动的扭环型计数器的完整状态转换图，图23-5-12是能自启动的扭环型计

数器的逻辑图。

图23-5-10 F卡诺图图23-5-11 能自启动的完整状态转换图

图23-5-12 能自启动的扭环型计数器