74LS90工作原理

74LS90是一種廣泛使用的四位二進制計數器，由德州儀器（Texas Instruments）公司生產。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用領域。本文將詳細探討74LS90的工作原理，包括其內部結構、引腳功能、工作模式以及應用實例，并力求達到約3000字的深度解析。

一、74LS90概述

74LS90是一種中規模集成電路芯片，主要用于計數和測量特定事件發生的次數。它采用四個獨立的計數單元組成，每個計數單元可以計數0到15之間的數字。此外，74LS90還具備倒計數和重新計數的功能，這些特點使得它在多種電子系統中得到廣泛應用。

二、74LS90的內部結構與引腳功能

1. 內部結構

74LS90主要由四個主從JK觸發器和一些附加門電路組成。整個電路可以分為兩部分：其中FA觸發器構成一位二進制計數器；FD、FC、FB則構成異步五進制計數器。在74LS90中，還設有專用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2，以實現特定的計數邏輯。

2. 引腳功能

74LS90芯片一共有14個引腳，每個引腳都承擔著特定的功能：

• A、B、C、D：這四個引腳用于設置初始計數值，通過輸入不同的二進制數，可以實現從0到9的計數。

• R1、R2、R3、R4：這四個引腳用于復位計數器。當這些引腳接收到低電平信號時，計數器將被復位為0。

• QA、QB、QC、QD：這四個引腳用于輸出當前的計數結果。

• CLK：時鐘輸入引腳，用于輸入時鐘信號以觸發計數動作。

• 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，用于檢測計數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。這些模式通過設置不同的引腳狀態和連接方式來實現。

1. 五分頻模式

在五分頻模式下，74LS90的FD、FC、FB三個觸發器構成異步五進制計數器。輸入時鐘信號通過CLK引腳輸入，每當計數器計數到4（即二進制100）時，下一個時鐘脈沖將使計數器復位為0，從而實現五分頻功能。

2. 十分頻（8421碼）模式

在十分頻（8421碼）模式下，QA引腳與CLK2（某些版本可能標記為CK2）引腳連接，構成8421碼十分頻電路。此時，計數器的計數范圍從0到9（二進制0000到1001），每當計數器計數到9時，下一個時鐘脈沖將使計數器復位為0，從而實現十分頻功能。

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）的基礎上通過增加復位邏輯來實現的。在六分頻模式下，QB端接R1，QC端接R2，當計數器計數到5（二進制101）時，QB和QC的高電平信號將觸發復位邏輯，使計數器復位為0。九分頻模式的實現原理類似，只是復位條件不同。

4. 十分頻（5421碼）模式

在十分頻（5421碼）模式下，五進制計數器的輸出端QD接二進制計數器的脈沖輸入端CK1（或CLK1），從而構成5421碼十分頻電路。此時，計數器的計數順序為0-4-9-D（不定狀態）-3-8-2-7-1-6-5-A（進位），其中A表示進位輸出，不直接參與計數。

四、74LS90的工作原理詳解

74LS90的工作原理是異步的，其計數過程受計數器前面的計數單元的計數值的影響。每當計數器的某個計數單元計數到最大值15（二進制1111），它會將計數器的后面一個計數單元的計數值加一（如果后面計數單元的計數值不是最大值15），而這個計數單元則會從最小值0開始重新計數。

具體來說，當CLK引腳接收到一個時鐘脈沖信號時，觸發器的狀態會根據當前的輸入和之前的狀態進行更新。在74LS90中，這個更新過程主要依賴于JK觸發器的特性，即它們可以根據J和K輸入端的信號來決定在時鐘脈沖的上升沿（或下降沿，具體取決于觸發器的類型，但74LS90通常使用上升沿）到來時，Q端的狀態是保持不變、置1、置0還是翻轉。

然而，在74LS90內部，這些JK觸發器被配置成了特定的模式，使得它們的行為更接近于簡單的二進制計數器。特別是，當用作二進制計數器時，J和K輸入通常被固定連接到邏輯高（Vcc）或邏輯低（GND），從而簡化觸發器的行為。

在74LS90的常規二進制計數模式下，計數器從0（0000）開始計數，每次時鐘脈沖使最低有效位（LSB，即QA）翻轉，直到它達到1（0001）。當下一個時鐘脈沖到來時，QA的翻轉將不再影響計數器的值（因為它已經回到了0），而是觸發下一個更高位（QB）的翻轉。這個過程一直持續到所有四位都翻轉，此時計數器將回到0并可能產生進位信號（如果芯片設計有進位輸出）。

然而，由于74LS90具有多種工作模式，包括五進制、六進制、九進制等，因此其內部邏輯會根據所選的工作模式進行調整。例如，在五分頻模式下，當計數器達到4（即二進制100）時，內部邏輯會檢測到這個狀態，并在下一個時鐘脈沖到來時自動將計數器復位到0，而不是繼續增加到5。

為了實現這些特殊的工作模式，74LS90內部包含了一些額外的邏輯門電路，用于檢測計數器的當前狀態，并根據需要產生復位信號或控制其他觸發器的行為。這些邏輯門電路通常與計數器的輸出端相連，以便實時監視計數器的狀態。

此外，74LS90還提供了同步或異步復位功能。在同步復位模式下，復位信號需要在時鐘脈沖的上升沿或下降沿到來時才能生效；而在異步復位模式下，復位信號可以立即將計數器復位到初始狀態，而無需等待時鐘脈沖的到來。這種靈活性使得74LS90能夠適應不同的應用場景和設計要求。

五、74LS90的應用實例

74LS90由于其靈活性和多功能性，在電子系統中有著廣泛的應用。以下是一些典型的應用實例：

1. 定時器：通過連接一個穩定的時鐘源到CLK引腳，74LS90可以作為一個定時器來使用。通過調整時鐘源的頻率和計數器的初始值，可以精確控制定時器的計時長度。

2. 分頻器：在數字電路中，經常需要將一個高頻時鐘信號分頻為較低頻率的信號。74LS90可以很容易地實現這一點，通過選擇合適的計數模式和初始值，可以將輸入的時鐘信號分頻為所需的頻率。

3. 計數器：作為其基本功能之一，74LS90可以直接用于計數特定事件的發生次數。例如，在自動售貨機中，可以使用74LS90來計數投入的硬幣數量；在電子秤中，則可以使用它來計數物品的數量或重量。

4. 狀態機：在更復雜的數字系統中，74LS90可以與其他邏輯電路一起構成狀態機。通過編程計數器的初始值和復位條件，可以定義系統在不同狀態下的行為。

5. 脈沖發生器：通過配置74LS90的計數模式和復位邏輯，可以生成具有特定周期和占空比的脈沖信號。這種脈沖信號在測試、測量和控制系統中非常有用。

六、總結

74LS90作為一種功能強大的四位二進制計數器芯片，在電子系統中具有廣泛的應用前景。通過了解其內部結構、引腳功能和工作原理，我們可以更好地利用它的特性來設計和實現各種數字電路和系統。同時，隨著數字技術的不斷發展，74LS90也在不斷演進和升級，以適應更加復雜和多樣化的應用需求。在未來的電子設計中，74LS90及其衍生產品將繼續發揮重要作用。