74LS90工作原理

74LS90是一种广泛使用的四位二进制计数器，由德州仪器（Texas Instruments）公司生产。它基于LS TTL（低功耗肖特基TTL）逻辑电路制成，具有多种功能和广泛的应用领域。本文将详细探讨74LS90的工作原理，包括其内部结构、引脚功能、工作模式以及应用实例，并力求达到约3000字的深度解析。

一、74LS90概述

74LS90是一种中规模集成电路芯片，主要用于计数和测量特定事件发生的次数。它采用四个独立的计数单元组成，每个计数单元可以计数0到15之间的数字。此外，74LS90还具备倒计数和重新计数的功能，这些特点使得它在多种电子系统中得到广泛应用。

二、74LS90的内部结构与引脚功能

1. 内部结构

74LS90主要由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成。整个电路可以分为两部分：其中FA触发器构成一位二进制计数器；FD、FC、FB则构成异步五进制计数器。在74LS90中，还设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2，以实现特定的计数逻辑。

2. 引脚功能

74LS90芯片一共有14个引脚，每个引脚都承担着特定的功能：

• A、B、C、D：这四个引脚用于设置初始计数值，通过输入不同的二进制数，可以实现从0到9的计数。

• R1、R2、R3、R4：这四个引脚用于复位计数器。当这些引脚接收到低电平信号时，计数器将被复位为0。

• QA、QB、QC、QD：这四个引脚用于输出当前的计数结果。

• CLK：时钟输入引脚，用于输入时钟信号以触发计数动作。

• Vcc：电源引脚，为芯片提供工作电压。

• 其他引脚：如R0、R9等在某些特定的工作模式下使用，用于检测计数溢出或提供其他控制功能。

三、74LS90的工作模式

74LS90具有多种工作模式，包括五分频、十分频（8421码）、六分频、九分频和十分频（5421码）等。这些模式通过设置不同的引脚状态和连接方式来实现。

1. 五分频模式

在五分频模式下，74LS90的FD、FC、FB三个触发器构成异步五进制计数器。输入时钟信号通过CLK引脚输入，每当计数器计数到4（即二进制100）时，下一个时钟脉冲将使计数器复位为0，从而实现五分频功能。

2. 十分频（8421码）模式

在十分频（8421码）模式下，QA引脚与CLK2（某些版本可能标记为CK2）引脚连接，构成8421码十分频电路。此时，计数器的计数范围从0到9（二进制0000到1001），每当计数器计数到9时，下一个时钟脉冲将使计数器复位为0，从而实现十分频功能。

3. 六分频和九分频模式

六分频和九分频模式是在十分频（8421码）的基础上通过增加复位逻辑来实现的。在六分频模式下，QB端接R1，QC端接R2，当计数器计数到5（二进制101）时，QB和QC的高电平信号将触发复位逻辑，使计数器复位为0。九分频模式的实现原理类似，只是复位条件不同。

4. 十分频（5421码）模式

在十分频（5421码）模式下，五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1（或CLK1），从而构成5421码十分频电路。此时，计数器的计数顺序为0-4-9-D（不定状态）-3-8-2-7-1-6-5-A（进位），其中A表示进位输出，不直接参与计数。

四、74LS90的工作原理详解

74LS90的工作原理是异步的，其计数过程受计数器前面的计数单元的计数值的影响。每当计数器的某个计数单元计数到最大值15（二进制1111），它会将计数器的后面一个计数单元的计数值加一（如果后面计数单元的计数值不是最大值15），而这个计数单元则会从最小值0开始重新计数。

具体来说，当CLK引脚接收到一个时钟脉冲信号时，触发器的状态会根据当前的输入和之前的状态进行更新。在74LS90中，这个更新过程主要依赖于JK触发器的特性，即它们可以根据J和K输入端的信号来决定在时钟脉冲的上升沿（或下降沿，具体取决于触发器的类型，但74LS90通常使用上升沿）到来时，Q端的状态是保持不变、置1、置0还是翻转。

然而，在74LS90内部，这些JK触发器被配置成了特定的模式，使得它们的行为更接近于简单的二进制计数器。特别是，当用作二进制计数器时，J和K输入通常被固定连接到逻辑高（Vcc）或逻辑低（GND），从而简化触发器的行为。

在74LS90的常规二进制计数模式下，计数器从0（0000）开始计数，每次时钟脉冲使最低有效位（LSB，即QA）翻转，直到它达到1（0001）。当下一个时钟脉冲到来时，QA的翻转将不再影响计数器的值（因为它已经回到了0），而是触发下一个更高位（QB）的翻转。这个过程一直持续到所有四位都翻转，此时计数器将回到0并可能产生进位信号（如果芯片设计有进位输出）。

然而，由于74LS90具有多种工作模式，包括五进制、六进制、九进制等，因此其内部逻辑会根据所选的工作模式进行调整。例如，在五分频模式下，当计数器达到4（即二进制100）时，内部逻辑会检测到这个状态，并在下一个时钟脉冲到来时自动将计数器复位到0，而不是继续增加到5。

为了实现这些特殊的工作模式，74LS90内部包含了一些额外的逻辑门电路，用于检测计数器的当前状态，并根据需要产生复位信号或控制其他触发器的行为。这些逻辑门电路通常与计数器的输出端相连，以便实时监视计数器的状态。

此外，74LS90还提供了同步或异步复位功能。在同步复位模式下，复位信号需要在时钟脉冲的上升沿或下降沿到来时才能生效；而在异步复位模式下，复位信号可以立即将计数器复位到初始状态，而无需等待时钟脉冲的到来。这种灵活性使得74LS90能够适应不同的应用场景和设计要求。

五、74LS90的应用实例

74LS90由于其灵活性和多功能性，在电子系统中有着广泛的应用。以下是一些典型的应用实例：

1. 定时器：通过连接一个稳定的时钟源到CLK引脚，74LS90可以作为一个定时器来使用。通过调整时钟源的频率和计数器的初始值，可以精确控制定时器的计时长度。

2. 分频器：在数字电路中，经常需要将一个高频时钟信号分频为较低频率的信号。74LS90可以很容易地实现这一点，通过选择合适的计数模式和初始值，可以将输入的时钟信号分频为所需的频率。

3. 计数器：作为其基本功能之一，74LS90可以直接用于计数特定事件的发生次数。例如，在自动售货机中，可以使用74LS90来计数投入的硬币数量；在电子秤中，则可以使用它来计数物品的数量或重量。

4. 状态机：在更复杂的数字系统中，74LS90可以与其他逻辑电路一起构成状态机。通过编程计数器的初始值和复位条件，可以定义系统在不同状态下的行为。

5. 脉冲发生器：通过配置74LS90的计数模式和复位逻辑，可以生成具有特定周期和占空比的脉冲信号。这种脉冲信号在测试、测量和控制系统中非常有用。

六、总结

74LS90作为一种功能强大的四位二进制计数器芯片，在电子系统中具有广泛的应用前景。通过了解其内部结构、引脚功能和工作原理，我们可以更好地利用它的特性来设计和实现各种数字电路和系统。同时，随着数字技术的不断发展，74LS90也在不断演进和升级，以适应更加复杂和多样化的应用需求。在未来的电子设计中，74LS90及其衍生产品将继续发挥重要作用。