74HC393 双4位二进制纹波计数器：引脚图与功能表详解

74HC393 是一款高性能 CMOS 双 4 位二进制纹波计数器，广泛应用于各种数字逻辑电路中。它以其低功耗、高速度和强大的驱动能力而闻名。本文将深入探讨 74HC393 的引脚图、功能表及其在实际应用中的工作原理，旨在提供一份全面而详尽的中文介绍。

74HC393 集成了两个独立的 4 位二进制纹波计数器，每个计数器都可以独立地进行计数操作。这种设计使其在需要多个计数器或者需要级联以实现更长计数位的应用中非常方便。纹波计数器（Ripple Counter）的特点是其内部触发是顺序进行的，即一个触发器的输出作为下一个触发器的时钟输入。这与同步计数器不同，同步计数器中所有触发器都由同一个时钟信号同步触发。纹波计数器由于其结构简单，通常成本较低，但在高速应用中可能会存在传播延迟累积的问题。尽管如此，对于许多中低速应用而言，74HC393 仍然是一个非常经济且有效的选择。

1. 74HC393 概述

74HC393 属于高速 CMOS 逻辑系列，兼容 TTL 电平。它提供了两个独立的 4 位纹波计数器，每个计数器都由一个时钟输入（CLK）和一个异步清零输入（CLR）控制。其计数序列为二进制增量，从 0000 到 1111（即 0 到 15）。当计数达到 1111 后，下一个时钟脉冲会使其回到 0000，并产生一个进位输出。然而，74HC393 并没有提供直接的进位输出引脚，这意味着如果需要级联，通常需要利用最高位输出（Q_3）作为下一个计数器的时钟输入，或者通过外部逻辑门来检测进位。这种设计使得芯片的引脚数量得以优化，但对级联应用来说，设计者需要额外考虑进位逻辑。

这款计数器的应用范围非常广泛，包括但不限于频率分频器、定时器、事件计数器、模数转换器中的时钟生成以及各种顺序控制系统。由于其 CMOS 工艺，74HC393 具有极低的静态功耗，这使得它非常适合电池供电或对功耗有严格要求的应用。同时，其工作电压范围宽，通常为 2V 至 6V，这进一步增加了其在不同系统中的兼容性。其输出驱动能力也足够强大，可以直接驱动大多数标准的 TTL 或 CMOS 逻辑门，从而简化了电路设计。

2. 74HC393 引脚图详解

74HC393 通常采用 14 引脚双列直插式封装（DIP-14）或小外形封装（SOIC-14）。理解每个引脚的功能是正确使用芯片的关键。下面是 74HC393 的典型引脚排列及其详细功能说明。

2.1 DIP-14 封装引脚图

     +---+--+---+
 CLK_A |1  +--+ 14| VCC
 CLR_A |2       13| CLR_B
  Q0_A |3       12| Q0_B
  Q1_A |4       11| Q1_B
  Q2_A |5       10| Q2_B
  Q3_A |6        9| Q3_B
   GND |7        8| CLK_B
     +------------+

上述引脚图清晰地展示了 74HC393 的 14 个引脚布局。每个引脚都有其特定的功能，并且芯片内部包含两个独立的计数器 A 和 B，它们各自拥有一套独立的输入和输出引脚。这种对称的设计简化了电路板布局，并提高了芯片的利用率。理解每个引脚所承载的功能，对于后续的电路设计和故障排除至关重要。

2.2 引脚功能说明

以下是对 74HC393 各引脚的详细功能描述：

• VCC (引脚 14)：这是芯片的正电源输入。为 74HC393 供电的电压范围通常为 2V 到 6V。为了确保芯片的稳定工作，通常建议在 VCC 引脚附近放置一个 0.1uF 的去耦电容，以滤除电源噪声并提供瞬时电流。电源电压的选择应根据系统中其他组件的工作电压以及对功耗和速度的要求来确定。

• GND (引脚 7)：这是芯片的接地引脚。所有信号电平都相对于此引脚进行测量。在电路设计中，确保 GND 连接到系统的公共地线，以避免接地回路和噪声问题。良好的接地设计是确保数字电路稳定可靠运行的基础。

• CLK_A (引脚 1) / CLK_B (引脚 8)：

• CLK_A (Clock Input A)：计数器 A 的时钟输入引脚。每当此引脚接收到一个从低电平到高电平的上升沿时，计数器 A 的计数值就会递增。这个时钟信号通常来自一个振荡器、脉冲发生器或其他数字逻辑电路。时钟信号的质量（如上升/下降时间、占空比）会直接影响计数器的性能和稳定性。

• CLK_B (Clock Input B)：计数器 B 的时钟输入引脚。其功能与 CLK_A 相同，控制计数器 B 的计数操作。这两个时钟输入是完全独立的，允许两个计数器以不同的频率或同步工作。在某些应用中，可能会将其中一个计数器的最高位输出连接到另一个计数器的时钟输入，以实现级联计数。

• CLR_A (引脚 2) / CLR_B (引脚 13)：

• CLR_A (Clear Input A)：计数器 A 的异步清零输入引脚。当此引脚为高电平时，计数器 A 的所有输出 (Q_0A 到 Q_3A) 都会被强制清零（即变为低电平），并且计数器停止计数。清零操作是异步的，这意味着它不受时钟信号的控制，一旦 CLR 变为高电平，计数器立即清零。当 CLR_A 恢复到低电平后，计数器 A 才能在下一个时钟上升沿时开始或继续计数。这个功能在需要复位计数器到初始状态时非常有用，例如在系统上电时或者在计数达到某个特定值后重新开始计数。

• CLR_B (Clear Input B)：计数器 B 的异步清零输入引脚。其功能与 CLR_A 相同，控制计数器 B 的清零操作。同样，CLR_B 的高电平会立即将计数器 B 的所有输出清零。

• Q_0A (引脚 3) / Q_1A (引脚 4) / Q_2A (引脚 5) / Q_3A (引脚 6)：

• Q_0A (Q_0 Output A)：计数器 A 的最低有效位输出。当计数器 A 计数值从奇数变为偶数时（例如从 0001 到 0010），此引脚会发生跳变。它通常以时钟频率的 1/2 进行分频。

• Q_1A (Q_1 Output A)：计数器 A 的第二位输出。它通常以时钟频率的 1/4 进行分频。

• Q_2A (Q_2 Output A)：计数器 A 的第三位输出。它通常以时钟频率的 1/8 进行分频。

• Q_3A (Q_3 Output A)：计数器 A 的最高有效位输出。它通常以时钟频率的 1/16 进行分频。当计数器 A 从 1111 翻转到 0000 时，此引脚会从高电平变为低电平。如果需要将两个 74HC393 级联以实现 8 位甚至更长的计数器，通常会将一个计数器的 Q_3 输出连接到下一个计数器的 CLK 输入。

• Q_0B (引脚 12) / Q_1B (引脚 11) / Q_2B (引脚 10) / Q_3B (引脚 9)：

• 这些是计数器 B 的对应输出引脚，其功能与计数器 A 的输出引脚完全相同。它们分别代表计数器 B 的最低有效位到最高有效位。

3. 74HC393 功能表详解

功能表是理解数字逻辑芯片行为的关键。它描述了在不同输入条件下，芯片输出的状态。对于 74HC393 而言，主要关注时钟输入 (CLK) 和清零输入 (CLR) 对计数器输出的影响。

3.1 计数器 A (或 B) 的功能表

由于两个计数器 A 和 B 的功能完全相同，这里我们以计数器 A 为例来详细说明其功能表。

符号说明：

• H：高电平 (High Logic Level)

• L：低电平 (Low Logic Level)

• X：任意状态（可以是高电平或低电平，不影响输出）

• uparrow：上升沿（从低电平到高电平的跳变）

• 递增：表示对应的输出位根据二进制计数规则进行递增。

• 保持：表示输出位保持当前状态不变。

3.2 功能表详细解释

让我们更深入地剖析功能表的每一个条目：

• 清零功能 (CLR_A = H)：

• 当清零输入 CLR_A 为高电平 (H) 时，无论时钟输入 CLK_A 处于何种状态 (X，任意状态)，计数器 A 的所有输出 (Q_0A, Q_1A, Q_2A, Q_3A) 都会被立即强制清零，即全部变为低电平 (L)。

• 这是一个异步操作，意味着清零动作的发生不依赖于时钟信号的边沿。只要 CLR_A 变为高电平，计数器就会立即复位。这种异步清零功能在系统启动时或需要快速重置计数器到初始状态时非常有用。例如，在计数器溢出后，可以通过一个检测溢出的逻辑信号来拉高 CLR_A，从而在下一个计数周期开始前将其复位。

• 计数功能 (CLR_A = L, CLK_A = uparrow)：

• 当清零输入 CLR_A 为低电平 (L) 时，计数器处于工作状态。

• 每当 CLK_A 引脚检测到一个上升沿 (uparrow)，计数器 A 的内部状态就会向前递增一个单位。

• 计数器的输出 (Q_0A 到 Q_3A) 会根据二进制计数序列进行更新。例如，如果当前计数是 0000，下一个时钟上升沿到来后，计数会变为 0001；如果当前是 1111，下一个时钟上升沿到来后，计数会变为 0000 并伴随一个进位（尽管 74HC393 没有直接的进位输出，但 Q_3A 会从高变低）。

• 值得注意的是，74HC393 是一个纹波计数器，这意味着内部的每个触发器并不是同时翻转的。第一个触发器 (Q_0) 的输出作为第二个触发器 (Q_1) 的时钟，以此类推。这种“纹波”效应会导致计数器存在一定的传播延迟，尤其是在从 1111 翻转到 0000 时，所有输出位都需要依次翻转。对于高速应用，这种累积延迟可能会成为一个限制因素，需要考虑同步计数器或其他更高速的逻辑芯片。

• 保持功能 (CLR_A = L, CLK_A = L/H)：

• 当清零输入 CLR_A 保持低电平 (L)，且时钟输入 CLK_A 处于**稳定状态（低电平 L 或高电平 H，但没有发生上升沿）**时，计数器 A 的当前计数值会保持不变。

• 这意味着计数器只在时钟上升沿到来时才会更新其状态。在时钟信号的稳定期内，输出将保持在当前计数值。这是任何基于触发器的时序逻辑电路的基本特性，确保了计数值的稳定性和可预测性。

4. 74HC393 的内部结构与工作原理

理解 74HC393 的内部结构有助于我们更深入地理解其工作原理。每个 4 位计数器都由四个级联的 JK 触发器（或 T 触发器）构成。在 74HC393 中，通常使用 T 触发器（Toggle Flip-Flop）来实现计数功能，因为 T 触发器在每次时钟输入边沿到来时，其输出状态都会翻转，这正是计数器所需要的。

4.1 单个 T 触发器的工作原理

T 触发器可以看作是 JK 触发器的一种特殊情况，当 J 和 K 输入都连接到逻辑高电平（或由反馈实现）时，它会在每个时钟脉冲的有效边沿处翻转其输出。对于 74HC393 这样的纹波计数器，每个触发器的输出连接到下一个触发器的时钟输入。

• 时钟 (C)：控制触发器翻转的信号。

• 清零 (CLR)：异步输入，当为高电平 L 时，强制 Q 输出为 L。

• 输出 (Q)：触发器的当前状态。

• 输出 (barQ)：Q 的反相输出。

当 CLR 为低电平且时钟输入发生上升沿时，T 触发器的输出会发生翻转。

4.2 4 位纹波计数器结构

一个 4 位纹波计数器由四个 T 触发器级联组成，如下图所示（简化示意图）：

 CLK_A --> [TFF0] --> Q0A
           |
           v
           [TFF1] --> Q1A
           |
           v
           [TFF2] --> Q2A
           |
           v
           [TFF3] --> Q3A

• TFF_0 (最低位触发器)：

• 其时钟输入连接到外部的 CLK_A 引脚。

• 当 CLK_A 收到一个上升沿时，TFF_0 的输出 Q_0A 会翻转。

• Q_0A 的输出被用作 TFF_1 的时钟输入。

• TFF_1 (第二位触发器)：

• 其时钟输入连接到 Q_0A 的输出。

• 每当 Q_0A 从高电平变为低电平（下降沿，因为是负边沿触发的 T 触发器，或者如果内部设计是正边沿触发，则需要通过内部逻辑进行反相），TFF_1 的输出 Q_1A 就会翻转。

• Q_1A 的输出被用作 TFF_2 的时钟输入。

• TFF_2 (第三位触发器)：

• 其时钟输入连接到 Q_1A 的输出。

• 每当 Q_1A 发生有效边沿时，TFF_2 的输出 Q_2A 就会翻转。

• Q_2A 的输出被用作 TFF_3 的时钟输入。

• TFF_3 (最高位触发器)：

• 其时钟输入连接到 Q_2A 的输出。

• 每当 Q_2A 发生有效边沿时，TFF_3 的输出 Q_3A 就会翻转。

重要说明： 74HC393 是上升沿触发的计数器。这意味着当 CLK_A (或 CLK_B) 发生从低到高的跳变时，最低位触发器 (Q_0) 才会响应。然而，对于纹波计数器，后续的触发器是以其前一个触发器的输出作为时钟源。为了实现二进制递增计数，通常后续的触发器会响应其时钟输入信号的下降沿（例如，Q_0 从高变低时触发 Q_1 翻转）。这使得整个计数器可以按预期递增。因此，尽管芯片的时钟输入是上升沿触发，但内部的级联逻辑会确保正确的二进制纹波计数行为。

4.3 纹波计数器与同步计数器

• 纹波计数器 (Ripple Counter)：

• 如 74HC393，其特点是每个触发器的输出作为下一个触发器的时钟输入。

• 优点：电路简单，实现成本低。

• 缺点：存在传播延迟累积问题。随着计数位数的增加，最高位输出的变化会滞后于最低位输出。在高速应用中，这可能导致瞬时错误的计数状态，即“毛刺”（Glitches）。例如，在从 0011 变为 0100 的过程中，可能暂时出现 0000、0001、0010 等中间状态。

• 同步计数器 (Synchronous Counter)：

• 所有触发器都由同一个时钟信号同步触发。

• 优点：所有位几乎同时更新，没有传播延迟累积，因此可以工作在更高的频率。

• 缺点：内部逻辑更复杂，通常需要更多的门电路，因此成本相对较高。例如，74HC163 是一款常用的同步计数器。

尽管 74HC393 是纹波计数器，但在许多中低速应用中，其性能完全可以满足要求。对于传播延迟敏感的应用，设计者需要评估是否可以使用 74HC393，或者考虑使用同步计数器。

5. 74HC393 应用示例

74HC393 的应用非常广泛，以下是一些典型的应用场景：

5.1 频率分频器

74HC393 最常见的应用之一是作为频率分频器。由于每个输出 Q_n 的频率是其前一个输出 Q_n−1 频率的一半，因此可以实现 2n 分频。

• 2 分频：将输入时钟信号连接到 CLK_A，从 Q_0A 输出即可得到 2 分频信号。

• 4 分频：从 Q_1A 输出可得到 4 分频信号。

• 8 分频：从 Q_2A 输出可得到 8 分频信号。

• 16 分频：从 Q_3A 输出可得到 16 分频信号。

通过组合两个计数器，可以实现更大的分频比。例如，将 CLK_A 作为输入，将 Q_3A 连接到 CLK_B，可以实现 256 分频 (16 * 16)。这种级联方式可以轻松地创建高分频比的信号，用于时序电路、微控制器时钟生成或通信系统中。

5.2 事件计数器

74HC393 可以用来计数外部事件，例如脉冲数、传感器触发次数等。

• 将事件脉冲信号连接到 CLK_A。

• 通过监测 Q_0A 到 Q_3A 的输出，可以得知已发生的事件数量（0到15）。

• 当计数达到最大值 (1111) 后，再次计数会溢出并从 0000 重新开始。如果需要计数更大的范围，可以通过级联多个 74HC393 来实现。

• CLR 引脚可以用来在任意时刻清零计数器，以便重新开始计数。这在批处理计数或需要定期复位计数的场景中非常实用。

5.3 定时器和时钟生成

结合振荡器和 74HC393，可以构建简单的定时器电路。

• 一个精确的晶体振荡器提供稳定的时钟源。

• 通过 74HC393 进行分频，可以得到所需频率的较低速时钟信号，用于驱动其他逻辑电路或微控制器的定时中断。

• 例如，从 1MHz 振荡器通过 74HC393 的 Q_3 输出，可以得到 62.5kHz 的信号，这在某些应用中可以作为系统心跳或定时基准。

• 通过外部逻辑门检测特定的计数值，可以生成定时事件。例如，当计数器达到 10 (1010) 时，触发一个操作，然后清零计数器。

5.4 序列生成器

虽然 74HC393 主要是一个计数器，但它的各个输出引脚可以组成一个循环的二进制序列。通过将这些输出连接到数据选择器或解码器，可以产生更复杂的逻辑序列，用于控制步进电机、LED 阵列或其他顺序操作。例如，一个简单的 4 位计数器可以生成 16 种不同的状态，这些状态可以映射到不同的动作。

5.5 模数转换器 (ADC) 辅助

在某些简单的逐次逼近型模数转换器 (SAR ADC) 设计中，74HC393 可以用来生成时钟或控制序列。例如，在计数器型 ADC 中，计数器持续计数，其输出通过数模转换器（DAC）与模拟输入进行比较，当两者相等时，计数器停止，其值即为数字输出。74HC393 可以在这样的应用中提供计数功能。

6. 使用 74HC393 的注意事项

在使用 74HC393 时，需要注意一些关键点以确保其正常、稳定地工作：

6.1 电源去耦

在 VCC 和 GND 引脚之间，应尽可能靠近芯片放置一个0.1uF 的陶瓷去耦电容。这个电容能够滤除电源线上的高频噪声，并为芯片在瞬间电流需求较大时提供一个局部电荷储存，防止电源电压瞬时跌落，从而确保芯片的稳定运行。对于数字芯片来说，良好的去耦是必不可少的。

6.2 输入信号质量

• 时钟信号 (CLK)：时钟信号必须是干净的、无抖动的方波，具有清晰的上升沿和下降沿。缓慢上升或下降的时钟沿可能导致多重触发或计数错误。如果时钟信号不理想，可能需要使用施密特触发器输入缓冲器（如 74HC14）进行整形。

• 清零信号 (CLR)：CLR 信号也应是干净的。在使用 CLR 引脚时，确保在时钟信号到来之前，清零信号已经稳定在低电平，否则可能导致不期望的清零动作。如果不需要清零功能，CLR 引脚必须连接到 GND，而不是悬空，以确保计数器能够正常工作。悬空引脚会受到噪声干扰，导致不确定的行为。

6.3 传播延迟

如前所述，74HC393 是纹波计数器，存在传播延迟累积的问题。这意味着 Q_3 的输出变化会比 Q_0 滞后。在高速计数或对时序有严格要求的应用中，需要将此延迟纳入设计考虑。例如，如果将 Q_3 输出用作另一个芯片的时钟输入，需要确保接收芯片能够容忍这种延迟。对于更高频率的应用，可能需要考虑同步计数器，例如 74HC163 或 74HC161。

6.4 未使用的引脚处理

• 未使用的输入引脚：任何未使用的输入引脚（例如，如果只使用计数器 A 而计数器 B 未使用，或者某个 CLR 引脚未用到）都不能悬空。它们应该连接到 VCC 或 GND，具体取决于其功能和对电路的影响。对于 CLR 引脚，如果不需要清零功能，则应连接到 GND。未使用的 CLK 引脚也应连接到 GND 或 VCC 以避免噪声。

• 未使用的输出引脚：未使用的输出引脚可以悬空，但为了防止它们接收到噪声并将其传播到其他部分，或者出于功耗考虑，通常建议将它们保持悬空或连接到负载。

6.5 扇出能力

74HC393 的输出具有一定的驱动能力（扇出能力），可以驱动多个其他 TTL 或 CMOS 逻辑门的输入。在使用时，确保输出负载不超过其最大额定电流，以避免性能下降或芯片损坏。查阅数据手册可以找到详细的输出驱动电流规格。

6.6 工作温度范围

确保芯片在指定的工作温度范围内使用。过高或过低的温度可能会影响芯片的性能和可靠性。消费级芯片通常在 0°C 至 70°C 范围内工作，而工业级芯片则在更宽的温度范围内（例如 -40°C 至 85°C）工作。

6.7 级联应用

当需要将多个 74HC393 级联以实现更长计数位时（例如，从 4 位扩展到 8 位或更多），通常将前一个计数器的最高位输出 (Q_3) 连接到下一个计数器的时钟输入 (CLK)。这种级联方式会进一步增加总体的传播延迟，因为每个级的延迟都会累加。在设计长位计数器时，应仔细计算总的传播延迟，以确保其满足系统时序要求。对于极长的计数器，或者在需要严格同步的系统中，使用同步计数器或者具有并行加载功能的计数器可能更合适。

7. 与其他计数器的比较

为了更好地理解 74HC393 的定位，我们简要将其与一些常见的计数器进行比较：

7.1 74HC393 vs. 74HC161/74HC163 (同步计数器)

• 74HC393：纹波计数器，简单，成本低，存在传播延迟累积，最高工作频率相对较低。

• 74HC161/74HC163：同步计数器，所有触发器同步翻转，没有传播延迟累积，可以工作在更高的频率。通常具有并行加载（Parallel Load）功能，允许预设计数器的初始值，以及进位输出（Carry Output）便于级联。结构更复杂，成本略高。

如果对速度和同步性有严格要求，且需要并行加载和进位输出，同步计数器是更好的选择。如果只是简单的频率分频或事件计数，且对速度要求不高，74HC393 更具成本效益。

7.2 74HC393 vs. 74HC595 (移位寄存器)

• 74HC393：二进制计数器，主要用于计数和分频。

• 74HC595：串行输入并行输出的移位寄存器，主要用于串行数据到并行数据的转换，例如驱动 LED 显示屏。其功能与计数器完全不同。

7.3 74HC393 vs. 555 定时器

• 74HC393：数字计数器，需要外部时钟信号才能工作。

• 555 定时器：多功能集成电路，常用于产生时钟脉冲（振荡器模式）或作为单稳态触发器（脉冲发生器模式）。555 可以产生 74HC393 所需的时钟信号，但它本身不是计数器。它们通常在电路中协同工作，例如 555 产生时钟，74HC393 进行分频。

8. 总结

74HC393 是一款非常实用且功能强大的双 4 位二进制纹波计数器。其简洁的设计、低功耗和高速度使其在许多数字电路应用中扮演着重要角色。通过本文对引脚图、功能表、内部结构以及应用示例的详细解析，我们希望读者能够全面理解 74HC393 的工作原理和使用方法。

尽管作为纹波计数器，它在高速应用中存在传播延迟累积的限制，但对于大多数中低速的频率分频、事件计数和定时器应用来说，74HC393 仍然是一个极具成本效益和可靠性的选择。正确理解其特性，并在设计中注意电源去耦、输入信号质量和未使用的引脚处理，将有助于充分发挥其性能，构建稳定可靠的数字系统。在需要更高级功能（如并行加载、同步操作和更高的速度）时，可以考虑使用同步计数器作为替代方案。