74LS90 TTL十进制计数器：引脚图与核心功能解析

74LS90是一款经典的TTL（晶体管-晶体管逻辑）集成电路，它是一个低功耗肖特基（Low-power Schottky）系列二-十进制计数器，也被称为BCD（Binary-Coded Decimal）计数器或十进制计数器。该芯片广泛应用于数字显示、频率分频、脉冲计数以及各种时序控制电路中，因其稳定可靠的性能和易于使用的特性而备受工程师青睐。理解74LS90的引脚布局及其内部功能是正确应用它的基础。

一、74LS90引脚图详解

74LS90通常采用14引脚双列直插式封装（DIP-14）。每个引脚都有其特定的功能，以下是其引脚的详细说明：

• 引脚1 (CLK B - 时钟输入B)： 这个引脚是提供给内部BCD计数器“除以5”部分的时钟输入端。当需要实现模5计数时，时钟信号通常加到此引脚。

• 引脚2 (GND - 接地)： 芯片的公共接地端，必须连接到电路的负电源轨。

• 引脚3 (RD - 复位数据)： 这是一个复位输入端，通常用于将计数器清零或预设为特定状态。当RD引脚与R0(1)和R0(2)同时为高电平时，计数器会被清零（输出Q0-Q3全部为低电平）。

• 引脚4 (R0(1) - 复位输入1)： 与RD和R0(2)共同构成复位输入逻辑。

• 引脚5 (R0(2) - 复位输入2)： 与RD和R0(1)共同构成复位输入逻辑。当R0(1)和R0(2)同时为高电平，且R9(1)和R9(2)为低电平时，计数器被复位为0000。

• 引脚6 (R9(1) - 置9输入1)： 与R9(2)共同构成置9输入逻辑。

• 引脚7 (R9(2) - 置9输入2)： 当R9(1)和R9(2)同时为高电平，且R0(1)和R0(2)为低电平时，计数器被预设为1001（即十进制的9）。这个功能在某些需要从9开始计数或作为预置值的应用中非常有用。

• 引脚8 (Q1 - 输出1)： BCD计数器的第二个输出位（对应2^1位），代表十进制计数中的2的权重。

• 引脚9 (Q0 - 输出0)： BCD计数器的第一个输出位（对应2^0位），代表十进制计数中的1的权重。

• 引脚10 (VCC - 电源电压)： 芯片的正电源输入端，通常连接到+5V。

• 引脚11 (Q3 - 输出3)： BCD计数器的第四个输出位（对应2^3位），代表十进制计数中的8的权重。

• 引脚12 (Q2 - 输出2)： BCD计数器的第三个输出位（对应2^2位），代表十进制计数中的4的权重。

• 引脚13 (NC - 未连接)： 通常是未连接引脚，不应与任何信号线连接。

• 引脚14 (CLK A - 时钟输入A)： 这是提供给内部BCD计数器“除以2”部分的时钟输入端。通常，主时钟信号会连接到此引脚，然后其输出（Q0）可以连接到CLK B，以实现完整的“除以10”计数功能。

正确连接这些引脚对于74LS90的正常工作至关重要。电源和接地引脚（VCC和GND）必须正确连接到稳定的电源。时钟输入引脚（CLK A和CLK B）接收外部时钟脉冲，而输出引脚（Q0-Q3）则提供计数器的二进制编码输出。复位和置9引脚（R0(1), R0(2), R9(1), R9(2)）则用于控制计数器的初始状态或在计数过程中进行重置。

二、74LS90的功能特性与工作原理

74LS90是一个四位异步二进制计数器，它被设计成一个具有独立异步复位和预设功能的二-十进制计数器。其内部结构实际上由两个独立的计数器组成：一个模2（除以2）计数器和一个模5（除以5）计数器。

• 模2计数器： 这是一个简单的D触发器，它的时钟输入是CLK A，输出是Q0。每当CLK A接收到一个下降沿脉冲时，Q0的状态就会翻转。

• 模5计数器： 这是一个三位二进制计数器，它的时钟输入是CLK B。当CLK B接收到下降沿脉冲时，该计数器会从000到100（即0到4）进行循环计数。其输出分别为Q1、Q2和Q3。

为了实现标准的二-十进制（BCD）计数，通常将模2计数器的输出Q0连接到模5计数器的时钟输入CLK B。这样，当CLK A接收到一个脉冲时，Q0会翻转，然后这个翻转会作为CLK B的时钟信号，驱动模5计数器前进。

2.1 计数模式

74LS90主要支持以下两种计数模式：

• BCD计数（二-十进制计数）： 这是74LS90最常见的应用模式。在这种模式下，Q0输出连接到CLK B输入，主时钟信号加到CLK A输入。计数器会从0000（0）开始，每当CLK A接收一个下降沿，计数器会递增，直到1001（9）。从9跳到0时，所有输出位都会同时变为低电平。输出Q0、Q1、Q2、Q3分别代表BCD码的1、2、4、8权重位。

• 双独立计数： 74LS90也可以用作一个独立的模2计数器和一个独立的模5计数器。在这种模式下，CLK A和CLK B分别接收独立的时钟信号。Q0提供模2计数器的输出，而Q1、Q2、Q3提供模5计数器的输出。这种灵活性使得74LS90在需要不同分频比的场合非常有用。

2.2 复位/置9功能

74LS90具有强大的复位和置9功能，这通过其R0和R9引脚实现：

• 同步复位（清零）： 当复位输入R0(1)和R0(2)都为高电平（逻辑1）时，无论CLK A或CLK B的状态如何，计数器的所有输出（Q0、Q1、Q2、Q3）都会立即被异步地清零（变为0000）。这意味着计数器会被强制复位到初始状态。这个功能在需要计数器从0开始计数或在特定条件下重置计数器时非常有用。

• 同步置9： 当置9输入R9(1)和R9(2)都为高电平（逻辑1）时，并且R0(1)和R0(2)都为低电平（逻辑0）时，计数器的输出会被异步地预设为1001（十进制的9）。这个功能在需要计数器从9开始向下计数（虽然74LS90本身是向上计数器，但通过外部逻辑可以实现向下计数），或者在某些需要预置为9的场景中非常有用。

这些复位和置9输入是异步的，这意味着它们不需要等待时钟脉冲的特定边沿即可立即生效。这为电路设计提供了极大的灵活性，允许在任何时候对计数器状态进行控制。

三、74LS90在实际电路中的应用

74LS90因其多功能性而在数字电路设计中拥有广泛的应用。

3.1 频率分频器

74LS90最常见的一个应用是作为频率分频器。

• 除以10分频： 这是最典型的应用。将CLK A连接到输入时钟，Q0连接到CLK B。输出Q3通常用于生成分频后的信号。原始时钟信号每输入10个脉冲，输出端（例如Q3）就会完成一个周期，从而实现10分频。

• 除以2分频： 仅使用内部的模2计数器，将输入时钟连接到CLK A，从Q0端获取除以2的输出。

• 除以5分频： 仅使用内部的模5计数器，将输入时钟连接到CLK B，从Q3端（或Q1、Q2的组合）获取除以5的输出。

• 其他分频比： 通过外部逻辑门（如与门、或门）将Q0-Q3的特定组合反馈到复位或置9输入，可以实现任意模数的计数器，例如除以6、除以7等。

3.2 数字显示驱动

在需要驱动七段数码管或其他数字显示器时，74LS90可以作为BCD计数器，将输入的脉冲信号转换为BCD码，然后通过BCD-七段译码器（如74LS47）驱动数码管显示数字。这种组合在计时器、计数器、频率计等应用中非常常见。

3.3 脉冲计数器

74LS90可以直接用于对外部输入的脉冲进行计数。例如，在生产线上统计产品数量，或者在实验室中测量实验事件发生的次数。通过级联多个74LS90芯片，可以实现任意位数的十进制计数器，从而处理更大范围的计数需求。例如，两个74LS90可以构成一个00-99的计数器，三个则可构成000-999的计数器。级联时，前一个74LS90的Q3输出可以作为下一个74LS90的CLK A输入，以实现高位的进位计数。

3.4 时序控制电路

在需要生成特定时序或延时的电路中，74LS90可以作为时间基准分频器。例如，在一个自动控制系统中，可以利用74LS90对一个晶振产生的稳定时钟信号进行分频，从而产生不同频率的控制信号，用于控制电机、阀门或其他执行器的动作。

3.5 序列发生器

虽然74LS90本身是计数器，但结合外部逻辑门，它可以被配置成一个简单的序列发生器，产生特定的二进制序列。通过巧妙地利用其复位和置9功能，可以实现更复杂的序列控制。

四、74LS90与其他计数器的比较

在数字逻辑领域，除了74LS90之外，还有许多其他类型的计数器，例如74LS160/161（同步预置BCD/二进制计数器）和74LS390（双重二-十进制计数器）。了解74LS90的独特之处有助于更好地选择合适的芯片。

• 异步计数特性： 74LS90是一个异步计数器，这意味着其内部触发器的状态转换并不是同时发生的，而是由前一级触发器的输出触发下一级。这可能导致在高速应用中存在一定的传播延迟，从而产生毛刺（glitches）。相比之下，同步计数器（如74LS160/161）所有触发器都由同一个时钟信号同步触发，因此通常具有更高的速度和更低的毛刺风险。

• BCD专用性： 74LS90是专门为BCD计数设计的，其内部结构使其非常适合进行十进制计数。而其他一些通用二进制计数器可能需要额外的逻辑才能实现BCD计数。

• 灵活性： 74LS90提供了模2和模5两个独立的计数器，这使得它在需要多种分频比的场合具有独特的优势。

• 复位/置9功能： 74LS90的异步复位和置9功能非常方便，允许设计者在不考虑时钟边沿的情况下随时控制计数器的状态。

尽管同步计数器在高速和毛刺敏感应用中具有优势，但74LS90因其简单易用、成本效益高以及在许多中低速应用中表现良好而仍然被广泛使用。在许多简单的数字显示和分频电路中，74LS90仍然是首选。

五、74LS90的电气特性与注意事项

74LS90属于TTL家族，其工作电压通常为+5V。在使用时，需要注意以下几个方面：

• 电源稳定性： 确保为74LS90提供稳定且去耦的+5V电源。在电源引脚VCC和GND之间并联一个0.1μF的陶瓷电容，可以有效地滤除高频噪声，提高芯片的稳定性。

• 输入信号质量： 确保输入到CLK A和CLK B的时钟信号具有清晰的上升沿和下降沿，并且满足TTL电平标准（低电平0V-0.8V，高电平2V-5V）。信号抖动或噪声可能会导致计数错误。

• 未使用的引脚： 通常建议将未使用的输入引脚连接到VCC（逻辑高）或GND（逻辑低），以避免它们浮空导致的不确定状态或噪声干扰。对于74LS90的复位/置9引脚，如果不需要其功能，通常会将其接地或通过电阻上拉到VCC。

• 输出负载： 74LS90的输出驱动能力有限。在连接到其他TTL/CMOS芯片或LED等负载时，应确保不超过其额定输出电流。如果需要驱动大电流负载，应使用缓冲器或驱动器。

• 级联考虑： 在级联多个74LS90时，注意传播延迟的累积。虽然对于大多数低速应用这通常不是问题，但在高速系统中，累积的延迟可能会导致时序错误。

六、总结

74LS90是一款功能强大且用途广泛的TTL十进制计数器。通过对其14个引脚的详细了解，以及对其内部模2和模5计数器的工作原理、BCD计数模式、复位/置9功能的掌握，工程师可以灵活地将其应用于各种数字电路设计中，如频率分频、数字显示、脉冲计数和时序控制等。尽管现代数字电路中出现了更先进的同步计数器和可编程逻辑器件，但74LS90以其简单、可靠和经济的优势，在许多传统和基础的数字逻辑应用中仍然占据着重要的地位。掌握这款经典芯片，对于理解数字电路的基本原理和设计方法具有重要的意义。