74LS90 TTL十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：引腳圖與核心功能解析

74LS90是一款經(jīng)典的TTL（晶體管-晶體管邏輯）集成電路，它是一個(gè)低功耗肖特基（Low-power Schottky）系列二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也被稱為BCD（Binary-Coded Decimal）計(jì)數(shù)器或十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。該芯片廣泛應(yīng)用于數(shù)字顯示、頻率分頻、脈沖計(jì)數(shù)以及各種時(shí)序控制電路中，因其穩(wěn)定可靠的性能和易于使用的特性而備受工程師青睞。理解74LS90的引腳布局及其內(nèi)部功能是正確應(yīng)用它的基礎(chǔ)。

一、74LS90引腳圖詳解

74LS90通常采用14引腳雙列直插式封裝（DIP-14）。每個(gè)引腳都有其特定的功能，以下是其引腳的詳細(xì)說(shuō)明：

• 引腳1 (CLK B - 時(shí)鐘輸入B)： 這個(gè)引腳是提供給內(nèi)部BCD計(jì)數(shù)器“除以5”部分的時(shí)鐘輸入端。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)模5計(jì)數(shù)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)通常加到此引腳。

• 引腳2 (GND - 接地)： 芯片的公共接地端，必須連接到電路的負(fù)電源軌。

• 引腳3 (RD - 復(fù)位數(shù)據(jù))： 這是一個(gè)復(fù)位輸入端，通常用于將計(jì)數(shù)器清零或預(yù)設(shè)為特定狀態(tài)。當(dāng)RD引腳與R0(1)和R0(2)同時(shí)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)被清零（輸出Q0-Q3全部為低電平）。

• 引腳4 (R0(1) - 復(fù)位輸入1)： 與RD和R0(2)共同構(gòu)成復(fù)位輸入邏輯。

• 引腳5 (R0(2) - 復(fù)位輸入2)： 與RD和R0(1)共同構(gòu)成復(fù)位輸入邏輯。當(dāng)R0(1)和R0(2)同時(shí)為高電平，且R9(1)和R9(2)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器被復(fù)位為0000。

• 引腳6 (R9(1) - 置9輸入1)： 與R9(2)共同構(gòu)成置9輸入邏輯。

• 引腳7 (R9(2) - 置9輸入2)： 當(dāng)R9(1)和R9(2)同時(shí)為高電平，且R0(1)和R0(2)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器被預(yù)設(shè)為1001（即十進(jìn)制的9）。這個(gè)功能在某些需要從9開(kāi)始計(jì)數(shù)或作為預(yù)置值的應(yīng)用中非常有用。

• 引腳8 (Q1 - 輸出1)： BCD計(jì)數(shù)器的第二個(gè)輸出位（對(duì)應(yīng)2^1位），代表十進(jìn)制計(jì)數(shù)中的2的權(quán)重。

• 引腳9 (Q0 - 輸出0)： BCD計(jì)數(shù)器的第一個(gè)輸出位（對(duì)應(yīng)2^0位），代表十進(jìn)制計(jì)數(shù)中的1的權(quán)重。

• 引腳10 (VCC - 電源電壓)： 芯片的正電源輸入端，通常連接到+5V。

• 引腳11 (Q3 - 輸出3)： BCD計(jì)數(shù)器的第四個(gè)輸出位（對(duì)應(yīng)2^3位），代表十進(jìn)制計(jì)數(shù)中的8的權(quán)重。

• 引腳12 (Q2 - 輸出2)： BCD計(jì)數(shù)器的第三個(gè)輸出位（對(duì)應(yīng)2^2位），代表十進(jìn)制計(jì)數(shù)中的4的權(quán)重。

• 引腳13 (NC - 未連接)： 通常是未連接引腳，不應(yīng)與任何信號(hào)線連接。

• 引腳14 (CLK A - 時(shí)鐘輸入A)： 這是提供給內(nèi)部BCD計(jì)數(shù)器“除以2”部分的時(shí)鐘輸入端。通常，主時(shí)鐘信號(hào)會(huì)連接到此引腳，然后其輸出（Q0）可以連接到CLK B，以實(shí)現(xiàn)完整的“除以10”計(jì)數(shù)功能。

正確連接這些引腳對(duì)于74LS90的正常工作至關(guān)重要。電源和接地引腳（VCC和GND）必須正確連接到穩(wěn)定的電源。時(shí)鐘輸入引腳（CLK A和CLK B）接收外部時(shí)鐘脈沖，而輸出引腳（Q0-Q3）則提供計(jì)數(shù)器的二進(jìn)制編碼輸出。復(fù)位和置9引腳（R0(1), R0(2), R9(1), R9(2)）則用于控制計(jì)數(shù)器的初始狀態(tài)或在計(jì)數(shù)過(guò)程中進(jìn)行重置。

二、74LS90的功能特性與工作原理

74LS90是一個(gè)四位異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它被設(shè)計(jì)成一個(gè)具有獨(dú)立異步復(fù)位和預(yù)設(shè)功能的二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際上由兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器組成：一個(gè)模2（除以2）計(jì)數(shù)器和一個(gè)模5（除以5）計(jì)數(shù)器。

• 模2計(jì)數(shù)器： 這是一個(gè)簡(jiǎn)單的D觸發(fā)器，它的時(shí)鐘輸入是CLK A，輸出是Q0。每當(dāng)CLK A接收到一個(gè)下降沿脈沖時(shí)，Q0的狀態(tài)就會(huì)翻轉(zhuǎn)。

• 模5計(jì)數(shù)器： 這是一個(gè)三位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的時(shí)鐘輸入是CLK B。當(dāng)CLK B接收到下降沿脈沖時(shí)，該計(jì)數(shù)器會(huì)從000到100（即0到4）進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)。其輸出分別為Q1、Q2和Q3。

為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的二-十進(jìn)制（BCD）計(jì)數(shù)，通常將模2計(jì)數(shù)器的輸出Q0連接到模5計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入CLK B。這樣，當(dāng)CLK A接收到一個(gè)脈沖時(shí)，Q0會(huì)翻轉(zhuǎn)，然后這個(gè)翻轉(zhuǎn)會(huì)作為CLK B的時(shí)鐘信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模5計(jì)數(shù)器前進(jìn)。

2.1 計(jì)數(shù)模式

74LS90主要支持以下兩種計(jì)數(shù)模式：

• BCD計(jì)數(shù)（二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)）： 這是74LS90最常見(jiàn)的應(yīng)用模式。在這種模式下，Q0輸出連接到CLK B輸入，主時(shí)鐘信號(hào)加到CLK A輸入。計(jì)數(shù)器會(huì)從0000（0）開(kāi)始，每當(dāng)CLK A接收一個(gè)下降沿，計(jì)數(shù)器會(huì)遞增，直到1001（9）。從9跳到0時(shí)，所有輸出位都會(huì)同時(shí)變?yōu)榈碗娖健］敵鯭0、Q1、Q2、Q3分別代表BCD碼的1、2、4、8權(quán)重位。

• 雙獨(dú)立計(jì)數(shù)： 74LS90也可以用作一個(gè)獨(dú)立的模2計(jì)數(shù)器和一個(gè)獨(dú)立的模5計(jì)數(shù)器。在這種模式下，CLK A和CLK B分別接收獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)。Q0提供模2計(jì)數(shù)器的輸出，而Q1、Q2、Q3提供模5計(jì)數(shù)器的輸出。這種靈活性使得74LS90在需要不同分頻比的場(chǎng)合非常有用。

2.2 復(fù)位/置9功能

74LS90具有強(qiáng)大的復(fù)位和置9功能，這通過(guò)其R0和R9引腳實(shí)現(xiàn)：

• 同步復(fù)位（清零）： 當(dāng)復(fù)位輸入R0(1)和R0(2)都為高電平（邏輯1）時(shí)，無(wú)論CLK A或CLK B的狀態(tài)如何，計(jì)數(shù)器的所有輸出（Q0、Q1、Q2、Q3）都會(huì)立即被異步地清零（變?yōu)?000）。這意味著計(jì)數(shù)器會(huì)被強(qiáng)制復(fù)位到初始狀態(tài)。這個(gè)功能在需要計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)或在特定條件下重置計(jì)數(shù)器時(shí)非常有用。

• 同步置9： 當(dāng)置9輸入R9(1)和R9(2)都為高電平（邏輯1）時(shí)，并且R0(1)和R0(2)都為低電平（邏輯0）時(shí)，計(jì)數(shù)器的輸出會(huì)被異步地預(yù)設(shè)為1001（十進(jìn)制的9）。這個(gè)功能在需要計(jì)數(shù)器從9開(kāi)始向下計(jì)數(shù)（雖然74LS90本身是向上計(jì)數(shù)器，但通過(guò)外部邏輯可以實(shí)現(xiàn)向下計(jì)數(shù)），或者在某些需要預(yù)置為9的場(chǎng)景中非常有用。

這些復(fù)位和置9輸入是異步的，這意味著它們不需要等待時(shí)鐘脈沖的特定邊沿即可立即生效。這為電路設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性，允許在任何時(shí)候?qū)τ?jì)數(shù)器狀態(tài)進(jìn)行控制。

三、74LS90在實(shí)際電路中的應(yīng)用

74LS90因其多功能性而在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中擁有廣泛的應(yīng)用。

3.1 頻率分頻器

74LS90最常見(jiàn)的一個(gè)應(yīng)用是作為頻率分頻器。

• 除以10分頻： 這是最典型的應(yīng)用。將CLK A連接到輸入時(shí)鐘，Q0連接到CLK B。輸出Q3通常用于生成分頻后的信號(hào)。原始時(shí)鐘信號(hào)每輸入10個(gè)脈沖，輸出端（例如Q3）就會(huì)完成一個(gè)周期，從而實(shí)現(xiàn)10分頻。

• 除以2分頻： 僅使用內(nèi)部的模2計(jì)數(shù)器，將輸入時(shí)鐘連接到CLK A，從Q0端獲取除以2的輸出。

• 除以5分頻： 僅使用內(nèi)部的模5計(jì)數(shù)器，將輸入時(shí)鐘連接到CLK B，從Q3端（或Q1、Q2的組合）獲取除以5的輸出。

• 其他分頻比： 通過(guò)外部邏輯門(mén)（如與門(mén)、或門(mén)）將Q0-Q3的特定組合反饋到復(fù)位或置9輸入，可以實(shí)現(xiàn)任意模數(shù)的計(jì)數(shù)器，例如除以6、除以7等。

3.2 數(shù)字顯示驅(qū)動(dòng)

在需要驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管或其他數(shù)字顯示器時(shí)，74LS90可以作為BCD計(jì)數(shù)器，將輸入的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為BCD碼，然后通過(guò)BCD-七段譯碼器（如74LS47）驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)字。這種組合在計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)等應(yīng)用中非常常見(jiàn)。

3.3 脈沖計(jì)數(shù)器

74LS90可以直接用于對(duì)外部輸入的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。例如，在生產(chǎn)線上統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品數(shù)量，或者在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量實(shí)驗(yàn)事件發(fā)生的次數(shù)。通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)74LS90芯片，可以實(shí)現(xiàn)任意位數(shù)的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，從而處理更大范圍的計(jì)數(shù)需求。例如，兩個(gè)74LS90可以構(gòu)成一個(gè)00-99的計(jì)數(shù)器，三個(gè)則可構(gòu)成000-999的計(jì)數(shù)器。級(jí)聯(lián)時(shí)，前一個(gè)74LS90的Q3輸出可以作為下一個(gè)74LS90的CLK A輸入，以實(shí)現(xiàn)高位的進(jìn)位計(jì)數(shù)。

3.4 時(shí)序控制電路

在需要生成特定時(shí)序或延時(shí)的電路中，74LS90可以作為時(shí)間基準(zhǔn)分頻器。例如，在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可以利用74LS90對(duì)一個(gè)晶振產(chǎn)生的穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，從而產(chǎn)生不同頻率的控制信號(hào)，用于控制電機(jī)、閥門(mén)或其他執(zhí)行器的動(dòng)作。

3.5 序列發(fā)生器

雖然74LS90本身是計(jì)數(shù)器，但結(jié)合外部邏輯門(mén)，它可以被配置成一個(gè)簡(jiǎn)單的序列發(fā)生器，產(chǎn)生特定的二進(jìn)制序列。通過(guò)巧妙地利用其復(fù)位和置9功能，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的序列控制。

四、74LS90與其他計(jì)數(shù)器的比較

在數(shù)字邏輯領(lǐng)域，除了74LS90之外，還有許多其他類型的計(jì)數(shù)器，例如74LS160/161（同步預(yù)置BCD/二進(jìn)制計(jì)數(shù)器）和74LS390（雙重二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）。了解74LS90的獨(dú)特之處有助于更好地選擇合適的芯片。

• 異步計(jì)數(shù)特性： 74LS90是一個(gè)異步計(jì)數(shù)器，這意味著其內(nèi)部觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換并不是同時(shí)發(fā)生的，而是由前一級(jí)觸發(fā)器的輸出觸發(fā)下一級(jí)。這可能導(dǎo)致在高速應(yīng)用中存在一定的傳播延遲，從而產(chǎn)生毛刺（glitches）。相比之下，同步計(jì)數(shù)器（如74LS160/161）所有觸發(fā)器都由同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)同步觸發(fā)，因此通常具有更高的速度和更低的毛刺風(fēng)險(xiǎn)。

• BCD專用性： 74LS90是專門(mén)為BCD計(jì)數(shù)設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其非常適合進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)。而其他一些通用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器可能需要額外的邏輯才能實(shí)現(xiàn)BCD計(jì)數(shù)。

• 靈活性： 74LS90提供了模2和模5兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，這使得它在需要多種分頻比的場(chǎng)合具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

• 復(fù)位/置9功能： 74LS90的異步復(fù)位和置9功能非常方便，允許設(shè)計(jì)者在不考慮時(shí)鐘邊沿的情況下隨時(shí)控制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)。

盡管同步計(jì)數(shù)器在高速和毛刺敏感應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)，但74LS90因其簡(jiǎn)單易用、成本效益高以及在許多中低速應(yīng)用中表現(xiàn)良好而仍然被廣泛使用。在許多簡(jiǎn)單的數(shù)字顯示和分頻電路中，74LS90仍然是首選。

五、74LS90的電氣特性與注意事項(xiàng)

74LS90屬于TTL家族，其工作電壓通常為+5V。在使用時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面：

• 電源穩(wěn)定性： 確保為74LS90提供穩(wěn)定且去耦的+5V電源。在電源引腳VCC和GND之間并聯(lián)一個(gè)0.1μF的陶瓷電容，可以有效地濾除高頻噪聲，提高芯片的穩(wěn)定性。

• 輸入信號(hào)質(zhì)量： 確保輸入到CLK A和CLK B的時(shí)鐘信號(hào)具有清晰的上升沿和下降沿，并且滿足TTL電平標(biāo)準(zhǔn)（低電平0V-0.8V，高電平2V-5V）。信號(hào)抖動(dòng)或噪聲可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

• 未使用的引腳： 通常建議將未使用的輸入引腳連接到VCC（邏輯高）或GND（邏輯低），以避免它們浮空導(dǎo)致的不確定狀態(tài)或噪聲干擾。對(duì)于74LS90的復(fù)位/置9引腳，如果不需要其功能，通常會(huì)將其接地或通過(guò)電阻上拉到VCC。

• 輸出負(fù)載： 74LS90的輸出驅(qū)動(dòng)能力有限。在連接到其他TTL/CMOS芯片或LED等負(fù)載時(shí)，應(yīng)確保不超過(guò)其額定輸出電流。如果需要驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載，應(yīng)使用緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。

• 級(jí)聯(lián)考慮： 在級(jí)聯(lián)多個(gè)74LS90時(shí)，注意傳播延遲的累積。雖然對(duì)于大多數(shù)低速應(yīng)用這通常不是問(wèn)題，但在高速系統(tǒng)中，累積的延遲可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)序錯(cuò)誤。

六、總結(jié)

74LS90是一款功能強(qiáng)大且用途廣泛的TTL十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。通過(guò)對(duì)其14個(gè)引腳的詳細(xì)了解，以及對(duì)其內(nèi)部模2和模5計(jì)數(shù)器的工作原理、BCD計(jì)數(shù)模式、復(fù)位/置9功能的掌握，工程師可以靈活地將其應(yīng)用于各種數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，如頻率分頻、數(shù)字顯示、脈沖計(jì)數(shù)和時(shí)序控制等。盡管現(xiàn)代數(shù)字電路中出現(xiàn)了更先進(jìn)的同步計(jì)數(shù)器和可編程邏輯器件，但74LS90以其簡(jiǎn)單、可靠和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，在許多傳統(tǒng)和基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯應(yīng)用中仍然占據(jù)著重要的地位。掌握這款經(jīng)典芯片，對(duì)于理解數(shù)字電路的基本原理和設(shè)計(jì)方法具有重要的意義。