数字电路设计者必学：74LS90的同步与异步计数技术


# 摘要
数字电路中计数器是关键组件之一，而74LS90是一个广泛使用的十进制计数器芯片。本文首先介绍了数字电路及计数器的基础知识，然后详细分析了74LS90计数器的原理、特性和应用，分别探讨了同步计数技术和异步计数技术的基础知识，以及它们在74LS90计数器中的具体应用。接着，文章通过实践案例，阐述了如何设计和实现同步及异步计数器，并对实现结果进行了测试和性能分析。最后，文章探讨了74LS90计数器的高级应用，包括预置计数器和频率分频器的设计与应用，并通过实际电路应用案例展示了计数器的综合运用及其优化。本文旨在为电子工程设计者提供关于74LS90计数器应用的深入理解和实践指导。
# 关键字
数字电路；计数器；74LS90；同步计数；异步计数；频率分频器

参考资源链接：[74LS90的功能表.doc](https://wenku.csdn.net/doc/6465c4e65928463033d05a78?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. 数字电路与计数器基础

数字电路作为现代电子技术的核心，通过使用离散的电压信号代表二进制数值，在各种电子设备中执行逻辑运算和存储功能。计数器是数字电路中不可或缺的组成部分，负责对脉冲信号进行计数，可用于测量时间间隔、频率，以及执行算术运算等任务。在本章中，我们将探讨数字电路的基础知识，并对计数器的概念进行深入分析，为其在后续章节中的应用与设计打下坚实的理论基础。接下来，我们会从计数器的基本原理讲起，逐步过渡到计数器的分类及它们在数字系统中的实际应用。

# 2. 74LS90计数器原理及特性

### 2.1 74LS90计数器概述

#### 2.1.1 计数器在数字电路中的作用
计数器是数字电子系统中不可或缺的组成部分，它能够对输入脉冲的数量进行累计，并且在达到预设计数值时产生特定的输出，用于实现各种计时、计数和分频功能。计数器可以用于电子设备中的计时器、计数器、频率分频器以及状态机的设计中。其核心作用包括：

- 测量时间间隔：通过计数输入脉冲的频率和数量，可以测量特定的时间间隔。
- 事件计数：用于记录特定事件发生的次数，例如产品计数。
- 分频：计数器可以通过计数到一定值后输出一个脉冲，用于降低原始频率信号。
- 序列生成：在数字逻辑和计算机系统中，计数器可以生成序列或用于控制信号的产生。

#### 2.1.2 74LS90芯片的基本特性
74LS90是一款双十进制计数器，包含两个独立的4位二进制计数器，可以进行十进制计数。该芯片的基本特性主要包括：

- 两个独立的4位计数器：可以独立工作，也可以串联使用，以扩展计数范围。
- 同步清零：所有计数位可以在一个时钟周期内被同步清零。
- 直接置数功能：能够通过外部输入直接预置计数器的状态。
- 多种时钟控制模式：包括上升沿和下降沿触发。
- 负载能力较强：能够直接驱动LED数码管或其他中等负载的设备。
- 较低的功耗：在5V直流电压下工作。

### 2.2 同步计数技术基础

#### 2.2.1 同步计数的工作原理
同步计数器是计数器的一种，其关键特征在于所有的计数位（触发器）是同步工作的，即它们的所有时钟输入都是连接在一起的，并且在一个时钟脉冲到来时同时改变状态。同步计数器相对于异步计数器而言，有着更快的计数速度和更高的工作效率，因为不存在内部的时钟延迟问题。其工作原理可以分为以下步骤：

- 各个计数位在每个时钟脉冲到来时同时切换。
- 计数器内部含有逻辑电路来处理进位操作。
- 计数器在达到预定的最大计数值后，可以返回到初始状态继续计数，也可以通过外部逻辑控制停止计数。

#### 2.2.2 74LS90在同步计数中的应用
74LS90作为一款具有同步清零和直接置数功能的计数器，在同步计数应用中显得尤为灵活。在设计同步计数器时，可以通过将74LS90的时钟输入相连，并利用其输出进位信号连接到下一个计数器的时钟输入，从而实现更高位数的同步计数。74LS90的同步计数应用包括但不限于：

- 在并行进位同步计数器设计中，通过连接多个74LS90实现更大范围的计数。
- 利用同步清零特性，在特定条件下快速将计数器状态同步复位。
- 在需要频率分频的应用中，使用74LS90的计数特性，将高频信号分频为低频信号。

### 2.3 异步计数技术基础

#### 2.3.1 异步计数的工作原理
异步计数器与同步计数器不同，计数器的每个位（触发器）是通过前一位的输出触发的，而不是统一的时钟信号。因此，每个位的状态变化存在一定的延迟。异步计数器的优点包括设计简单和成本较低，但缺点是计数速度较慢且计数过程中的延迟较大。其工作原理可以概括为：

- 计数器的每个计