集成电路计数器

七、计数器的检修

前几篇系统介绍了TTL集成电路计数器的基本原理，现在我们以图1所示的比较典型的计数器插件板为例，介绍一下计数器的检修方法。在正常情况下，图1计数器的四个触发器输出端Q、Q-的波形和译码电路十个正向信号输出端的波形，应如图2所示。如果测得的波形不正常，就需要对计数器进行检修。

计数器插件板的检修，可分成两部分：第一部分是四级JK触发器组成的计数电路的检修；第二部分是译码电路和数字显示的检修。在逐级检查之前，先用万用表测量一下印刷电路板上线段之间有无短路、断路、虚焊；晶体管电极间以及与各电阻间有无碰脚，集成电路各引出端有无短接、悬空等；量一下5伏、180伏电源供给端，地线，以及输入波形、信号幅度等是否正常，各输出端Q、Q-间有无短路等等。先排除这些比较容易检查的表面故障，然后再进行如下的逐级检查。

（1）检测第一级触发器C\(_{1}\)

若检查发现C\(_{1}\)不正常，可用电烙铁将C1的输出端Q\(_{1}\)从印刷电路版上翘起，使其悬空，切断和后三级触发器的联系，从Q1和Q-\(_{1}\)端用示波器观察波形宽度，是否为输入波形的二倍。若不是，则再翘起C1的Q\(_{1}\)端，切断和译码电路的全部联系，排除译码电路对C1的影响。若依然不正常，则是C\(_{1}\)的JK触发器坏了，需要更换。

如果翘起C\(_{1}\)的Q-1端后，波形就正常，再焊上Q-\(_{1}\)，波形又变坏，则是译码电路的影响。可以逐个检查与Q-1相连的译码与非门，一个个的翘起与Q-\(_{1}\)相连的与非门上的相应输入端，观察Q-1波形的好坏，直至把坏的与非门找出来为止。

如果翘起C\(_{1}\)的Q1端时波形就变好了，焊上Q\(_{1}\)就变坏，这种情况大多是由于后级触发器的影响，应先检查后几级触发器，最后再返回检查与Q1相连的译码与非门有无故障。

（2）检测第二级触发器C\(_{2}\)

C\(_{2}\)和C1不同之处，在于C\(_{2}\)用了JK触发器的一个J端，这个J端跟C4的Q-\(_{4}\)相连，形成反馈。当发现Q2和Q-\(_{2}\)的波形不是图2所示的形状时，则先将这个J端翘起悬空，这时C2只起分频作用，观察Q\(_{2}\)、Q-2的波形宽度，是否是CP\(_{2}\)端波形的二倍。如果是，那就可能是这个J端已坏，或者是C3、C\(_{4}\)有故障，通过J端影响到C2。

在翘起C\(_{2}\)的J端后，可以用示波器观察一下翘起的J端的波形，若如图3所示那样，则这个J端没有坏。若得不到图3所示波形，可换用C2上的其它J端试试。在换用好的J端后，将J端焊上，如果Q\(_{2}\)、Q-2的波形仍不正常，则问题就出在后二级触发器或相连的译码门电路上了。这时，可翘起J端，切断反馈，采用如同检查C\(_{1}\)那样的方法，分别翘起Q2端和Q-\(_{2}\)端，检查故障是否在后二级触发器，还是在某一译码门电路。

实践证明，第二级触发器C\(_{2}\)的故障，大多数出在反馈端上，其次是译码电路的影响。译码门电路的交叉漏电流过大，会压低触发器的输出高电平，并影响波形。

（3）检测第三级触发器C\(_{3}\)

检查C\(_{3}\)的方法和检查C1的方法相似，因为C\(_{3}\)没有使用J端和K端，只起分频作用。当C3输出波形异常时，可翘起C\(_{3}\)的CP3端，将计数脉冲直接从CP\(_{3}\)端输入，观察Q3、Q-\(_{3}\)的波形。如果不起分频作用，则将Q3翘起悬空，检查是否是C\(_{4}\)影响。如果还没有分频作用，再翘起Q-3，并逐个检查与Q\(_{3}\)和Q-3相连的译码与非门。

（4）检测第四级触发器C\(_{4}\)

C\(_{4}\)的特点是使用了两个J端，Q-4还拉出反馈，CP\(_{4}\)又与CP2、Q\(_{1}\)相连，所以计数电路的检查重点在C4。为了更好地掌握C\(_{4}\)的故障检查方法，下面结合波形和数字管显示情况。从计数器的基本原理上解释一下几种常见故障的原因。

C\(_{4}\)相连的译码门电路的障碍，可用上述切断Q-4和C\(_{1}\)的J端相连的反馈线以及翘起Q4、Q-\(_{4}\)的方法，逐个检查。除此以外，常见的故障有以下三种：

（一）C\(_{4}\)输出端波形不是8∶2，而是6∶2；数字管的数字变化情况为0、1、2、3、4、5，6和8同时出现，7和9同时出现。产生这种故障的原因是：和Q2相连的C\(_{4}\)的J2端虚焊或J\(_{2}\)端已坏。

根据JK触发器的特性，C\(_{4}\)由“0”翻转为“1”的条件是：必须使C4的全部J端均为“1”，而且从CP\(_{4}\)端又接收到一个计数脉冲信号。从图1知，由于C4的J\(_{1}\)、J2分别和Q\(_{3}\)、Q2相连，J\(_{1}\)和J2的状态由Q\(_{3}\)、Q2决定，所以在正常情况下，在“8421”代码计数线路中，要想使C\(_{4}\)的J1=J\(_{2}\)=“1”，必须Q3=Q\(_{2}\)=“1”。但是如果J2虚焊或已坏，则不论Q\(_{2}\)等于“0”还是“1”，J2将失去Q\(_{2}\)对它的控制作用而始终为“1”状态，致使当Q2=“0”、Q\(_{3}\)=“1”时也能使C4的全部J端为“1”。这时只要再接收一个计数脉冲信号，C\(_{4}\)便由“0”变“1”。错误就是由此产生的。十进制5的状态是“0101”，按正常情况，再接收一个计数脉冲后应是“0110”（即6），但在C4发生误翻转为“1”的情况下，计数器状态变成“1110”。

“1110”状态在“8421”代码中是不应该出现的，有了故障才可能出现这种情况。这个状态，使Q\(_{4}\)=Q3＝Q\(_{2}\)=“1”、Q1=“0”，在译码电路中，使十进制数6的译码与非门电路（其输入端为Q\(_{3}\)、Q2、Q-\(_{1}\)）和8的译码与非门电路（其输入端为Q4、Q-\(_{1}\)）因“输入全高，输出为低”而都开门，所以数字管同时出现6和8两个数字。

同理，再接收一个计数脉冲后变成“1111”状态（正确时应为0111），使7和9二个译码与非门（前者输入端为Q\(_{3}\)、Q2、Q\(_{1}\)，后者输入端为Q4、Q\(_{1}\)）因输入端全部为高电平而开门，数字管同时出现7和9二个数字。之后再输入一个计数脉冲，状态变成“0000”，数字管显示0字。因而就造成了如下结果：

（二）观察C\(_{4}\)输出端波形为4∶2，数字管的数字变化情况为0、1、2、3，4和8同时出现，5和9同时出现，4、5、6、7、8、9。其原因是C4和Q\(_{3}\)相连的J1端虚焊或已坏。

J\(_{1}\)的状态应由与之相连的Q3决定，如果J\(_{1}\)悬空，则不论Q3等于“0”还是“1”，J\(_{1}\)总呈“1”状态。也就是说，Q3=“0”时，也能使C\(_{4}\)的全部J端为“1”，这时只要接收一个计数信号，C4便由“0”变“1”。十进制数字3的状态是“0011”，按理，再接收一个计数脉冲后应是“0100”状态（即4），但现在因C\(_{4}\)误翻转为“1”，状态变成“1100”。

“1100”状态在“8421”代码中也是不应该出现的，这个状态，使Q\(_{4}\)=Q3=“1”、Q\(_{2}\)=Q1=“0”，在译码电路中，使十进制数4的译码与非门电路（其输入端为Q\(_{3}\)、Q-2、Q-\(_{1}\)）和8的译码与非门电路（其输入端为Q4、Q-\(_{1}\)）都开门，数字管同时出现4和8两个数字，使4误为4、8。同理，再接收一个计数脉冲后变成“1101”状态，使5和9两个译码与非门同时开门，数字管同时出现5和9两个数字。

之后，再输入一个计数脉冲，C\(_{1}\)由“1”变“0”；C2则因Q-\(_{4}\)=“0”的反馈控制，保持“0”状态；C3也因无输入仍保持原状态“1”；C\(_{4}\)则因Q1的下降沿输入CP\(_{4}\)，而由“1”变“0”。计数器状态呈“0100”，即数字4的状态，使6误为4，以下类推，形成结果见10页表。

（三）观察C\(_{4}\)输出端波形为2∶2，数字管变化情况为0、1，2和8同时出现，3和9同时出现，4、5，6和8同时出现，7和9同时出现。其原因是C4的两个J端J\(_{1}\)、J2都虚焊或已坏。

C\(_{4}\)的J2和J\(_{1}\)的状态，应该是分别由Q2和Q\(_{3}\)来控制的，如果J2和J\(_{1}\)虚焊或已坏，则Q2和Q\(_{3}\)不论是“0”还是“1”状态，C4的J\(_{2}\)和J1总为“1”状态不变。因此当十进制数1的状态“0001”到来时，虽然这时Q\(_{2}\)＝Q3＝“0”，但对于J\(_{1}\)、J2悬空的C\(_{4}\)来讲，等于是J1=J\(_{2}\)=“1”，所以再接收一个计数脉冲后，按正常情况应为“0010”状态，但因C4发生误翻，故整个计数器状态变为“1010”。这就使2、8二个译码与非门（一个输入是Q-\(_{3}\)、Q2、Q-\(_{1}\)，另一个输入是Q4、Q-\(_{1}\)）都开门，数字管同时出现2和8两个数字。同理，再输入一个计数脉冲后变为“1011”状态，使3和9二个数字同时出现。

之后，再输入一个计数脉冲，C\(_{1}\)由“1”→“0”；下降沿输给C2和C\(_{4}\)，使C2、C\(_{4}\)由“1”→“0”C3因接受C\(_{2}\)的负阶信号由“0”→“1”；计数器是“0100”，这就是数字4的状态。5之后6和8同时出现，7和9同时出现，其理同上。所以形成了下列结果：

（1）计数不稳，时而正常，时而数字乱跳。出现这种现象，主要有三种原因：

第一种可能是输入计数脉冲的后沿不佳（因为JK触发器为后沿触发），使计数触发器有时能翻转，有时不翻转，造成计数不稳。这就需要改善输入脉冲波形，为此，可采用图4所示的整形电路，对输入计数脉冲进行整形。

第二种可能是外界干扰，如电源干扰、电磁干扰、环境干扰等造成的。尤其是从触发器的R端、S端、空着不用的J端和K端产生干扰。为了排除这些干扰，就需采取一系列抗干扰措施，如对于R端和悬空不用的S、J、K端，应串1K电阻接5V，并连5μf电容接地。

第三种可能是触发器的负载能力差，使四级触发器的工作状态不稳定，从示波器中看到的是断断续续的不整齐的波形。这就需要对触发器逐级检查，并更换掉质量较差的触发器。

（2）同时出现多个数字，或十个数字同时出现，并且不变化，有时十个数字都很模糊。

大多是由于译码和反相与非门的电源电压5V偏低，使译码与非门的输出总为低电平，不能正常工作。当译码、反相与非门的电源电压断路或接错插座号时，驱动用高反压晶体管全部导通，亦会出现十个数字都亮但很模糊的现象。

（3）重字。

如每当轮到显示5时，同时出现7字（轮到显示7时，并没有5）。

显示5的状态为“0101”，其译码与非门输入端为Q\(_{3}\)Q-2Q\(_{1}\)，显示7的状态为“0111”，其译码与非门输入端为Q3Q\(_{2}\)Q1。当7的译码与非门接Q\(_{2}\)的那端因虚焊或损坏时，该端总为“1”，故当“0101”状态时，5、7二个译码与非门都开门，所以5、7同时出现。反之，在状态“0111”时，5的译码与非门关门，故显7字时无5。

同理，在显示7时有3，显示3时无7；显示5时有4，显示4时无5等等，都是类似的毛病。

如果重字现象为显示5时有7，显示7时也有5。这是由于5、7二个相应驱动晶体管集电极（外壳）碰在一起短路，或接5、7晶体管的电阻短路，或接数字管的5、7的引线短路，或5、7门电路输出端短路等原因造成的，用万用表很容易检查出来。

（4）漏字。这要作具体分析，看漏掉哪些数字。

（一）如漏掉0和1，按2、3、……9顺序连续变化。这是由于从Q-\(_{4}\)反馈到C2的J端的连线断开或C\(_{2}\)的J端虚焊、损坏引起的。因为这条反馈线如果断路，就不再是二一十进制，C2变成只起二分频作用。四级触发器若按“8421”代码变化时，C\(_{2}\)的状态应为：

当C\(_{2}\)按二进制变化的话，因8、9为“0、0”状态，翻转后下二个数变为“1、1”状态，因而使计数器的状态本应为“0000”、“0001”，变成了“0010”、“0011”，这就跳过了数字0和1。

（二）漏掉8、9二个数字，按0、1、……7，0、1……7顺序连续变化。这是由于C\(_{4}\)出了故障，不能翻转，Q4始终为“0”状态，而显示8、9两个数字时，C\(_{4}\)应呈“1”状态。

（三）漏掉2、3两个数字，按0、1、4、5……9连续变化。这是由于C\(_{2}\)出了毛病，不能翻转，Q2始终为“0”状态。有时只有0、1、0、1而无其它数字，或只有2、3、2、3而无其它数字，也是由于C\(_{2}\)不翻转。

（四）漏掉4、5、6、7，或只有4、5、6、7。其原因是C\(_{3}\)不翻转。

（五）按1、3、5、7、9顺序连续变化，漏掉偶数数字，或按0、2、4、6、8顺序连续变化，漏掉奇数数字。原因是C\(_{1}\)不翻转。

（5）每轮到某数字就不亮，或者模糊不清，但并未漏掉这个数字。

当轮到某个数字亮时，相应的译码与非门开门，反相与非门关门，驱动晶体管饱和。所以可以顺着这个次序用万用表测量或用示波器观察。常见故障原因是门电路损坏、虚焊、短路；驱动晶体管管脚间短路、晶体管损坏；数字管连接处断路、数字管座虚接等，都比较容易检查出来。

（6）某个数字总亮不灭。

说明这个数字相应的驱动晶体管总处在饱和导通状态。其原因大多为译码门电路输出幅度过低，或输出端与地短路，或反相门电路损坏，使驱动晶体管基极总为高电平；或者晶体管极间短路等。

（7）置零时出现故障。

若在置零时，显示数字1，或显示0、1两个数字。其原因是C\(_{1}\)的R端虚焊或R端已坏，致使C1不能置“0”。因为置“0”的状态为“0000”，若R\(_{1}\)已坏，则出现“0001”，显示1字。如果输入连续信号，显示管在不断变动之中，置“0”时C1连续翻转为“0”和“1”，变动极快，看起来就同时出现0、1两个数字。若在置零时，数字管显2字，或显4字，或显8字。其原因是C\(_{2}\)或C3或C\(_{4}\)的R端虚焊或失灵。

在大量使用计数插件板的部门，为便于检修，最好自制一套简易测试仪，如图5所示，包括（1）连续脉冲信号源；（2）手动计数装置；（3）放大调幅电路；（4）电源；（5）触发器状态和数字显示指示灯。

方波信号源由四只与非门电路组成RC环形多谐振荡器，为了使频率在很大范围内调节，以便既可直接用肉眼观察，又能用示波器显示，用四只电解电容器作粗调，用2.2K电位器作细调，周期可在几秒到千分之几秒的范围内变动。

手动累计部分，用两只与非门组成RS触发器，以获得后沿较陡的计数脉冲，只要一次次按动微动开关，就得到一个一个的计数脉冲信号。

为了使输入计数板的脉冲信号幅度可以调节，设置放大调幅电路，调幅范围约为0.5伏到4伏，用它可以检测计数板的灵敏度。

5伏电源需采用稳压装置，180伏不需稳压，图中对5伏稳压和180伏高压都采取了可调形式。

为了检查触发器的翻转情况和数字显示是否正常，用小电珠显示电平状态，当“1”状态时，驱动晶体管基极为高电平，小电珠发光，这样观察比较直观。仪器面板上除了安置指示灯外，最好还附装指示5伏、180伏电压的电表。

（《集成电路计数器》连载完毕）（天津市四十二中学 凌肇元）