数字系统设计-脉冲电路总括

1、12016 -#10-脉冲电路脉冲电路Prerequisites预修课程预修课程 电电子子电电路基路基础础 电电子子线线路路 C语语言言 How to learn this Course?Not only listening, thinking and waiting .But Exercise, Simulation, Practice! 课程简介课程简介 课程代码：课程代码：111C0120 参考书参考书 阎石, 数字电子技术基础, 第5版, 高等教育出版社, 2006. 王金明著，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，第5版 补充讲义/期中考试前预备 Stanford 大

2、学 108A课程notes. R.H.Katz, G.Borriello, Contemporary Logic Design, second edition,电子工业出版社, 2005. M.M.Mano, 数字设计(第四版), 电子工业出版社, 2010. http:/ -#10Other Course Info Website: http:/ 8/数字系统设计/2016/数字系统设计/2016/, 暂停 Check frequently 答疑答疑 玉泉信电楼308室/周四下午2:30-5:00 上课课间、课后均可 Email，微信群，短信均可Grading

3、(考核考核)Final grades will be computed approximately as follows:期中考试期中考试-10%课程课程作业作业+小测验小测验+上课上课出勤率出勤率+Project - 20% Class Room Check Homework Sets 作业上交截止期为课后一周内有效Project 2 projects (1 or 2 members team) Project-2可可选选（ （总评总评加分加分35分，但不超分，但不超过过平平时时成成绩绩范范围围） ）Finial Exam期末期末闭卷闭卷考试考试 - 70%授课时间和地点授课时间和地点： 2

4、016年春夏学期年春夏学期，周二上午，第3、4节(9:50-11:25)星期四上午，第1、2节(08:00-09:35)地点：紫金港西1-520(多) http:/ -#10课程结构课程结构 数字理论知识数字理论知识(必备必备) 数字系统和编码、逻辑代数、门电路 数字电路分析与设计数字电路分析与设计 组合逻辑电路 触发器、半导体存贮器、可编程器件 时序逻辑电路 脉冲电路脉冲电路与接口与接口 控制器与数字系统控制器与数字系统 状态机 控制器 微码控制器 测试和验证测试和验证 微处理器简介微处理器简介Monostable Multivibrator -脉冲电路脉冲电路 （1）9概述概述施密特触发器

5、施密特触发器单稳态单稳态触发器触发器 - -微分型微分型 - -积分型积分型10概概述述 参数脉冲周期T脉冲幅度Vm脉冲宽度Tw上升时间tr下降时间tf占空比q q= Tw/T 获取矩形波形 多谐振荡器电路 整形电路变换已有的周期性波形一阶线性电路的暂态分析一阶线性电路的暂态分析1.什么叫一阶电路？什么叫一阶电路？一个独立的储能元件的电路。即经串、并联可化简为RC （或RL）电路。例：例：R1R2C2C1EKR1R2C2C1EKR1 +R22121CCCC一价电路一价电路R1R2C2C1高价电路高价电路122. 一阶电路的分析一阶电路的分析解微分方程法三要素法前提前提？阶跃信号阶跃信号 （1）

6、三要素时间常数时间常数：初始值初始值x(0+)：趋向（稳态）值趋向（稳态）值x()：RL,RC)0(i)0(i),0(v)0(vLLcc电容不再充放电，电容不再充放电，ic=0.此时，电容可视为开路。此时，电容可视为开路。电感电流不再变化，电感电流不再变化，vL=0.此时，电感可视为短路。此时，电感可视为短路。te)(x)0(x)(x) t (x13施施密密特触发器特触发器Schmitt-trigger circuit 输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平，与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。 在电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿

7、变得很陡。 将边沿变换缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，将边沿变换缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除。it does exhibit a type of memory characteristic that makes it useful in certain special situations.1410.2 10.2 施密特触发器施密特触发器一.CMOS非门构成10.2.1 10.2.1 用门电路组成施密特触发器用门电路组成施密特触发器条件：条件：21RR 假设：假设：CMOS为理想器件，即为

8、理想器件，即V0V,VV, 2/VV,ROLDDOHDDTHi(1)o211I212vRRRvRRRvI与与vi、vo均有关均有关当当2/VvDDiTH21iV)RR1 (v电路输出低电平电路输出低电平当当2/VvDDiTHiVRRv)1 (21电路输出高电平电路输出高电平TVTV正向阈值电压正向阈值电压负向阈值电压负向阈值电压15DDV2/VDDTVTVivOivoVO当当vIVT-时，时，VO=0（OA段、段、DE段）段）（2）当）当VT- vI VT+时，时，VO= VDD（BC段）段）当当vI从从0变大时，变大时，ABCDEi212IvRRRvTHIVv vIVT-时时，,VO=VDD

9、（CD段）段）vi略小于略小于VT-时，时，有一正反馈过有一正反馈过程程IvVOVDD正反馈正反馈正反馈正反馈164.电压传输特性电压传输特性 vo=f(vI)OVDDVDD/2VT+VT-vovIVDDOVDDVDD/2VT+VT-vIVDDovDD21VRR特点：滞后特性特点：滞后特性同相施密特同相施密特反相施密特反相施密特17Standard inverter response to slow noisy input, Schmitttrigger response to slow noisy input.10.2.2 集成施密特触发器一、一、74xx131.电路结构电路结构2.电路符号

10、电路符号3.电压传输特性电压传输特性19二、二、CD401061.电路结构电路结构2.电路符号电路符号3.电压传输特性电压传输特性10.2.3 施密特触发器的应用施密特触发器的应用一一 波形变换波形变换（整形）（整形）与电压比较器区别？与电压比较器区别？抗干扰能力强抗干扰能力强比较电平比较电平用反向比较器用反向比较器IvovIv用反向施密特触发器用反向施密特触发器 VT+ VT-ov抗干扰能力与滞后电压大小有关。抗干扰能力与滞后电压大小有关。例例1：21功能：筛选出幅度大于某一阀值的脉冲。功能：筛选出幅度大于某一阀值的脉冲。阀值阀值2210.3单稳态触发器特点单稳态触发器特点ONE-SHOT

11、触发器有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也被称为。 与双稳态电路不同，只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0，要么是1。的工作特点是： 在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；态； 受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂暂稳态稳态”。假设稳态为。假设稳态为0，则暂稳态为，则暂稳态为1。 经过一段时间经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的在暂稳态停留的时间时间仅仅仅仅取决

12、于电路本身的参数取决于电路本身的参数。 积分电路是一种求和平均电路(积分 = 求和)，而微分电路是一种提取信号变化部份的电路，信号变化越快，输出越大(微分 = 求变)。 23积分电路与微分电路积分电路与微分电路 对于有RC构成的来说，输出取自电容，输出电压是与电容上的电压成正比的。从电容特性知道，电容上的电压正比于它上面的电荷，而电容上的电荷是流过电容电流在时间上的积分(记住电流的概念是单位时间流过的电荷)，所以输出电压正比于对电容电流的积分，故称积分电路。的输出是在电阻上取出的(关键的区别!)，根据欧姆定律，电阻上的电压正比于流过电阻的电流，而流过电阻的电流也就是流过电容的电流。从上面讨论知

13、道，流过电容的电流正比于电容上电压的微分，所以，输出电压正比于电容电压的微分，故称微分电路。24微分电路微分电路 微分电路：微分电路： 电路结构如图W-1，微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，此电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。 而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。 此电路的R*C必须远远少于输入波形的宽度，否则就失去了波形变换的作用，变为一般的RC耦合电路了，一般R*C少于或等于输入波形宽度的1/10就可以了。 25积分电路积分电路 电路结构如图J-1，积分电路可将矩形

14、脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。 电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的时间常数R*C，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的宽度。10.3单稳态触发器单稳态触发器MONOSTABLE MULTIVIBRATOR概念概念外力外力稳定稳定不稳定不稳定1.电路有电路有稳态稳态和和暂稳态暂稳态两个状态。两个状态。2.在触发脉冲（在触发脉冲（外力外力）作用下，）作用下，电路可进入暂稳态，并在暂稳态电路可进入暂稳态，并在暂稳态持续一段时间后，自动返回稳态。持续一段时间后，自动返回稳态。3. 暂稳态持续一时间与电路

15、参数有暂稳态持续一时间与电路参数有关，与触发脉冲的宽度和幅度无关。关，与触发脉冲的宽度和幅度无关。单单稳稳态态触发脉冲触发脉冲输出输出wt稳态稳态暂稳态暂稳态示意框图示意框图注意：注意：触发脉冲也可负脉冲；触发脉冲也可负脉冲；电路也可以输出负脉冲。电路也可以输出负脉冲。OS symbol and typical waveforms for nonretriggerable operation2728用门电路组成的单稳态触发器用门电路组成的单稳态触发器一、微分型单稳态触发器一、微分型单稳态触发器1.电路组成电路组成（CMOS门门和和RC微分电路微分电路）输入微分输入微分一般：一般：R1k,分析时

16、可怱略分析时可怱略ROH、ROL的影响的影响对于对于CMOS门，可作以下近似：门，可作以下近似：2/VV;R;VV,V0VDDTHiDDOHOL输入微分输入微分作用：作用：使触发信号对暂稳持续时间不影响使触发信号对暂稳持续时间不影响2.原理：原理：（1）求稳态：）求稳态： 电路不再充放电，电路可视电路不再充放电，电路可视为为开路。开路。DD2IVvDD1OVvv0vCv0vO为下一阶段服务为下一阶段服务29OOIv稳态稳态Odv1OvOCvOOvvcO2Iv(2)准稳态：加入触发脉冲准稳态：加入触发脉冲保证，保证，Vd可撤可撤准稳态等效电路准稳态等效电路充电充电VTH准稳态准稳态1oo2Ivv

17、v启动启动正反馈过程，电路进入准稳态正反馈过程，电路进入准稳态保证保证当当 VI2上升至略上升至略VTH时，启动时，启动正反馈过程，正反馈过程，准稳态结束准稳态结束o2I1odvvvv30准稳态等效电路准稳态等效电路充电充电求准稳态持续时间求准稳态持续时间tw ？RCv)(v0)0(vDD2I2I)e1 (v) t (vRC/ tDD2I2/v)t (vDDw2IRC69. 0twtwOOdv1OvOCvOOvO2IvVTHOIv31恢复期等效电路恢复期等效电路（3）恢复期恢复期OOdv1OvOCvOOvO2IvVTHOIv恢复期恢复期vc放电放电求恢复期求恢复期Tre，电路达到稳态的时间，电

18、路达到稳态的时间1.5VDDCRRRvvvvONSDDIDDI)/()(5.1)0(22理论上，达到稳态需理论上，达到稳态需时间；时间；一般认为，（一般认为，（35）时间基本上达到稳态时间基本上达到稳态趋向趋向VDD32二、积分型单稳态触发器二、积分型单稳态触发器1.电路组成电路组成（TTL门门和和RC积分电路积分电路）原理：原理：IvOtOOvttO1OvOAvtVTH计算计算tw ？tw等效电路等效电路在在tw期间，期间，VA为高电平为高电平C)RR(V)(vV)0(vOOLAOHATHOLOHOLOwVVVVlnC)RR(t33电路结构与工作原理 (74 121)微分型单稳控制附加电路3

19、435200lnlnln)()()()(RCVVVRCVVVVRCtTHCCCCtw可重复触发？不可重复触发？36Nonretriggerable One-ShotRetriggerable One-Shot37The 74121 is a single nonretriggerable one-shot IC; the 74221, 74LS221, and 74HC221 are dual nonretriggerable one-shot ICs; the 74122 and 74LS122 are single retriggerable one-shot ICs; the 74123

20、, 74LS123, and 74HC123 are dual retriggerable one-shot ICs.Logic symbols 74121 nonretriggerable one-shot38(a) traditional; (b) IEEE/ANSI.3940One-shots find limited application in most sequential clock-controlled systems, and experienced designers generally avoid using them because they are prone to

21、false triggering by spurious noise. When they are used, it is usually in simple timing applications that utilize the predetermined interval.CLOCK GENERATOR CIRCUITS -脉冲电路脉冲电路 （2）422. 一阶电路的分析一阶电路的分析解微分方程法三要素法前提前提？阶跃信号阶跃信号 （1）三要素时间常数时间常数：初始值初始值x(0+)：趋向（稳态）值趋向（稳态）值x()：RL,RC)0(i)0(i),0(v)0(vLLcc电容不再充放电，

22、电容不再充放电，ic=0.此时，电容可视为开路。此时，电容可视为开路。电感电流不再变化，电感电流不再变化，vL=0.此时，电感可视为短路。此时，电感可视为短路。te)(x)0(x)(x) t (x43 - -对称式多谐振荡器对称式多谐振荡器 - -非对称式多谐振荡器非对称式多谐振荡器 - -环形振荡器环形振荡器 - -施密特触发器组成的多谐振荡器施密特触发器组成的多谐振荡器 - - 555定时器的定时器的电路结构与功能电路结构与功能 - - 555定时器构成定时器构成施密特触发器施密特触发器 - - 555定时器构成定时器构成单稳态触发器单稳态触发器 - - 555定时器构成定时器构成多谐振荡

23、器多谐振荡器 44（自激振荡，不需外加触发信号）10.4.1 对称式多谐振荡器一、工作原理（一、工作原理（TTL）(1)静态（未振荡）时应是不稳定的开始放电。开始充电，电路进入第一个暂稳态迅速跳变为高。迅速跳变为低，而使，则有：有微小由于“扰动”使212122112CCVVVVVVVOOOIOII,)(!45开始放电。开始充电，电路进入第二个暂稳态迅速跳变为低。迅速跳变为高，而使将起引起如下正反馈：时，再充至当1221112223CCVVVVVVVVOOOIOITHI,)(46二、电压波形二、电压波形47三、振荡频率计算三、振荡频率计算的时间从充电开始到充至的时间从充电开始到充至THITHIV

24、VVVT2121212FEFFOHBECCOHERRRRRRVVVVV/)(THEIKEEVVVVCRTln210.4.2非对称式多谐振荡器电路非对称式多谐振荡器电路1.电路组成：2. 原理 以以CMOS器件为例分析器件为例分析1 IvOtO1OvtO2OvtOCvtVTH电路分析起点：电路分析起点：开机瞬间：开机瞬间：v(0-)=0假设假设VO1=0第一第一暂稳暂稳第二第二暂稳暂稳VC充电充电放电放电假设假设VO1=0分析起点分析起点10.4多谐振荡器多谐振荡器multivibrator对于对于TTL要求：要求：RFROFF,RpROFF493.计算振荡周期计算振荡周期1 IvOtO1Ovt

25、O2OvtVTHtw2tw1（1） 计算计算tw1：充电充电2VDDVDDCRC)RR(V)(vV5 . 0)0(vff)P(ONDD1 IDD1 ItDDDD1 IeV5 . 1V) t (v2DDTHVV3CLnR3Lntf1w501 IvOtO1OvtO2OvtVTHtw2tw1（2） 计算计算tw2：DDV230VCRC)RR(0)(vV5 . 1)0(vff)P(ON1 IDD1 ItDD1 IeV5 . 1) t (v2DDTHVV3CLnR3Lntf2w放电放电3CLnR2ttTf2w1w周期周期5110.4.3 环形振荡器环形振荡器1.电路组成电路组成：2.波形分析波形分析:以

26、VO从0变为1开始O)v(vO1 ItO2IvtO3Ivttpdtpdtpd3.周期周期：pdt 6T4.推广推广：其中：其中：n为奇数，且为奇数，且n3pdnt2T52频率高，获取低频脉冲困难。频率高，获取低频脉冲困难。频率不稳定，且频率不易调节。频率不稳定，且频率不易调节。5.特点特点 ：6.带RC延时的环形振荡器环形振荡器：目的：获取较低振荡频率目的：获取较低振荡频率（1）原理性电路）原理性电路（2）实用电路）实用电路振荡周期：振荡周期：CMOSRC2 . 23RCLn2TTTL（估算）（估算）RCT2 . 2对于对于TTL要求：要求：RROFF,RSROFF与与R、RS及及TTL类型有

27、类型有关关5310.4.4 1.电路结构电路结构IvtOVT-VT+OvtOVOHVOL2.原理原理3.振荡周期振荡周期)VVVVVVln(RCTTTTDDTDD4.改进型改进型目的，调节占空比。目的，调节占空比。54Note the maximum limits on the resistance value for each device. The circuit will fail to oscillate if R is not kept below these limits.10.4.5 石英晶体多谐振荡器石英晶体多谐振荡器crystal-controlled clock gener

28、ator二、二、石英晶体石英晶体特性曲线特性曲线工作区（很窄）：工作区（很窄）：并联型振荡电路并联型振荡电路串联型振荡电路串联型振荡电路短路区：晶体作短路线用短路区：晶体作短路线用感性区：晶体作电感用感性区：晶体作电感用一、一、RC振荡器的缺点振荡器的缺点频率稳定性差频率稳定性差原因原因f与与VT有关，因此频率有关，因此频率受温度、电源电压影响受温度、电源电压影响易受干扰易受干扰RC本身也不稳定本身也不稳定解决方法：解决方法：56quartz crystalFrequencies from 10 kHz to 80 MHz are readily achievableCrystal-contr

29、olled clock generator circuits are used in all icroprocessor-based systems and microcomputers, and in any application in which a clock signal is used to generate accurate timing intervals.571.对称式晶体振荡器电路对称式晶体振荡器电路三、电路结构三、电路结构TTL串联型串联型2.非对称式晶体振荡器电路非对称式晶体振荡器电路TTL（或（或CMOS）串联型）串联型3.CMOS并联型晶体振荡器电路并联型晶体振荡器

30、电路1CC1C2原理说明图：原理说明图：ACC2C15810.5 神奇的神奇的555时基集成电路时基集成电路555 timer Timer IC 最早最早1971年年Signetics Corporation发布发布 当时当时的的Timer IC In mid 1972, Philips Semiconductors introduced the 555 timer 40年来年来使用，有许多应用电路使用，有许多应用电路59神奇的神奇的555时基集成电路时基集成电路 There can be no doubt that the 555 timer has altered the course o

31、f the electronics industry with an impact not unlike that of the IC operational amplifier. The simplicity of the timer has lured many designers from mechanical timers, op amps, and various discrete circuits into the ever increasing ranks of timer users. The 555 timer consists of two voltage comparat

32、ors, a bistable flip-flop, a discharge transistor, and a resistor divider network. 555名字的来历？名字的来历？Features Low turn-off time Maximum operating frequency greater than 500 kHz Timing from microseconds to hours Operates in both astable and monostable modes Output can source or sink up to 200 mA Adjusta

33、ble duty cycle TTL compatible Temperature stability of 0.005% per C60NE555 IC Recommended Operating Conditions Operating CharacteristicsVCC = 5 V to 15 V, TA = 25C10.5 555定时器及其应用定时器及其应用555 timer10.5.1 555定时器定时器电路结构与功能一、结构图一、结构图二、功能表：（二、功能表：（控制端控制端VCO悬空悬空）输入输出VI1VI2VOTD状态01DRCCV32CCV31CCV32CCV31CCV31

34、CCV32CCV31CCV32阈值端阈值端触发端触发端放电端放电端复位端复位端0导通导通0导通导通不变不变 不变不变1截止截止1截止截止RSR=0，S=1R=1，S=1R=1，S=0R=0，S=062电路图电路图10.5.2 用用555定时器接成的施密特触发器定时器接成的施密特触发器10TDVOVI2VI1输出输入DRCCV32CCV31CCV32CCV31CCV31CCV32CCV31CCV320导通导通0导通导通不变不变不变不变1截止截止1截止截止IvtO2/3VCC1/3VCCOvtO 原理原理电压传输特性电压传输特性6410.5.3 用用555定时器接成单稳态触发器定时器接成单稳态触发

35、器输 入输 出0XX0导通10导通1不变不变11截止11截止CCV32CCV31CCV32CCV32CCV32CCV31CCV31CCV31DR1IV2IVOVDT65保持放电导通充电至截止若通电后保持导通若通电后即可，稳态时，无触发信号：01100321011001311211212QVVCTQVVVCTQQVVVTQVVVCCDCCCCDCCCDCCCI)(导通稳态：DOITVV,0166）已经回到高于时（假定此时充至当CCICCCVVVV3132保持开始放电至导通则01100102121QVVCTQVVCCDCC,开始充电截止则降至只要触发时CTQVVVVVDCCCCII,101312167OIv1/3VCCOvtOCvtO2/3VCCVI2VI1VCC计算计算twtwRCV)(v0)0(vCCCC)e1 (V) t (VtCCCCCtCCwCV32)e1 (V)t (VWRC1 . 13lnRCtw68性能参数性能参数：暂稳态输出的宽度3320lnlnRCVVVRCtCCCCCCw的宽度有何要求？对IV的宽度过宽？若IV69是否可以重复触发？导通稳态：DOITVV,01开始充电截止