數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)-脈沖電路基本組成及原理分析

1、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)1ZDMC Lec. #19數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)2ZDMC Lec. #19概述概述施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器 - -微分型微分型 - -積分型積分型數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)3ZDMC Lec. #19q參數(shù) 脈沖周期T 脈沖幅度Vm 脈沖寬度Tw 上升時(shí)間tr 下降時(shí)間tf 占空比qq= Tw/Tq獲取矩形波形 多諧振蕩器電路 整形電路變換已有的周期性波形數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)4ZDMC Lec. #191.什么叫一階電路？什么叫一階電路？一個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能元件的電路。即經(jīng)串、并聯(lián)可化簡(jiǎn)為RC （或RL）電路。例：例：R1R2C2C1EKR1R2C2C1EKR1 +R22121CCCC一價(jià)電

2、路一價(jià)電路R1R2C2C1高價(jià)電路高價(jià)電路數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)5ZDMC Lec. #192. 一階電路的分析一階電路的分析解微分方程法三要素法前提前提？階躍信號(hào)階躍信號(hào) （1）三要素時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)：初始值初始值x(0+)：趨向（穩(wěn)態(tài)）值趨向（穩(wěn)態(tài)）值x()：RL,RC)0(i)0(i),0(v)0(vLLcc電容不再充放電，電容不再充放電，ic=0.此時(shí)，電容可視為開(kāi)路。此時(shí)，電容可視為開(kāi)路。電感電流不再變化，電感電流不再變化，vL=0.此時(shí)，電感可視為短路。此時(shí)，電感可視為短路。te)(x)0(x)(x) t (x數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)6ZDMC Lec. #19q特點(diǎn) 輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路

3、狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，通過(guò)電路內(nèi)部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。q將邊沿變換緩慢的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)7ZDMC Lec. #19一.CMOS非門(mén)構(gòu)成1 1 用門(mén)電路組成施密特觸發(fā)器用門(mén)電路組成施密特觸發(fā)器1 . 電路組成2 . 符號(hào)3 . 原理?xiàng)l件：條件：21RR 假設(shè)：假設(shè)：CMOS為理想器件，即為理想器件，即V0V,VV, 2/VV,ROLDDOHDDTHi(1)o211I212vRRRvRRRvI與與vi、vo均有關(guān)均有關(guān)當(dāng)當(dāng)2/

4、VvDDiTH21iV)RR1 (v電路輸出低電平電路輸出低電平當(dāng)當(dāng)2/VvDDiTHiVRRv)1 (21電路輸出高電平電路輸出高電平TVTV正向閾值電壓正向閾值電壓負(fù)向閾值電壓負(fù)向閾值電壓數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)8ZDMC Lec. #19DDV2/VDDTVTVivOivoVO當(dāng)當(dāng)vIVT-時(shí)，時(shí)，VO=0（OA段、段、DE段）段）（2）當(dāng)）當(dāng)VT- vI VT+時(shí)，時(shí)，VO= VDD（BC段）段）當(dāng)當(dāng)vI從從0變大時(shí)，變大時(shí)，ABCDEi212IvRRRvTHIVv vIVT-時(shí)時(shí)，,VO=VDD（CD段）段）vi略小于略小于VT-時(shí)，時(shí)，有一正反饋過(guò)有一正反饋過(guò)程程IvVOVDD正反饋正反饋正反

5、饋正反饋數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)9ZDMC Lec. #194.電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vo=f(vI)OVDDVDD/2VT+VT-vovIVDDOVDDVDD/2VT+VT-vIVDDovDD21VRR特點(diǎn)：滯后特性特點(diǎn)：滯后特性同相施密特同相施密特反相施密特反相施密特?cái)?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)10ZDMC Lec. #19一一 波形變換波形變換（整形）（整形）與電壓比較器區(qū)別？與電壓比較器區(qū)別？抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)比較電平比較電平用反向比較器用反向比較器IvovIv用反向施密特觸發(fā)器用反向施密特觸發(fā)器 VT+ VT-ov抗干擾能力與滯后電壓大小有關(guān)?？垢蓴_能力與滯后電壓大小有關(guān)。例例1：數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)11ZD

6、MC Lec. #19功能：篩選出幅度大于某一閥值的脈沖。功能：篩選出幅度大于某一閥值的脈沖。閥值閥值數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)12ZDMC Lec. #19q觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，即0和1，所以觸發(fā)器也被稱為雙穩(wěn)態(tài)電路。q與雙穩(wěn)態(tài)電路不同，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)要么是0，要么是1。q單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點(diǎn)是： 在沒(méi)有受到外界觸發(fā)脈沖作用的情況下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器保持在穩(wěn)態(tài)； 受到外界觸發(fā)脈沖作用的情況下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入“暫穩(wěn)態(tài)”。假設(shè)穩(wěn)態(tài)為0，則暫穩(wěn)態(tài)為1。 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器從暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在暫穩(wěn)態(tài)停留的時(shí)間僅僅取決于電路本身的參數(shù)。q積分電路是一種求和

7、平均電路(積分 = 求和)，而微分電路是一種提取信號(hào)變化部份的電路，信號(hào)變化越快，輸出越大(微分 = 求變)。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)13ZDMC Lec. #19q對(duì)于有RC構(gòu)成的積分電路來(lái)說(shuō)，輸出取自電容，輸出電壓是與電容上的電壓成正比的。從電容特性知道，電容上的電壓正比于它上面的電荷，而電容上的電荷是流過(guò)電容電流在時(shí)間上的積分(記住電流的概念是單位時(shí)間流過(guò)的電荷)，所以輸出電壓正比于對(duì)電容電流的積分，故稱積分電路。q微分電路的輸出是在電阻上取出的(關(guān)鍵的區(qū)別!)，根據(jù)歐姆定律，電阻上的電壓正比于流過(guò)電阻的電流，而流過(guò)電阻的電流也就是流過(guò)電容的電流。從上面討論知道，流過(guò)電容的電流正比于電容上電壓的微

8、分，所以，輸出電壓正比于電容電壓的微分，故稱微分電路。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)14ZDMC Lec. #19q微分電路：微分電路： 電路結(jié)構(gòu)如圖W-1，微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波，此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對(duì)恒定部分則沒(méi)有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與R*C有關(guān)（即電路的時(shí)間常數(shù)），R*C越小，尖脈沖波形越尖，反之則寬。此電路的R*C必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輸入波形的寬度，否則就失去了波形變換的作用，變?yōu)橐话愕腞C耦合電路了，一般R*C少于或等于輸入波形寬度的1/10就可以了。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)15ZDMC Lec. #19q電路結(jié)構(gòu)如圖J-1，積分電路可將矩

9、形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。電路原理很簡(jiǎn)單，都是基于電容的充放電原理，這里就不詳細(xì)說(shuō)了，這里要提的是電路的時(shí)間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)16ZDMC Lec. #19概念概念外力外力穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定1.電路有電路有穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)和和暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)兩個(gè)狀態(tài)。兩個(gè)狀態(tài)。2.在觸發(fā)脈沖（在觸發(fā)脈沖（外力外力）作用下，）作用下，電路可進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，并在暫穩(wěn)態(tài)電路可進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，并在暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一段時(shí)間后，自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。持續(xù)一段時(shí)間后，自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài)。3. 暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一時(shí)間與電路參數(shù)有暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一時(shí)間與電路參數(shù)有關(guān)，

10、與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。關(guān)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān)。單單穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖輸出輸出wt穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)暫穩(wěn)態(tài)示意框圖示意框圖注意：注意：觸發(fā)脈沖也可負(fù)脈沖；觸發(fā)脈沖也可負(fù)脈沖；電路也可以輸出負(fù)脈沖。電路也可以輸出負(fù)脈沖。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)17ZDMC Lec. #19用門(mén)電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用門(mén)電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一、微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路組成電路組成（CMOS門(mén)門(mén)和和RC微分電路微分電路）輸入微分輸入微分一般：一般：R1k,分析時(shí)可分析時(shí)可怱怱略略ROH、ROL的影響的影響對(duì)于對(duì)于CMOS門(mén)，可作以下近似：門(mén)，可作以下近似：2/VV;R;VV,V0VDDT

11、HiDDOHOL輸入微分輸入微分作用：作用：使觸發(fā)信號(hào)對(duì)暫穩(wěn)持續(xù)時(shí)間不影響使觸發(fā)信號(hào)對(duì)暫穩(wěn)持續(xù)時(shí)間不影響2.原理：原理：（1）求穩(wěn)態(tài)：）求穩(wěn)態(tài)： 電路不再充放電，電路可視電路不再充放電，電路可視為為開(kāi)路。開(kāi)路。DD2IVvDD1OVvv0vCv0vO為下一階段服務(wù)為下一階段服務(wù)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)18ZDMC Lec. #19OOIv穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)Odv1OvOCvOOvvcO2Iv(2)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)：加入觸發(fā)脈沖準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)：加入觸發(fā)脈沖保證，保證，Vd可撤可撤準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等效電路準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等效電路充電充電VTH準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)1oo2Ivvv啟動(dòng)啟動(dòng)正反饋過(guò)程，電路進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)正反饋過(guò)程，電路進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)保證保證當(dāng)當(dāng) VI2上升至略

12、上升至略VTH時(shí)，啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)正反饋過(guò)程，正反饋過(guò)程，準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)束準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)結(jié)束o2I1odvvvv數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)19ZDMC Lec. #19準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等效電路準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等效電路充電充電求準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間求準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間tw ？RCv)(v0)0(vDD2I2I)e1 (v) t (vRC/ tDD2I2/v)t (vDDw2IRC69. 0twtwOOdv1OvOCvOOvO2IvVTHOIv數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)20ZDMC Lec. #19恢復(fù)期等效電路恢復(fù)期等效電路（3）恢復(fù)期恢復(fù)期OOdv1OvOCvOOvO2IvVTHOIv恢復(fù)期恢復(fù)期vc放電放電求恢復(fù)期求恢復(fù)期Tre，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間1.5VDD22(0 )1.5( )(/ /+)IDDIDDSONvvvvRRRC 理論上，達(dá)到穩(wěn)態(tài)需理論上，達(dá)到穩(wěn)態(tài)需時(shí)間；時(shí)間；一般認(rèn)為，（一般認(rèn)為，（35）時(shí)間基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)趨向趨向VDD數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)21ZDMC Lec. #19二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器二、積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.