微電子與電路基礎(chǔ)課件電子鐘

1、1早期時鐘早期時鐘振蕩器早期時鐘早期時鐘從“自激”說起放大器一定的傳輸損失 形成自激的條件：反饋和輸入信號同相：各次輸出相互疊加 正反饋閉合回路有足夠增益：信號被循環(huán)放大 噪聲 消除自激的方法：破壞上述條件 利用自激現(xiàn)象： 構(gòu)造振蕩器（頻率源）控制反饋信號的頻率或延遲量 決定振蕩頻率電子時鐘的基本結(jié)構(gòu)每個數(shù)字需七個邏輯量組合 組合控制該線段七條線段 邏輯 邏輯是否顯示0110111 運算 運算1MHz十位 個位0010 110分頻電路周期計數(shù)電路秒：6bit組合邏輯1061秒059如：011010運算周期 1分鐘對時鐘的設(shè)想 主要組成部分：諧振： 有穩(wěn)定的固有周期（振蕩頻率）能源： 為諧振器提

2、供能源，使其能保持振蕩計數(shù)： 從固有頻率至秒、分、時、日、月等顯示： 轉(zhuǎn)換成人類能識別的信號 構(gòu)造電子時鐘的優(yōu)勢諧振： 更穩(wěn)定可靠的振蕩頻率 計時準確能源： 信號微小，磨損小 節(jié)能，工作久計數(shù)： 純數(shù)字電路完成 簡單可靠廉價顯示： 五花八門的顯示技術(shù) 各有所愛其它： 不易受機械等影響 穩(wěn)定可靠機械表 簡諧運動：單擺 彈簧振子 手表內(nèi)：環(huán)形彈簧（游絲） 有固定頻率能量：發(fā)條、重力勢能 早期機械鐘：擒縱機構(gòu)（Escment）可形成“嘀嗒”動作；但周期不太穩(wěn)定 單擺：簡諧運動 周期較穩(wěn)定信科2振蕩器分頻器振蕩器分頻器分頻器D3 D2 D1 D0 Ya數(shù)碼管的控制：七段譯碼0 0 0 0 10 0 0

3、 1 0f0 0 1 0 00 0 1 1 0ae0 1 0 0 1g0 1 0 1 10 1 1 0 1bd0 1 1 1 11 0 0 0 1c1 0 0 1 1 七段數(shù)碼管：每段一個 LED，需一個控制信號可顯示的字符： 09，【 AF 】 七段譯碼： 4 bit 輸入，轉(zhuǎn)化為 7 個控制信號 真值表： 以a線段為例 ( D3D2D1D0 Ya ) 八段數(shù)碼管： 帶小數(shù)點 5入8 出計數(shù)器同步CLK0000001010CLKCLK1111011 CLK2Q0CLK3110101100Q1RESET 同步3分頻計數(shù)器所有觸發(fā)器，時鐘端全部連在一起輸入端在時鐘跳變之前，提前準備好所有的觸發(fā)器

4、，都在同一時刻跳變 大規(guī)模IC：主時鐘到各觸發(fā)器時延盡可能一致任意整數(shù)倍分頻電路異步CLK0CLK1 CLK2CLK3RRRT0T1T2RESETCLK0CLK1CLK2 CLK3 改動狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：不再是八拍的環(huán)形異步復(fù)位：到達某個狀態(tài)后自動復(fù)位 異步 5 分頻輸出的信號：每周期約 4 低 1 高出現(xiàn)一些的“毛刺”異步電路常見 為使最終信號為對稱 分頻因子 2 留至最后計數(shù)/分頻器異步D QD QD QCLK0QQQCLK1CLK2CLK3 T 觸發(fā)器： D=/Q 的D觸發(fā)器每次CLK下跳沿，狀態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出CLK1：頻率是CLK0的一半（即二分頻） 級聯(lián) 輸出端為2分頻/4分頻/.2n分頻本電路

5、是異步工作的 CLK 沒有直接連接到所有 TCLK0 CLK1 CLK2 CLK3晶體振蕩器 為獲得更精準的頻率尋找準確度/穩(wěn)定的元件晶體的機械振動有高 Q 值正壓電效應(yīng) / 逆壓電效應(yīng) 石英晶體切割角度、尺寸、形狀 不同本征頻率某些特定的切割角度 溫度系數(shù)很小兩側(cè)鍍金屬膜并引線 電路元器件外電場頻率和固有頻率相同時 電/機械諧振電振動 機械振動 電振動 相當于小電阻相當于一個選頻特性極好的帶通濾波器代替 LC 振蕩電路，振蕩器正弦波發(fā)生器（振蕩器）R2| H |R11L 1H0LCC90R- 90 同相放大器：增益可調(diào)節(jié) 帶通濾波器：頻率響應(yīng)為CL 2=1處，H( ) = 100 結(jié)果：只讓

6、頻率為 0 的信號達成自激條件 自激的過程：噪聲.幅度增大 受約束 穩(wěn)定H() RR j(L- 1 )C3譯碼器原子鐘原子鐘原子鐘原理光源原子氣探測 吸收情況微處理器 光源：以單頻光（或微波）照射原子氣 原子氣：若光子能量=譜線間距 吸收 檢測器：檢測光被原子氣吸收的比例 微處理器：根據(jù)吸收率微調(diào)光源頻率，維持 改進：更高的頻率，更冷更安靜更系數(shù)的原子 酷名詞：磁光阱、激光冷卻、原子噴泉、光梳原子鐘 目前的世界時間標準：確定銫原子的某兩條譜線譜線間躍遷時吸收/放出能量該能量對應(yīng)于一定能量的光子光子能量對應(yīng)于一定頻率9,192,631,770Hz可靠性： 1億年誤差不到1秒 最先進的量子鐘：19

7、99年：1.710-15相當于：2千萬年誤差1秒目前：70億年誤差1秒電子鐘表的精度問題 走針式電子鐘表呢？相同處：晶振 分頻至1Hz不同處：驅(qū)動線圈，帶動齒輪和指針 如何提高精度精細加工挑選晶體恒溫環(huán)境無外部機械運動多個求平均 進一步的要求 ?電子鐘的原理：小結(jié)液晶兩段 七段七段 七段七段 七段簡單除法簡單除法簡單除法12計數(shù)60分頻60分頻1M分頻 晶振自激+晶體選頻 產(chǎn)生固定頻率 分頻/計數(shù) 多級 D、T觸發(fā)器 頻率降至秒、分. 簡單除法組合邏輯電路 拆分出個位、十位 七段譯碼組合邏輯電路 顯示各個筆劃控制電壓通用的組合邏輯實現(xiàn)方法之一I2 I1 I0YY0 0 0070 0 11I2Y

8、60 1 00Y50 1 10I1 3-8線 Y41 0 00譯Y3Y1+Y5+Y61 0 11I0Y21 1 01Y11 1 10Y0 任意組合邏輯均可表示為最小項之或，譬如Y = Y1+Y5+Y6 步驟1：用譯產(chǎn)生所有最小項 步驟2：挑選最小項進行或運算 資源浪費比較大 但總體代價應(yīng)包括設(shè)計調(diào)試.譯：常用的組合邏輯電路Y3=I1I0 Y2=I1I0 Y1=I1I0Y0=I1I024線譯 譯：n個輸入，2n個輸出每個輸出量 最小項最小項：互不相同，均為所有輸入量的某種“與”最小項：有且僅有一種情況輸出為1 真值表：2n行2n列的“對角矩陣”I1 I0Y3 Y2 Y1 Y01 11 0 0 0

9、1 00 10 1 0 00 0 1 00 00 0 0 1Y3I1Y2IY10Y04作業(yè) 6-3一章中介紹過“選擇器”這種電路，其真值表為：SELABYXXBXXA請使用 3-8線譯和一個或門來實現(xiàn)一個選擇器。作業(yè) 6-2 把計數(shù)/分頻器中的 D 觸發(fā)器都改為上跳沿觸發(fā)的（如下圖所示）。D QD QD QCLK0QQQCLK1CLK2CLK3請畫出CLK0，CLK1，CLK2，CLK3的波形（至少10個CLK0的周期長）。可假設(shè)各信號初始狀態(tài)均為。若以（CLK3，CLK2，CLK1）二進制數(shù)字（其中 CLK3是最），請說出在CLK3 的一個周期里，該數(shù)字的變化過程。作業(yè) 6-1 右下圖電路中 C=5F，R=