時鐘電路形式表示

1、Chap4時鐘脈沖波形的產(chǎn)生和整形的集合方程分析什么是時鐘?只有1個數(shù)的連續(xù)的重復(fù)集合.時鐘怎樣產(chǎn)生？有那些與時鐘相關(guān)的器件？計數(shù)：時鐘脈沖的數(shù)量，實現(xiàn)計數(shù)的器件稱為計數(shù)器；時鐘周期的變化，影響頻率的變化，因此有分頻和倍頻。(Cp:控制時序電路工作節(jié)奏的固定頻率的脈沖信號，一般是矩形波. 同步觸發(fā)器的狀態(tài)更新時刻：受CP輸入控制.)概述沒有統(tǒng)一時序的機器稱為結(jié)構(gòu)異步機。在同步時序電路中，作為時鐘信號的矩形脈沖控制和協(xié)調(diào)著整個系統(tǒng)的工作。def4.1時鐘代數(shù)，集合,是M中的一元代數(shù)運算，并給定成：1稱為時鐘代數(shù)的生成元。集合表示形式：什么是時鐘？ 矩形脈沖的產(chǎn)生不能象光源一樣來自天然，需用專門的

2、電路產(chǎn)生或者整形得到。非矩形脈沖例如正弦波（模擬電路產(chǎn)生）,通過脈沖整形電路：施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等，輸出矩形波；或者構(gòu)造多諧振蕩器自動產(chǎn)生矩形波。這些器件的詳細的內(nèi)部構(gòu)造(< 集成芯片應(yīng)用>)。與觸發(fā)器相關(guān)的內(nèi)容將在后邊的章節(jié)論述。為討論方便，在電路分析中，假定門電路的電壓傳輸特性曲線為理想化的折線，即開門電平()和關(guān)門電平()相等，這個理想化的開門電平或關(guān)門電平稱為門坎電平（或閾值電平），且設(shè)。§1脈沖整形器件邏輯門的轉(zhuǎn)換過程很快。一 施密特觸發(fā)器正弦波的邊沿變化緩慢，若整形為邊沿陡峭的矩形波，需要在邊沿選擇一個突變點，而且上升沿和下降沿的突變點不要求相等.實現(xiàn)

3、邊沿陡峭需用正反饋的方式。施密特觸發(fā)器電路構(gòu)成見下。圖4-2 施密特觸發(fā)器電路（反相器構(gòu)成）原理及圖形符號器件構(gòu)成與功能分析過程：1區(qū)分模擬部分與數(shù)字電路部分，并得到接口信號，全部信號的離散性。從輸入端開始。2接口處，或者有多個數(shù)據(jù)源的信號的公式。多信號源可用疊加定理，對特定的正反饋而言都是如此。3數(shù)字部分的邏輯公式。反饋部分的性質(zhì)與反饋聯(lián)動過程。離散過程與模擬過程。4用數(shù)學(xué)公式表示不同信號間的集合方程。5器件的方程。6電路分析：電壓與電流公式。是否需要限制電流。用到那個器件，就看那個器件，并總結(jié)。反相器（最大輸出值，最小輸出值）的閾值電壓有一個變化范圍，TTL門電路高低電平對應(yīng)的標(biāo)準電壓：。

4、CMOS門電路高低電平對應(yīng)的標(biāo)準電壓：；開啟電平。若： 輸出與輸入正弦信號VI的正向特性，但是只在特定時間點跳變，使上升和下降的連續(xù)曲線變成上跳變與下跳變邊, 與同變化。閾值觸發(fā)器初始狀態(tài)（？有中斷的感覺）。當(dāng)輸入電壓VI逐漸升高，輸出電壓的狀態(tài)由于閾值電壓的變化范圍不會馬上翻轉(zhuǎn)；當(dāng)時，反相器G1進入了放大區(qū)，引發(fā)正反饋過程： 根據(jù)模擬電路的反饋原理，R2構(gòu)成正反饋電路。根據(jù)疊加原理的大小有兩個源決定：輸入信號和反饋的輸出信號，有公式(4-1)：要求,否則電路進入自鎖狀態(tài),不能正常工作.的翻轉(zhuǎn)過程是很快的,因此在從0開始的上升階段,認為保持0不變,當(dāng)時,由單獨決定,所以有:且.從的值可得,稱為

5、輸入電壓的正向(上升)閾值電壓.在上升跳變時，輸出值為0，因此輸出反饋為0，只有一個來源。在此后的上升過程, 保持值不變，設(shè)輸出反饋為.在下降過程, 從開始下降,認為保持,，當(dāng)時,反相器G1進入了放大區(qū)，引發(fā)正反饋過程： 有:,可得: .根據(jù)數(shù)值等式,可得:,稱為負向(下降)閾值電壓.在下跳變邊，有兩個來源，所以，則稱為回差電壓,有： 受到的影響是連續(xù)變量，都是離散變量，施密特觸發(fā)器使連續(xù)信號具有離散性。在輸入正弦波的整個周期內(nèi)，有集合方程的表格形式分析電路的動態(tài)過程（對照性要強）：（公式推理，集合方程不同的用途，拿到一個圖怎么分析？），反饋量的分析與值的規(guī)定。設(shè)的反饋量為，且,則器件的集合方

6、程為（？是否能用序偶的形式表示反饋）：說明：翻轉(zhuǎn)電壓的數(shù)值都是最值（拐點？）。T的+:表示上升，-表示下降。從公式中計算出來。使用施密特觸發(fā)器時應(yīng)遵守以下條件：，保證當(dāng)時，反相器G2輸出高電平時的負載電流不超過最大允許值。（？）在分析數(shù)字電路時，不能從中間的電路構(gòu)成分析，那是設(shè)計時的原則。在分析時，應(yīng)先計算電路模型的函數(shù)公式，根據(jù)要求得到的輸出值（在數(shù)字電路中一般為兩個值），計算出所需輸入電壓的變化范圍，以及電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。特殊結(jié)構(gòu)正反饋的功能需表示出來。此外，使用的三個值（0，）可得三值電路。實用的施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)見下圖：圖4-4 TTL門構(gòu)成的施密特觸發(fā)器分析：使用與門的原因,因為輸入從

7、高到低時,二極管截至（？）,所以通過另一個輸入端作用.增加二極管的作用:兩個電阻的值不能很大,當(dāng)輸出時,防止G2負載電流過大.初始狀態(tài).G1截至,反相器G2導(dǎo)通.設(shè)TTL門閾值電壓為.當(dāng)時,電路狀態(tài)不翻轉(zhuǎn). ,使,正反饋結(jié)構(gòu)使G1導(dǎo)通, G2截至,使,則,若忽略G1的輸入電流,可得（？）,則:同理: ,則回差電壓.因為回差電壓的存在,使輸入電壓在回差電壓內(nèi)變化,不會使電路狀態(tài)翻轉(zhuǎn),因此若信號的高低電平沿發(fā)生震蕩或有噪聲疊加,能夠使用施密特觸發(fā)器整形.另外單獨使用,可作為鑒相器,使小于幅度的矩形脈沖不能被輸出.施密特觸發(fā)器一個重要的應(yīng)用是作為多諧振蕩器. 阻-容-管星形組合器功能分析。對周期的控

8、制。二.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或非門組成的微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路的兩個或非門通過RC微分電路耦，結(jié)構(gòu)見下：圖4-7或非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器一 VC與VR構(gòu)成模擬部分，作為或邏輯門的兩個輸入端。數(shù)字部分：一個或非門構(gòu)成的觸發(fā)器。數(shù)字邏輯門閾值轉(zhuǎn)換狀態(tài).2微分電路的作用。電容兩端都在同一個線路里，兩個邊電壓能夠突變,輸入電容的變化量直接接到電容的一邊,電源常量通過電阻連接到電容的另一邊,電容端電壓。以數(shù)字電路為主，沒有輸入的模擬信號，則注意分析初始穩(wěn)態(tài)。充電，放電，電壓三個狀態(tài)。確定電壓穩(wěn)態(tài)，初始值充電：，放電：f+(VO1=1)， f-(VO1=0)，g(VO1,VR,VDD)，f(VO1)=(0,1,Z

9、):0：下降為0，1上升為1，Z保持值不變。VR(0)= f(VO1)* VR+ f(VO1)g(VO1,VR,VDD)=g(VDD- VR(0)=(1,0,Z):1充電，0放電，Z:保持.延時:使跳變變成曲線,延遲過程.VR賦值:微分數(shù)字跳變賦值;積分-模擬賦值曲線上升.電容先賦值再變化;積分:緩慢變化.VR引起的變化,作為或非門的輸入端.充放電到閾值,閾值是影響過程的變化值.VR是連續(xù)值.對VO1的影響,充電Q(VR,離散值,VDD)工作過程分析：電容充電，電容放電。是否VR能夠持久。非充電，放電則電容在穩(wěn)定電壓態(tài)，電路斷開態(tài)。二 穩(wěn)態(tài)：沒有高電平的輸入信號的兩個輸入端經(jīng)電阻都接VDD，只

10、能在輸出0的電路構(gòu)成通路，因此為低電平，再連接到的輸入端，所以沒有觸發(fā)信號時，設(shè)為低電平，所以為高電平，可得電容兩端的電壓為0，電路的狀態(tài)能夠保持，稱為穩(wěn)態(tài)，(,)=(1,0)，=0.(2)外加高電平觸發(fā)信號，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)當(dāng)正跳變時為高電平，使變?yōu)榈碗娖?，不能突變，使變?yōu)榈碗娖?，則門的輸入不再由VDD決定，輸出變?yōu)楦唠娖?，作為的輸入端使在為低時，仍保持為低電平。這個過程在瞬間導(dǎo)致如下正反饋過程：使導(dǎo)通輸出為0，截止輸出為1的過程在正反饋的幫助下能瞬間完成。這個狀態(tài)是不穩(wěn)定的，因為為0不能保持，將使發(fā)生變化。稱為暫穩(wěn)態(tài)，(,)=(0,1),=0,=0.(3)電容充電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返

11、回穩(wěn)態(tài)VDD經(jīng)過電阻（和導(dǎo)通的）對電容充電，隨著時間的增加，增加，使升高，當(dāng)達到閾值電壓時(=)，或非門狀態(tài)將變化，電路發(fā)生下述正反饋過程(為低電平)：電容充電 于是門迅速截止，門很快導(dǎo)通，使電路由暫穩(wěn)態(tài)返回穩(wěn)態(tài)，(,)=(1,0)，=0，>1(=+).暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，電容通過電阻和門放電，使=0.微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路暫穩(wěn)態(tài)的發(fā)生，接入觸發(fā)電平引起，當(dāng)外因不存在時，因為電路所接的常量而返回穩(wěn)態(tài)。狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的圖示見下：圖4-8微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器各點工作波形或非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要參數(shù)的計算三 輸出脈沖寬度tw(暫穩(wěn)態(tài)的維持時間)輸出脈沖寬度tw，暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，可根據(jù)的波形進行計算。

12、為計算方便，將的波形，從觸發(fā)脈沖作用的起始時刻t1作為時間起點，于是有：根據(jù)RC電路瞬態(tài)過程的分析，可得：當(dāng)時，代入上式可得：當(dāng)，則。（2）恢復(fù)時間tre（從暫穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡時間放電時間）暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束后，還需要一段恢復(fù)時間，以便電容C在暫穩(wěn)態(tài)期間所充的電荷釋放完，使電路恢復(fù)到初始狀態(tài)。一般要經(jīng)過3（為放電時間常數(shù)）的時間，放電才基本結(jié)束，故。（3）最高工作頻率設(shè)觸發(fā)信號VI的時間間隔為T，為了使單穩(wěn)電路能夠正常工作，應(yīng)有,則最小時間間隔。因此，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)起的最高工作頻率：積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。以反相器與非門微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路為例，RC積分電路作為與非門的一個輸入端，連接非門的輸出端，結(jié)構(gòu)見圖

13、：工作過程分析：四 穩(wěn)態(tài)：沒有高電平的輸入信號，則輸入信號同時控制反相器和與非門。(2)外加高電平觸發(fā)信號，電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)輸入正脈沖，VO1跳變?yōu)榈碗娖?電容器開始通過電阻與反相器放電，在時，輸出變成低電平，電路進入暫穩(wěn)態(tài)：(3)電容放電，電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回穩(wěn)態(tài)電容器繼續(xù)放電，使，則與非門輸出變成高電平，在反相器導(dǎo)通（為0）時，放電過程繼續(xù)到存儲電荷消失；若期間輸入信號重新變成低電平，則VO1跳變?yōu)楦唠娖?通過電阻向電容充電，使相對緩慢升高，恢復(fù)為高電平，電路達到穩(wěn)態(tài)。信號波形圖見下：抗干擾能力強過微分型，所以是不可重新觸發(fā)工作參數(shù)見下：輸出脈寬：從電容放電到下降為的時間。§

14、;2脈沖產(chǎn)生電路矩形波中有豐富的高次諧波分量，所以把矩形波振蕩器叫做多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種自激振蕩電路，在接通電源后無需外接觸發(fā)信號就能產(chǎn)生所需頻率和幅度的矩形脈沖波或方波，這與脈沖整形電路以正弦信號等為輸入信號不同，具有主動性。由于多諧振蕩器在工作過程中不存在穩(wěn)定狀態(tài)，又稱為無穩(wěn)態(tài)電路。常用的脈沖產(chǎn)生電路有多諧振蕩器和晶體振蕩器。五 多諧振蕩器多諧振蕩器有多種電路形式，包括門電路型，施密特觸發(fā)器型，以及環(huán)形振蕩器等，共同的模塊功能：產(chǎn)生高電平，低電平這兩個狀態(tài)的器件，一般為門電路，電壓比較器等組合邏輯器件，這里可稱為開關(guān)器件，可得到不連續(xù)的矩形脈沖波；反饋網(wǎng)絡(luò)：將輸出反饋給開關(guān)器件，作

15、為輸入觸發(fā)信號，改變輸出狀態(tài)，實現(xiàn)電路的自動狀態(tài)切換，得到連續(xù)變化的脈沖波（在數(shù)字電路中，連續(xù)的保持的功能，基本使用反饋環(huán)路的方式實現(xiàn)）；選頻部件：控制時鐘波形的頻率，可使用延時器件。利用RC電路的充放電特性，實現(xiàn)高低電平的延時，以獲得所需的時鐘頻率。一般在實用電路中，反饋網(wǎng)絡(luò)包括延時功能，可使用RC電路作為反饋電路。反饋可有正反饋和負反饋兩種方式。兩個源頭的影響.賦值,間接影響.如何表示多信號源的公式.疊加定理的數(shù)字化.將開關(guān)與電阻的公式變成一個.六 門電路組成的多諧振蕩器中間級對反饋電路充電，影響到輸入級，所以輸入，中間級與反饋回路有鏈接一種CMOS門電路組成的非對稱多諧振蕩器的邏輯門電路

16、圖和CMOS級電路圖見下：圖4-8非對稱多諧振蕩器結(jié)構(gòu)工作過程分析：七 第一暫穩(wěn)態(tài)T1電路的自動翻轉(zhuǎn)的過程假定在時接通電源，電容尚未充電，電路初始狀態(tài)，可規(guī)定為第一暫穩(wěn)態(tài)。此時，電容作為延時部件被充電，充電回路：。隨著充電時間的增加，的值不斷上升，當(dāng)時，電路發(fā)生正反饋過程：這個正反饋過程瞬間完成，電容作為反饋環(huán)節(jié)。使G1導(dǎo)通，G2截止，稱為第二暫穩(wěn)態(tài)。（2）第二暫穩(wěn)態(tài)T2電路的自動翻轉(zhuǎn)過程電路進入第二暫穩(wěn)態(tài)后，的值從低電平上跳到高電平，由于電容電壓的保持作用，也上跳，本應(yīng)為，但由于保護二極管的鉗位作用，僅上跳到。隨后電容作為延時環(huán)節(jié)開始放電，放電回路：，這個過程中，下降，當(dāng)時，反相器輸出翻轉(zhuǎn)，

17、電路產(chǎn)生如下正反饋過程：電容作為反饋部件，使G1迅速截至，G2迅速導(dǎo)通。電路回到第一暫穩(wěn)態(tài)。此后，振蕩器重復(fù)上訴過程，從第一暫穩(wěn)態(tài)到第二暫穩(wěn)態(tài)循環(huán)變化，在振蕩器的輸出端得到連續(xù)的方波。不難看出，多諧振蕩器的兩個暫穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)換過程是通過不同的回路中電容充放電作用實現(xiàn)的，電容的充放電作用直接影響到圖中的變化上，因此波形的分析是重點，見下圖：圖4-9多諧振蕩器信號波形電路參數(shù)的計算:多諧振蕩器的時間參數(shù)主要是兩個暫穩(wěn)態(tài)的時間。(1) 的計算對應(yīng)于第一暫穩(wěn)態(tài)，把作為時間的起點，。根據(jù)RC電路瞬態(tài)響應(yīng)的分析，有(2) 的計算對應(yīng)于第二暫穩(wěn)態(tài)，把作為時間的起點，則：由此可以求出所以將代入，可得：且，分別為C

18、MOS門中NMOS,PMOS管的導(dǎo)通電阻,C遠大于電路分布電容。當(dāng)電源電壓波動，使振蕩頻率不穩(wěn)定，在時，影響尤為嚴重。所以在振蕩器門電路圖中，增加一個補償電阻，接在電容與反相器G1的反饋線路中，減少電源電壓變化對振蕩頻率的影響，當(dāng)時，取。2環(huán)形振蕩器環(huán)形振蕩器利用閉合回路的延時負反饋作用，也能產(chǎn)生自激振蕩，只要負反饋信號足夠強。最簡環(huán)形振蕩器，由三個反相器首尾相連組成，見下圖：圖4-10環(huán)形振蕩器最簡組成電路功能分析:在靜態(tài)（沒有振蕩）時，每個反相器的輸入輸出都不能穩(wěn)定在高電平或低電平，因此只能處于高低電平之間的放大狀態(tài)，所以電路沒有數(shù)字穩(wěn)態(tài)。當(dāng)輸入因為某個原因產(chǎn)生一個微小的正跳變，經(jīng)過的傳輸

19、延時，得到一個幅度更大的負跳變，同樣經(jīng)過的的延時，產(chǎn)生一個幅度更大的正跳變，再經(jīng)過的的延時，的負跳變更大.從的一個正跳變到的負跳變，經(jīng)過的延時，反饋到端；再經(jīng)過的延時后，輸出的正跳變，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生了自激振蕩，振蕩周期。工作波形見下圖：圖4-11 工作波形圖鑒于上訴原理可知，由三的倍數(shù)個反相器首尾相連構(gòu)成的環(huán)形振蕩器的振蕩周期為：其中n為反相器的個數(shù)。因為門電路的延時短，環(huán)形振蕩器一般附加延時環(huán)節(jié)，見下圖：作為電容電壓，被的輸出電壓決定數(shù)值，因為積分電路的延時作用使從離散型信號，變成連續(xù)的模擬信號，增加了的傳輸延時，通過改變，能夠得到所需的頻率。為進一步增加傳輸延時，實用環(huán)形振蕩器將電容從

20、接地改接的輸出端，如下圖所示：圖1-13 實用環(huán)形振蕩器實用環(huán)形振蕩器的工作過程：當(dāng)八 石英晶體振蕩器多諧振蕩器周期T，是的函數(shù)，其中容易受到溫度，電源電壓及干擾的影響，因此穩(wěn)定性較差，一般要求穩(wěn)定性高的數(shù)字電路使用石英晶振。石英晶振在不同的頻率段，具有電容或電感特性，其電路符號和阻抗特性見下圖：圖4-10石英晶振的電路符號和阻抗頻率特性從圖中可知，石英晶振有一個極為穩(wěn)定的串聯(lián)諧振頻率圖4-11 石英晶體振蕩器電路結(jié)構(gòu)分析：首先，將晶體振蕩器代替電容器作為選頻部件放置在反饋電路，是決定電路振蕩頻率的唯一條件，電路中的電容沒有延時作用，因此不影響電路頻率選定。電容用于放大狀態(tài)的兩個反向器的耦合，要求的容抗值對頻率為的信號近似為0；