數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計-脈沖電路基本組成及原理分析

1、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計1ZDMC Lec. #19數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計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3ZDMC Lec. #19q參數(shù) 脈沖周期T 脈沖幅度Vm 脈沖寬度Tw 上升時間tr 下降時間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4ZDMC Lec. #191.什么叫一階電路？什么叫一階電路？一個獨立的儲能元件的電路。即經(jīng)串、并聯(lián)可化簡為RC （或RL）電路。例：例：R1R2C2C1EKR1R2C2C1EKR1 +R22121CCCC一價電

2、路一價電路R1R2C2C1高價電路高價電路數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計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？階躍信號階躍信號 （1）三要素時間常數(shù)時間常數(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，電容可視為開路。此時，電容可視為開路。電感電流不再變化，電感電流不再變化，vL=0.此時，電感可視為短路。此時，電感可視為短路。te)(x)0(x)(x) t (x數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計6ZDMC Lec. #19q特點 輸入信號從低電平上升的過程中，電路

3、狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。 在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過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7ZDMC Lec. #19一.CMOS非門構(gòu)成1 1 用門電路組成施密特觸發(fā)器用門電路組成施密特觸發(fā)器1 . 電路組成2 . 符號3 . 原理條件：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8ZDMC Lec. #19DDV2/VDDTVTVivOivoVO當(dāng)當(dāng)vIVT-時，時，VO=0（OA段、段、DE段）段）（2）當(dāng)）當(dāng)VT- vI VT+時，時，VO= VDD（BC段）段）當(dāng)當(dāng)vI從從0變大時，變大時，ABCDEi212IvRRRvTHIVv vIVT-時時，,VO=VDD（CD段）段）vi略小于略小于VT-時，時，有一正反饋過有一正反饋過程程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：滯后特性特點：滯后特性同相施密特同相施密特反相施密特反相施密特數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計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？抗干擾能力強抗干擾能力強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)。抗干擾能力與滯后電壓大小有關(guān)。例例1：數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計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12ZDMC Lec. #19q觸發(fā)器有兩個穩(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)器只有一個穩(wěn)定的狀態(tài)。這個穩(wěn)定狀態(tài)要么是0，要么是1。q單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作特點是： 在沒有受到外界觸發(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)過一段時間，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變化部份的電路，信號變化越快，輸出越大(微分 = 求變)。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計13ZDMC Lec. #19q對于有RC構(gòu)成的積分電路來說，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電容電流在時間上的積分(記住電流的概念是單位時間流過的電荷)，所以輸出電壓正比于對電容電流的積分，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電阻的電流，而流過電阻的電流也就是流過電容的電流。從上面討論知道，流過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。而對恒定部分則沒有輸出。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。電路原理很簡單，都是基于電容的充放電原理，這里就不詳細(xì)說了，這里要提的是電路的時間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時間常數(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)兩個狀態(tài)。兩個狀態(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)一段時間后，自動返回穩(wěn)態(tài)。持續(xù)一段時間后，自動返回穩(wěn)態(tài)。3. 暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一時間與電路參數(shù)有暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)一時間與電路參數(shù)有關(guān)，

10、與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(guān)。關(guān)，與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無關(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17ZDMC Lec. #19用門電路組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器用門電路組成的單穩(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門門和和RC微分電路微分電路）輸入微分輸入微分一般：一般：R1k,分析時可分析時可怱怱略略ROH、ROL的影響的影響對于對于CMOS門，可作以下近似：門，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)信號對暫穩(wěn)持續(xù)時間不影響使觸發(fā)信號對暫穩(wěn)持續(xù)時間不影響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，電路可視為為開路。開路。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啟動啟動正反饋過程，電路進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)正反饋過程，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，啟動時，啟動正反饋過程，正反饋過程，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)時間求準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間tw ？RCv)(v0)0(vDD2I2I)e1 (v) t (vRC/ tDD2I2/v)t (vDDw2IRC69. 0twtwOOdv1OvOCvOOvO2IvVTHOIv數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計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)的時間，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間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)需時間；時間；一般認(rèn)為，（一般認(rèn)為，（35）時間基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間基本上達(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.