1、1,2016 -#10,数字系统设计Digital System Design,王维东Weidong Wang 浙江大学信息与电子工程学院College of Information Science & Electronic Engineering信息与通信工程研究所Zhejiang University,-脉冲电路,2,2016 -#10,任课教师,王维东浙江大学信息与电子工程学院, 信电楼306邮箱：College of Information Science & Electronic EngineeringZhejiang University, Hangzhou, 310027Tel:
2、 86-571-87953170 (O)Mobile: 13605812196,TA:陈彬彬 Binbin CHEN, 13071888906; ；黄露 Lu HUANG，6719473; ;Tuesday & Thursday 14:00-16:30 PM Office Hours：玉泉信电楼 308室（可以微信或邮件联系）.,Prerequisites预修课程,电子电路基础电子线路C语言How to learn this Course?Not only listening, thinking and waiting .But Exercise, Simulation, Practice!,
3、课程简介,课程代码：111C0120参考书阎石, 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:/ -#10,Other Course Info,Website:http:/ 暂停Check frequent
4、ly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 (考核),Final grades will be computed approximately as follows:期中考试-10%课程作业+小测验+上课出勤率+Project - 20%Class Room CheckHomework 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可选（总评加分35分，但不超过平时成绩范围）Finial Exam期末闭卷考试 - 70%,授课时间和地
5、点：,2016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,数字理论知识(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与接口控制器与数字系统状态机控制器微码控制器测试和验证微处理器简介,Monostable Multivibrator -脉冲电路 （1）,10,概述施密特触发器单稳态触发器 -微分型 -积分型,11,概述,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qq= T
6、w/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,描述矩形脉冲特性的主要参数,一阶线性电路的暂态分析,1.什么叫一阶电路？,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：,一价电路,高价电路,13,2. 一阶电路的分析,前提？,阶跃信号,（1）三要素,电容不再充放电，ic=0.此时，电容可视为开路。电感电流不再变化，vL=0.此时，电感可视为短路。,14,施密特触发器Schmitt-trigger circuit,特点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
7、内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。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.,15,10.2 施密特触发器,一.CMOS非门构成,10.2.1 用门电路组成施密特触发器,1 . 电路组成,2 . 符号,3 . 原理,条件：,假设：CMOS为理想器件，即,(1),与vi、vo均有关,当,电路输出低电平,当,电路输出高电平,正向阈值电压,
8、负向阈值电压,16,当vIVT-时，VO=0（OA段、DE段）,（2）当VT- vI VT+时，VO= VDD（BC段）,当vI从0变大时，,vi略大于VT+时，有一正反馈过程,当VI 从VDD变小时，,vi略小于VT-时，有一正反馈过程,17,4.电压传输特性 vo=f(vI),特点：滞后特性,同相施密特,反相施密特,18,Standard inverter response to slow noisy input, Schmitttrigger response to slow noisy input.,10.2.2 集成施密特触发器,一、74xx13,1.电路结构,2.电路符号,3.电压
9、传输特性,20,二、CD40106,1.电路结构,2.电路符号,3.电压传输特性,10.2.3 施密特触发器的应用,一 波形变换（整形）,与电压比较器区别？,抗干扰能力强,用反向比较器,用反向施密特触发器,抗干扰能力与滞后电压大小有关。,例1：,22,二、用于脉冲鉴幅,功能：筛选出幅度大于某一阀值的脉冲。,23,10.3单稳态触发器特点ONE-SHOT,触发器有两个稳定的状态，即0和1，所以触发器也被称为双稳态电路。与双稳态电路不同，单稳态触发器只有一个稳定的状态。这个稳定状态要么是0，要么是1。单稳态触发器的工作特点是：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态；受到外界触发
10、脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”。假设稳态为0，则暂稳态为1。经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅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)。,24,积分电路与微分电路,对于有RC构成的积分电路来说，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。微分电
11、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。,25,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
12、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。,26,积分电路,电路结构如图J-1，积分电路可将矩形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MONOSTABLE MULTIVIBRATOR,概念,外力,稳定,不稳定,1.电路有稳态和暂稳态两个状态。,2.在触发脉冲（外力）作用下，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。,3. 暂稳态持续一时间与电路参数有关，与
13、触发脉冲的宽度和幅度无关。,示意框图,注意：触发脉冲也可负脉冲；电路也可以输出负脉冲。,OS symbol and typical waveforms for nonretriggerable operation,28,29,用门电路组成的单稳态触发器,一、微分型单稳态触发器,1.电路组成（CMOS门和RC微分电路）,一般：R1k,分析时可怱略ROH、ROL的影响,对于CMOS门，可作以下近似：,输入微分作用：使触发信号对暂稳持续时间不影响,2.原理：,（1）求稳态： 电路不再充放电，电路可视为开路。,为下一阶段服务,30,O,(2)准稳态：加入触发脉冲,准稳态等效电路,充电,VTH,启动正反
14、馈过程，电路进入准稳态,当 VI2上升至略VTH时，启动正反馈过程，准稳态结束,31,准稳态等效电路,求准稳态持续时间tw ？,tw,32,恢复期等效电路,（3）恢复期,放电,求恢复期Tre，电路达到稳态的时间,1.5VDD,理论上，达到稳态需时间；一般认为，（35）时间基本上达到稳态,趋向VDD,33,二、积分型单稳态触发器,1.电路组成（TTL门和RC积分电路）,原理：,VTH,计算tw ？,等效电路,在tw期间，VA为高电平,34,10.3.2 集成单稳态触发器电路结构与工作原理 (74 121),微分型单稳,控制附加电路,35,36,可重复触发？不可重复触发？,37,Nonretrig
15、gerable One-Shot,Retriggerable One-Shot,38,The 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, 74LS123, and 74HC123 are dual retriggerable one-shot ICs.,Log
16、ic symbols,74121 nonretriggerable one-shot,39,(a) traditional; (b) IEEE/ANSI.,40,41,One-shots find limited application in most sequential clock-controlled systems, and experienced designers generally avoid using them because they are prone to false triggering by spurious noise. When they are used, i
17、t is usually in simple timing applications that utilize the predetermined interval.,CLOCK GENERATOR CIRCUITS -脉冲电路 （2）,43,2. 一阶电路的分析,前提？,阶跃信号,（1）三要素,电容不再充放电，ic=0.此时，电容可视为开路。电感电流不再变化，vL=0.此时，电感可视为短路。,44,多谐振荡器multivibrator -对称式多谐振荡器 -非对称式多谐振荡器 -环形振荡器 -施密特触发器组成的多谐振荡器555定时器及其应用555 Timer - 555定时器的电路结构与功能
18、 - 555定时器构成施密特触发器 - 555定时器构成单稳态触发器 - 555定时器构成多谐振荡器,45,10.4 多谐振荡器multivibrator（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（TTL）(1)静态（未振荡）时应是不稳定的,46,47,二、电压波形,48,三、振荡频率计算,10.4.2非对称式多谐振荡器电路,1.电路组成：,2. 原理 以CMOS器件为例分析,O,VTH,电路分析起点：,第一暂稳,第二暂稳,假设VO1=0分析起点,10.4多谐振荡器multivibrator,50,3.计算振荡周期,（1） 计算tw1：,VDD,51,（2） 计算
19、tw2：,0V,周期,52,10.4.3 环形振荡器,1.电路组成：,2.波形分析:以VO从0变为1开始,3.周期：,4.推广：,其中：n为奇数，且n3,53,频率高，获取低频脉冲困难。频率不稳定，且频率不易调节。,5.特点 ：,6.带RC延时的环形振荡器：,目的：获取较低振荡频率,（1）原理性电路,（2）实用电路,振荡周期：,CMOS,TTL（估算）,对于TTL要求：RROFF,RSROFF,与R、RS及TTL类型有关,54,10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器Schmitt-Trigger Oscillator,1.电路结构,VOH,VOL,2.原理,3.振荡周期,4.改进型,目的
20、，调节占空比。,55,Schmitt-trigger oscillatorusing a 7414 INVERTER.,Note 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crystal-controlled clock generator,二、石英晶体特性曲线,工作区（很窄）：,短路区：晶体作短路线用,感性区：晶体作电感用,一、RC振荡器的缺
21、点,频率稳定性差,原因,f与VT有关，因此频率受温度、电源电压影响,易受干扰,RC本身也不稳定,解决方法：,石英晶体多谐振荡器,57,quartz crystalFrequencies from 10 kHz to 80 MHz are readily achievable,Crystal-controlled clock generator circuits are used in all icroprocessor-based systems and microcomputers, and in any application in which a clock signal is used
22、 to generate accurate timing intervals.,58,1.对称式晶体振荡器电路,三、电路结构,TTL串联型,2.非对称式晶体振荡器电路,TTL（或CMOS）串联型,3.CMOS并联型晶体振荡器电路,原理说明图：,59,10.5 神奇的555时基集成电路555 timer,Timer IC 最早1971年Signetics Corporation发布当时唯一快速商业化的Timer ICIn mid 1972, Philips Semiconductors introduced the 555 timer40年来非常普遍使用，有许多应用电路,60,神奇的555时基集
23、成电路,There can be no doubt that the 555 timer has altered the course of 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
24、ranks of timer users.The 555 timer consists of two voltage comparators, a bistable flip-flop, a discharge transistor, and a resistor divider network.555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 mo
25、nostable modes Output can source or sink up to 200 mA Adjustable duty cycle TTL compatible Temperature stability of 0.005% per C,61,NE555 IC,Recommended Operating ConditionsOperating CharacteristicsVCC = 5 V to 15 V, TA = 25C,10.5 555定时器及其应用555 timer,10.5.1 555定时器电路结构与功能,一、结构图,二、功能表：（控制端VCO悬空）,0,导通,
26、0,导通,不变,不变,1,截止,1,截止,R=0，S=1,R=1，S=1,R=1，S=0,R=0，S=0,63,电路图,10.5.2 用555定时器接成的施密特触发器,原理,电压传输特性,65,10.5.3 用555定时器接成单稳态触发器,66,67,68,计算tw,tw,69,性能参数：暂稳态输出的宽度,70,71,10.5.4 用555接成多谐触发器Astable Multivibrator,72,10.5.4 用555接成多谐触发器,如希望q50%?,73,10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器,VCC,0V,T1,T2,求周期？,求T2 ：,求T1 ：,74,555 timer
27、IC used as an astable multivibrator,75,A simple modification can be made to this circuit to allow a duty cycle of less than 50 percent.,76,思考题：如何用NE555电路实现水泵控制器？,7555 type CMOS version, 556 type dual 555s version,Block diagram for a digital clock,77,78,10.6用multisim分析脉冲电路例:分析下图用555定时器接成的多谐振荡器。求出输出电压的波形和震荡频率。,79,80,81,课后作业,1) 查阅：国际电路公司的CD4528,CD4538,74LS123,NE555,NE7555,LM324芯片的类型、速度图书馆资源：电子器件天地, 软件2) 习题：/P50110.3, 10.6, 10.7,10.8,10.9 ；（6月12日前上交）10.13,10.16, 10.19, 10.21；（6月17日前上交）10.24, 10.25, 10.26； （6月19日前上交）3) 阅读：Ch 11.1-11.3,
