数字系统设计 Digital System Design

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1 数字系统设计 Digital System Design
EE141 数字系统设计 Digital System Design -----脉冲电路 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 2017 spring ---#11 pulse & clock circuit

2 任课教师 王维东 TA: 浙江大学信息与电子工程学院, 信电楼306 邮箱：wdwang@zju.edu.cn
EE141 任课教师 王维东 浙江大学信息与电子工程学院, 信电楼306 College of Information Science & Electronic Engineering Zhejiang University, Hangzhou, Tel: (O) Mobile: TA: 陈 彬彬 Binbin CHEN, ; 陈 佳云 Jiayun CHEN， ; Office Hours：玉泉信电楼 308室（可以微信或邮件联系）. 2017 spring ---#11 pulse & clock circuit

3 课程简介 课程代码：111C0120 参考书 阎石, 数字电子技术基础, 第6版, 高等教育出版社, 2016.
EE141 课程简介 课程代码：111C0120 参考书 阎石, 数字电子技术基础, 第6版, 高等教育出版社, 2016. 王金明著，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，第6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. 2017 spring ---#11 pulse & clock circuit

4 Other Course Info Website: http://mypage.zju.edu.cn/wdwd/教学工作/
Check frequently 答疑 玉泉信电楼308室/周二周五下午2:30-5:00 上课课间、课后均可 ，微信群/数字系统设计，短信均可

5 Grading (考核) Final grades will be computed approximately as follows:
平时（含课程作业、期中考试+小测验、Project、出勤等）30% Class Room Check Homework Sets 作业每周二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1~5分，但不超过平时成绩范围） Finial Exam期末闭卷考试 - 70% 上课说明此门课程的成绩合成：平时成绩包括平时小测验、期中考试、作业、出勤、课堂讨论、论文

6 课程结构 数字理论知识(必备) 数字电路分析与设计 脉冲电路与接口 控制器与数字系统 微处理器简介与设计 数字系统和编码、逻辑代数、门电路
EE141 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 微处理器简介与设计 指令集 4位CPU 2017 spring ---#11 pulse & clock circuit

7 Monostable Multivibrator ------------脉冲电路 （1）
EE141 Monostable Multivibrator 脉冲电路 （1）

8 EE141 概述 施密特触发器 单稳态触发器 -微分型 -积分型

9 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q 获取矩形波形 q= Tw/T 多谐振荡器电路
EE141 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q q= Tw/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

10 一阶线性电路的暂态分析 1.什么叫一阶电路？ 例： K C1 K C1 R1 C2 R1 R2 E C2 R2 E C1 R2 C2 R1
EE141 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： R1 R2 C2 C1 E K R1 R2 C2 C1 E K R1 +R2 R1 R2 C2 C1 一价电路 高价电路

11 2. 一阶电路的分析 解微分方程法 三要素法 前提？ 阶跃信号 （1）三要素 时间常数τ： 初始值x(0+)： 趋向（稳态）值x(∞)：
EE141 2. 一阶电路的分析 解微分方程法 三要素法 前提？ 阶跃信号 （1）三要素 时间常数τ： 初始值x(0+)： 趋向（稳态）值x(∞)： 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。

12 施密特触发器Schmitt-trigger circuit
EE141 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.

13 10.2 施密特触发器 一.CMOS非门构成 当 当 假设：CMOS为理想器件，即 (1) 与vi、vo均有关 条件： 电路输出低电平
EE141 10.2 施密特触发器 3 . 原理 用门电路组成施密特触发器 假设：CMOS为理想器件，即 一.CMOS非门构成 1 . 电路组成 (1) 与vi、vo均有关 当 条件： 电路输出低电平 2 . 符号 负向阈值电压 当 电路输出高电平 正向阈值电压

14 （2）当VT- < vI < VT+时？
EE141 （2）当VT- < vI < VT+时？ 当vI<VT-时，VO=0（OA段、DE段） 波形分析 当vI>VT+时，VO= VDD（BC段） 当vI从0变大时， O 正反馈 正反馈 vI<VT+时， ,VO=0（AB段） vi略大于VT+时，有一正反馈过程 O VO 当VI 从VDD变小时， VDD vI>VT-时， ,VO=VDD（CD段） VO vi略小于VT-时，有一正反馈过程 A B C D E

15 4.电压传输特性 vo=f(vI) 同相施密特 O VDD VDD/2 VT+ VT- 特点：滞后特性 反相施密特 O VDD VDD/2
EE141 4.电压传输特性 vo=f(vI) 同相施密特 O VDD VDD/2 VT+ VT- vo vI 特点：滞后特性 反相施密特 O VDD VDD/2 VT+ VT- vI

16 Standard inverter response to slow noisy input,
Schmitttrigger response to slow noisy input.

17 EE141 集成施密特触发器 一、74xx13 3.电压传输特性 1.电路结构 2.电路符号

18 EE141 二、CD40106 1.电路结构 3.电压传输特性 2.电路符号

19 一 波形变换（整形） 10.2.3 施密特触发器的应用 例1： 用反向比较器 比较电平 用反向施密特触发器 VT+ VT-
EE141 施密特触发器的应用 例1： 用反向比较器 一 波形变换（整形） 比较电平 用反向施密特触发器 VT+ VT- 抗干扰能力与滞后电压大小有关。 与电压比较器区别？ 抗干扰能力强

20 EE141 二、用于脉冲鉴幅 功能：筛选出幅度大于某一阀值的脉冲。 阀值

21 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。
EE141 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)。

22 EE141 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。

23 EE141 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。

24 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。
EE141 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。

25 10.3单稳态触发器MONOSTABLE MULTIVIBRATOR
EE141 10.3单稳态触发器MONOSTABLE MULTIVIBRATOR 概念 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。 外力 3. 暂稳态持续一时间与电路参数有关，与触发脉冲的宽度和幅度无关。 稳定 示意框图 暂稳态 单稳态 触发脉冲 输出 稳态 注意： 触发脉冲也可负脉冲； 电路也可以输出负脉冲。

26 OS symbol and typical waveforms for nonretriggerable operation

27 用门电路组成的单稳态触发器 2.原理： 1.电路组成（CMOS门和RC微分电路） （1）求稳态： 电路不再充放电，电路可视为
EE141 用门电路组成的单稳态触发器 一、微分型单稳态触发器 2.原理： 1.电路组成（CMOS门和RC微分电路） 一般：R>>1k,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 （1）求稳态： 电路不再充放电，电路可视为 开路。 输入微分作用： 使触发信号对暂稳持续时间不影响 为下一阶段服务

28 vc O O (2)准稳态：加入触发脉冲 启动正反馈过程，电路进入准稳态 O O VTH 准稳态等效电路 O 保证 保证， Vd可撤 O
EE141 vc O O (2)准稳态：加入触发脉冲 启动正反馈过程，电路进入准稳态 O O VTH 准稳态等效电路 O 保证 保证， Vd可撤 O 充电 准稳态 稳态 当 VI2上升至略VTH时，启动正反馈过程，准稳态结束

29 EE141 求准稳态持续时间tw ？ O VTH 准稳态等效电路 充电 tw

30 vc （3）恢复期 求恢复期Tre，电路达到稳态的时间 恢复期等效电路 O 1.5VDD 趋向VDD VTH 放电
EE141 vc O VTH （3）恢复期 恢复期等效电路 1.5VDD 趋向VDD 放电 求恢复期Tre，电路达到稳态的时间 恢复期 理论上，达到稳态需∞时间； 一般认为，（3~5）τ时间基本上达到稳态

31 1.电路组成（TTL门和RC积分电路） t 原理： 计算tw ？ O O O VTH O 等效电路 在tw期间，VA为高电平
EE141 二、积分型单稳态触发器 O t 1.电路组成（TTL门和RC积分电路） t O O t VTH 原理： tw 计算tw ？ O t 等效电路 在tw期间，VA为高电平

32 EE141 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

33 EE141

34 EE141 可重复触发？ 不可重复触发？

35 Nonretriggerable One-Shot
EE141 Nonretriggerable One-Shot Retriggerable One-Shot

36 The is a single nonretriggerable one-shot IC; the 74221, 74LS221, and 74HC221 are dual nonretriggerable one-shot ICs; the and 74LS122 are single retriggerable one-shot ICs; the 74123, 74LS123, and 74HC123 are dual retriggerable one-shot ICs.

37 Logic symbols 74121 nonretriggerable one-shot
(a) traditional; (b) IEEE/ANSI.

38 EE141

39 EE141 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, it is usually in simple timing applications that utilize the predetermined interval.

40 CLOCK GENERATOR CIRCUITS -------------脉冲电路 （2）
EE141 CLOCK GENERATOR CIRCUITS 脉冲电路 （2）

41 2. 一阶电路的分析 解微分方程法 三要素法 前提？ 阶跃信号 （1）三要素 时间常数τ： 初始值x(0+)： 趋向（稳态）值x(∞)：
EE141 2. 一阶电路的分析 解微分方程法 三要素法 前提？ 阶跃信号 （1）三要素 时间常数τ： 初始值x(0+)： 趋向（稳态）值x(∞)： 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。

42 多谐振荡器multivibrator 555定时器及其应用555 Timer -对称式多谐振荡器 -非对称式多谐振荡器 -环形振荡器
EE141 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 - 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

43 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
EE141 10.4 多谐振荡器multivibrator（自激振荡，不需外加触发信号） 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

44 EE141

45 EE141 二、电压波形

46 EE141 三、振荡频率计算

47 10.4多谐振荡器multivibrator 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 第一
EE141 10.4多谐振荡器multivibrator 第一 暂稳 第二 暂稳 O t 10.4.2非对称式多谐振荡器电路 VTH 1.电路组成： VC t 对于TTL要求：RF<ROFF,Rp<ROFF O O t 2. 原理 以CMOS器件为例分析 开机瞬间：v(0-)=0 假设VO1=0 电路分析起点： 假设VO1=0 分析起点 O t 放电 多谐振荡器是一种自激振荡器，接通电源后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲。由于矩形波中含有丰富 的高次谐波分量，又把矩形振荡器叫做多谐振荡器。 CMOS门电路的输入电流在正常的输入高、低电平范围内几乎等于零，因此Rf上没有压降。G1工作在Vo1=Vi1的状态。 充电

48 EE141 3.计算振荡周期 O t VTH tw2 tw1 VDD （1） 计算tw1： 充电

49 EE141 （2） 计算tw2： O t VTH tw2 tw1 放电 0V 周期

50 10.4.3 环形振荡器 3.周期： 1.电路组成： 4.推广： 2.波形分析:以VO从0变为1开始 tpd tpd tpd O
EE141 环形振荡器 3.周期： 1.电路组成： 4.推广： 2.波形分析:以VO从0变为1开始 O t tpd O t 其中：n为奇数，且n≥3 利用闭和回路中的正反馈作用产生自激振荡，利用闭和回路中的延迟负反馈作用同样也能产生自激振荡。 利用门电路的传输延迟时间将奇数个反相器首尾相接而构成的。 tpd O t tpd

51 5.特点 ： 振荡周期： 6.带RC延时的环形振荡器： CMOS TTL（估算） 频率高，获取低频脉冲困难。 频率不稳定，且频率不易调节。
EE141 5.特点 ： 频率高，获取低频脉冲困难。 频率不稳定，且频率不易调节。 振荡周期： 6.带RC延时的环形振荡器： CMOS （1）原理性电路 TTL（估算） 目的：获取较低振荡频率 与R、RS及TTL类型有关 （2）实用电路 对于TTL要求：R<ROFF,RS<ROFF

52 10.4.4 用施密特触发器构成的多谐振荡器 3.振荡周期 1.电路结构 4.改进型 2.原理 O VT- VT+ VOH VOL O
EE141 用施密特触发器构成的多谐振荡器 Schmitt-Trigger Oscillator 3.振荡周期 1.电路结构 4.改进型 目的，调节占空比。 2.原理 t O VT- VT+ VOH 施密特触发器最突出的特点是它的电压传输特性有一个滞回区。使输入电压Vt+与Vt-之间不停地往复变化，在输出端就可以得到矩形脉冲波。 将施密特触发器的反相输出经RC积分电路接回到输入端即可。 VOL t O

53 Schmitt-trigger oscillator using 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.

54 10.4.5 石英晶体多谐振荡器 crystal-controlled clock generator
EE141 石英晶体多谐振荡器 crystal-controlled clock generator 二、石英晶体特性曲线 一、RC振荡器的缺点 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： 工作区（很窄）： 石英晶体多谐振荡器 并联型振荡电路 串联型振荡电路 感性区：晶体作电感用 短路区：晶体作短路线用

55 EE141 quartz crystal Frequencies 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 to generate accurate timing intervals.

56 三、电路结构 1 C C1 C2 原理说明图： TTL串联型 A C C2 C1 TTL（或CMOS）串联型
EE141 三、电路结构 3.CMOS并联型晶体振荡器电路 1.对称式晶体振荡器电路 1 C C1 C2 原理说明图： TTL串联型 2.非对称式晶体振荡器电路 A C C2 C1 TTL（或CMOS）串联型

57 10.5 神奇的555时基集成电路555 timer Timer IC 最早1971年Signetics Corporation发布
In mid 1972, Philips Semiconductors introduced the 555 timer 40年来非常普遍使用，有许多应用电路

58 神奇的555时基集成电路 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 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 monostable modes ■ Output can source or sink up to 200 mA ■ Adjustable duty cycle ■ TTL compatible ■ Temperature stability of 0.005% per °C

59 NE555 IC Recommended Operating Conditions
Operating CharacteristicsVCC = 5 V to 15 V, TA = 25°C

60 10.5 555定时器及其应用555 timer 输入 输出 × 1 10.5.1 555定时器电路结构与功能 导通 导通 不变 不变 1
EE141 定时器及其应用555 timer 定时器电路结构与功能 一、结构图 复位端 二、功能表：（控制端VCO悬空） 输入 输出 VI1 VI2 VO TD状态 × 1 阈值端 R S 导通 R=0，S=1 导通 触发端 R=1，S=1 不变 不变 放电端 1 R=1，S=0 截止 R=0，S=0 1 截止

61 电路图

62 10.5.2 用555定时器接成的施密特触发器 × 1 TD VO VI2 VI1 导通 不变 截止 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 电压传输特性 O
EE141 用555定时器接成的施密特触发器 1 × TD VO VI2 VI1 输出 输入 导通 不变 截止 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 电压传输特性 t O 2/3VCC 1/3VCC 原理 t O Ⅲ Ⅱ Ⅰ Ⅱ Ⅲ

63 EE141 用555定时器接成单稳态触发器 输 入 输 出 X 导通 1 不变 截止

64 EE141

65 EE141

66 EE141 计算tw O 1/3VCC t 2/3VCC VI2 VI1 VCC tw

67 EE141 性能参数： 暂稳态输出的宽度

68 EE141

69 10.5.4 用555接成多谐触发器 Astable Multivibrator
EE141 用555接成多谐触发器 Astable Multivibrator 输 入 输 出 X 导通 1 不变 截止

70 EE141 用555接成多谐触发器 如希望q<50%?

71 10.5.4 用555定时器接成的多谐振荡器 × 1 O 2/3VCC 1/3VCC VCC 0V O T2 T1 求周期？ TD VO
EE141 用555定时器接成的多谐振荡器 t O 2/3VCC 1/3VCC VCC 0V t O T2 T1 求周期？ 1 × TD VO VI2 VI1 导通 不变 截止 求T1 ： 求T2 ：

72 EE141

73 555 timer IC used as an astable multivibrator
A simple modification can be made to this circuit to allow a duty cycle of less than 50 percent.

74 EE141 7555 type CMOS version, 556 type dual 555s version 思考题：如何用NE555电路实现水泵控制器？

75 Block diagram for a digital clock

76 EE141 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。

77 EE141

78 EE141

79 课后作业 1) 查阅： 2) 习题：/P383 3) 阅读： 国际电路公司的 图书馆资源：电子器件天地, 软件
EE141 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：/P383 7.3, 7.5, 7.8, 7.9, 7.10；（6月2日前上交） 7.13, 7.15, 7.17, 7.18 ；（6月2--6日前上交） 7.21, 7.23, 7.25, 7.27；（6月6日前上交） 3) 阅读： Ch

80 EE141 课后作业 4）Project Project1（必做）：将讲义P31页图8.33的框图用具体型号的数字集成电路设计实现为具体电路图。（5月26日交报告和电路图） Project2（选做平时成绩加分）：用具体逻辑电路描述设计并FPGA实现一个4bit简单CPU实物。（期末考试周前完成） Spring ZDMC – Lec. #10