微電子與電路基礎(chǔ)課件電子鐘

1、1早期時(shí)鐘早期時(shí)鐘振蕩器早期時(shí)鐘早期時(shí)鐘從“自激”說(shuō)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(hào)同相：各次輸出相互疊加 正反饋閉合回路有足夠增益：信號(hào)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(hào)的頻率或延遲量 決定振蕩頻率電子時(shí)鐘的基本結(jié)構(gòu)每個(gè)數(shù)字需七個(gè)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(yùn)算 運(yùn)算1MHz十位 個(gè)位0010 110分頻電路周期計(jì)數(shù)電路秒：6bit組合邏輯1061秒059如：011010運(yùn)算周期 1分鐘對(duì)時(shí)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(jì)數(shù)： 從固有頻率至秒、分、時(shí)、日、月等顯示： 轉(zhuǎn)換成人類能識(shí)別的信號(hào) 構(gòu)造電子時(shí)鐘的優(yōu)勢(shì)諧振： 更穩(wěn)定可靠的振蕩頻率 計(jì)時(shí)準(zhǔn)確能源： 信號(hào)微小，磨損小 節(jié)能，工作久計(jì)數(shù)： 純數(shù)字電路完成 簡(jiǎn)單可靠廉價(jià)顯示： 五花八門(mén)的顯示技術(shù) 各有所愛(ài)其它： 不易受機(jī)械等影響 穩(wěn)定可靠機(jī)械表 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)：?jiǎn)螖[ 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(shì)能 早期機(jī)械鐘：擒縱機(jī)構(gòu)（Escment）可形成“嘀嗒”動(dòng)作；但周期不太穩(wěn)定 單擺：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 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(gè) LED，需一個(gè)控制信號(hào)可顯示的字符： 09，【 AF 】 七段譯碼： 4 bit 輸入，轉(zhuǎn)化為 7 個(gè)控制信號(hào) 真值表： 以a線段為例 ( D3D2D1D0 Ya ) 八段數(shù)碼管： 帶小數(shù)點(diǎn) 5入8 出計(jì)數(shù)器同步CLK0000001010CLKCLK1111011 CLK2Q0CLK3110101100Q1RESET 同步3分頻計(jì)數(shù)器所有觸發(fā)器，時(shí)鐘端全部連在一起輸入端在時(shí)鐘跳變之前，提前準(zhǔn)備好所有的觸發(fā)器

4、，都在同一時(shí)刻跳變 大規(guī)模IC：主時(shí)鐘到各觸發(fā)器時(shí)延盡可能一致任意整數(shù)倍分頻電路異步CLK0CLK1 CLK2CLK3RRRT0T1T2RESETCLK0CLK1CLK2 CLK3 改動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：不再是八拍的環(huán)形異步復(fù)位：到達(dá)某個(gè)狀態(tài)后自動(dòng)復(fù)位 異步 5 分頻輸出的信號(hào)：每周期約 4 低 1 高出現(xiàn)一些的“毛刺”異步電路常見(jiàn) 為使最終信號(hào)為對(duì)稱 分頻因子 2 留至最后計(jì)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(jí)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(méi)有直接連接到所有 TCLK0 CLK1 CLK2 CLK3晶體振蕩器 為獲得更精準(zhǔn)的頻率尋找準(zhǔn)確度/穩(wěn)定的元件晶體的機(jī)械振動(dòng)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(chǎng)頻率和固有頻率相同時(shí) 電/機(jī)械諧振電振動(dòng) 機(jī)械振動(dòng) 電振動(dòng) 相當(dāng)于小電阻相當(dāng)于一個(gè)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(hào)達(dá)成自激條件 自激的過(guò)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(cè) 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(cè)器：檢測(cè)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(jìn)：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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：確定銫原子的某兩條譜線譜線間躍遷時(shí)吸收/放出能量該能量對(duì)應(yīng)于一定能量的光子光子能量對(duì)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(jìn)的量子鐘：19

7、99年：1.710-15相當(dāng)于：2千萬(wàn)年誤差1秒目前：70億年誤差1秒電子鐘表的精度問(wèn)題 走針式電子鐘表呢？相同處：晶振 分頻至1Hz不同處：驅(qū)動(dòng)線圈，帶動(dòng)齒輪和指針 如何提高精度精細(xì)加工挑選晶體恒溫環(huán)境無(wú)外部機(jī)械運(yùn)動(dòng)多個(gè)求平均 進(jìn)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(jiǎn)單除法簡(jiǎn)單除法簡(jiǎn)單除法12計(jì)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(jì)數(shù) 多級(jí) D、T觸發(fā)器 頻率降至秒、分. 簡(jiǎn)單除法組合邏輯電路 拆分出個(gè)位、十位 七段譯碼組合邏輯電路 顯示各個(gè)筆劃控制電壓通用的組合邏輯實(shí)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(xiàng)之或，譬如Y = Y1+Y5+Y6 步驟1：用譯產(chǎn)生所有最小項(xiàng) 步驟2：挑選最小項(xiàng)進(jìn)行或運(yùn)算 資源浪費(fèi)比較大 但總體代價(jià)應(yīng)包括設(shè)計(jì)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(gè)輸入，2n個(gè)輸出每個(gè)輸出量 最小項(xiàng)最小項(xiàng)：互不相同，均為所有輸入量的某種“與”最小項(xiàng)：有且僅有一種情況輸出為1 真值表：2n行2n列的“對(duì)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(guò)“選擇器”這種電路，其真值表為：SELABYXXBXXA請(qǐng)使用 3-8線譯和一個(gè)或門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)選擇器。作業(yè) 6-2 把計(jì)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(qǐng)畫(huà)出CLK0，CLK1，CLK2，CLK3的波形（至少10個(gè)CLK0的周期長(zhǎng)）?？杉僭O(shè)各信號(hào)初始狀態(tài)均為。若以（CLK3，CLK2，CLK1）二進(jìn)制數(shù)字（其中 CLK3是最），請(qǐng)說(shuō)出在CLK3 的一個(gè)周期里，該數(shù)字的變化過(guò)程。作業(yè) 6-1 右下圖電路中 C=5F，R=