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數(shù)字波形詳解

作者: 時(shí)間:2011-07-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
數(shù)字波形是邏輯電平對時(shí)間的圖形表示。通常,我們將只有兩個(gè)離散值的波形稱之為脈沖波形,在這一點(diǎn)上脈沖波形與數(shù)字波形是一致的,只不過數(shù)字波形用邏輯電平表示,而脈沖波形用電壓值表示而已。
  與模擬波形的定義相同,數(shù)字波形也有周期性和非周期性之分。圖1.1.4表示了這兩類數(shù)字波形:

  周期性數(shù)字波形同樣用周期T或頻率f來描述;而脈沖波形的頻率常稱為脈沖重復(fù)率PRR--Pulse Repetition Rate。
  脈沖波形的參數(shù):
  脈沖寬度:tw表示,表示脈沖作用的時(shí)間;
  占空比:q,表示脈沖寬度tw占整個(gè)周期T的百分?jǐn)?shù),常用下式來表示:
  占空比是一個(gè)重要參數(shù),其定義同樣適用于數(shù)字波形。
  圖1.1.5表示兩種數(shù)字波形及其周期、頻率、脈沖寬度和占空比:

  例題1.1.1設(shè)周期性數(shù)字波形的高電平持續(xù)6ms,低電平持續(xù)10ms
,求占空比q?

解:根據(jù)給定的高電平持續(xù)時(shí)間有tw= 6ms,而高電平與低電平持續(xù)時(shí)間之和即為周期T

  所以有 T=6ms+10ms=16ms

  

  到目前為止,我們所討論的數(shù)字波形都是理想波形,然而實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)中,數(shù)字波形的升降都要經(jīng)歷一段時(shí)間,也就是說波形存在上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf 。
  上升時(shí)間tr的定義是:從脈沖幅值的10%到90%所經(jīng)歷的時(shí)間;下降時(shí)間tf的定義剛好相反:從脈沖幅值的90%到10%所經(jīng)歷的時(shí)間。tr和tf的典型值約為幾個(gè)納秒(ns),視不同類型的器件和電路而異。
  脈沖寬度的定義是脈沖幅值為50%時(shí)前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)所跨越的時(shí)間。非理想脈沖如圖1.1.6所示:

  例題1.1.2 試?yán)L出一脈沖波形,設(shè)它的占空比為50%,脈沖寬度 tw=100ns,上升時(shí)間tr=10ns,下降時(shí)間tf=20ns。

解:根據(jù)題意,可繪出脈沖波形如下:

圖1.1.7 例1.1.2的波形圖

  一般情況下波形的上升或下降時(shí)間均要比高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間要小很多,畫波形的目的主要是為了了解高、低電平所經(jīng)歷的時(shí)間。因此在理想波形中就只有高、低電平,而忽略了上升和下降時(shí)間
。本課程中所用的數(shù)字波形將采用理想波形。
  當(dāng)然,實(shí)際中碰到的波形,不管從示波器上來看,其上升沿和下降沿是多么的直,tr和tf都不可能為零,只是在數(shù)字電路中,只需關(guān)注邏輯電平的高低,因此在畫波形時(shí)只需畫出高低電平所經(jīng)歷的時(shí)間即可,無需畫出上升沿和下降沿。

(a)


(b)

圖1.1.8 用邏輯1和0表示的二值位行圖
(a) 對稱方波 (b) 二值數(shù)據(jù)

  上圖為一個(gè)二值位形圖,其中1或1占用的最小時(shí)間稱為位時(shí)間
,也就是1位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。我們將每秒鐘所傳輸?shù)奈粩?shù)稱為數(shù)據(jù)率比特率
  例題1.1.3 某通信系統(tǒng)每秒中傳輸1.544兆位數(shù)據(jù),求每位數(shù)據(jù)的時(shí)間。

解:根據(jù)題意,只需將1.544M倒數(shù),即可求得每位數(shù)據(jù)的時(shí)間為:


  舉例來說,象圖1.1.8b中看到的22位的二值位形圖,如果每一位數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間是648ns,則22位共占用14256ns,也就是14.256微秒,而其數(shù)據(jù)率就是1.544兆。
  在設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路時(shí),有時(shí)為了分析各種信號之間的邏輯關(guān)系
,需要將多個(gè)數(shù)字波形按時(shí)間排列在一起,用來表明相互間的時(shí)間關(guān)系,我們將這樣一種關(guān)系圖稱為時(shí)序圖(Timing diagram)。
  時(shí)序圖中的每一個(gè)波形都被稱為時(shí)間信號。時(shí)序圖被廣泛運(yùn)用在設(shè)計(jì)數(shù)字集成電路中,在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器、微處理機(jī)等數(shù)字應(yīng)用電路時(shí)均須附有時(shí)序圖,以便數(shù)字系統(tǒng)的分析、應(yīng)用和設(shè)計(jì)。
  圖1.1.9就是一個(gè)時(shí)序圖的例子:

圖1.1.9 數(shù)字時(shí)序圖

  圖中CP為時(shí)鐘脈沖信號,用作系統(tǒng)中的時(shí)間參考信號,一般由石英晶體振蕩器來產(chǎn)生,如圖所示波形為對稱方波。關(guān)于圖中各個(gè)波形的具體作用,將在以后的課程加以介紹.



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