數字波形詳解
與模擬波形的定義相同,數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(lèi)數字波形:
周期性數字波形同樣用周期T或頻率f來(lái)描述;而脈沖波形的頻率常稱(chēng)為脈沖重復率PRR--Pulse Repetition Rate。
脈沖波形的參數:
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的百分數,常用下式來(lái)表示:
占空比是一個(gè)重要參數,其定義同樣適用于數字波形。
圖1.1.5表示兩種數字波形及其周期、頻率、脈沖寬度和占空比:
例題1.1.1設周期性數字波形的高電平持續6ms,低電平持續10ms
,求占空比q?
解:根據給定的高電平持續時(shí)間有tw= 6ms,而高電平與低電平持續時(shí)間之和即為周期T
所以有 T=6ms+10ms=16ms
到目前為止,我們所討論的數字波形都是理想波形,然而實(shí)際的數字系統中,數字波形的升降都要經(jīng)歷一段時(shí)間,也就是說(shuō)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(lèi)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 試繪出一脈沖波形,設它的占空比為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時(shí)間要小很多,畫(huà)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
。本課程中所用的數字波形將采用理想波形。
當然,實(shí)際中碰到的波形,不管從示波器上來(lái)看,其上升沿和下降沿是多么的直,tr和tf都不可能為零,只是在數字電路中,只需關(guān)注邏輯電平的高低,因此在畫(huà)波形時(shí)只需畫(huà)出高低電平所經(jīng)歷的時(shí)間即可,無(wú)需畫(huà)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(chēng)方波 (b) 二值數據
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(chēng)為位時(shí)間
,也就是1位數據所占用的時(shí)間。我們將每秒鐘所傳輸的位數稱(chēng)為數據率或比特率。
例題1.1.3 某通信系統每秒中傳輸1.544兆位數據,求每位數據的時(shí)間。
解:根據題意,只需將1.544M倒數,即可求得每位數據的時(shí)間為:
舉例來(lái)說(shuō),象圖1.1.8b中看到的22位的二值位形圖,如果每一位數據所占用的時(shí)間是648ns,則22位共占用14256ns,也就是14.256微秒,而其數據率就是1.544兆。
在設計數字集成電路時(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)數字波形按時(shí)間排列在一起,用來(lái)表明相互間的時(shí)間關(guān)系,我們將這樣一種關(guān)系圖稱(chēng)為時(shí)序圖(Timing diagram)。
時(shí)序圖中的每一個(gè)波形都被稱(chēng)為時(shí)間信號。時(shí)序圖被廣泛運用在設計數字集成電路中,在設計存儲器、微處理機等數字應用電路時(shí)均須附有時(shí)序圖,以便數字系統的分析、應用和設計。
圖1.1.9就是一個(gè)時(shí)序圖的例子:
圖1.1.9 數字時(shí)序圖
圖中CP為時(shí)鐘脈沖信號,用作系統中的時(shí)間參考信號,一般由石英晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生,如圖所示波形為對稱(chēng)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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