數(shù)字波形詳解

　　數(shù)字波形是邏輯電平對時間的圖形表示。通常，我們將只有兩個離散值的波形稱之為脈沖波形，在這一點上脈沖波形與數(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：t_w表示，表示脈沖作用的時間；
　　占空比：q，表示脈沖寬度t_w占整個周期T的百分數(shù)，常用下式來表示：
　　占空比是一個重要參數(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)時間有t_w= 6ms，而高電平與低電平持續(xù)時間之和即為周期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)歷一段時間，也就是說波形存在上升時間t_r和下降時間t_f 。
　　上升時間t_r的定義是：從脈沖幅值的10%到90%所經(jīng)歷的時間；下降時間t_f的定義剛好相反：從脈沖幅值的90%到10%所經(jīng)歷的時間。t_r和t_f的典型值約為幾個納秒（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%時前后兩個時間點所跨越的時間。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(shè)它的占空比為50%，脈沖寬度 t_w＝100ns，上升時間t_r＝10ns，下降時間t_f＝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間均要比高電平或低電平的持續(xù)時間要小很多，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間
。本課程中所用的數(shù)字波形將采用理想波形。
　　當然，實際中碰到的波形，不管從示波器上來看，其上升沿和下降沿是多么的直，t_r和t_f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，因此在畫波形時只需畫出高低電平所經(jīng)歷的時間即可，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)

　　上圖為一個二值位形圖，其中１或１占用的最小時間稱為位時間
，也就是１位數(shù)據(jù)所占用的時間。我們將每秒鐘所傳輸?shù)奈粩?shù)稱為數(shù)據(jù)率或比特率。
　　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)計數(shù)字集成電路時，有時為了分析各種信號之間的邏輯關(guān)系
，需要將多個數(shù)字波形按時間排列在一起，用來表明相互間的時間關(guān)系，我們將這樣一種關(guān)系圖稱為時序圖（Timing diagram）。
　　時序圖中的每一個波形都被稱為時間信號。時序圖被廣泛運用在設(shè)計數(shù)字集成電路中，在設(shè)計存儲器、微處理機等數(shù)字應(yīng)用電路時均須附有時序圖，以便數(shù)字系統(tǒng)的分析、應(yīng)用和設(shè)計。
　　圖1.1.9就是一個時序圖的例子：

圖1.1.9 數(shù)字時序圖

　　圖中CP為時鐘脈沖信號，用作系統(tǒng)中的時間參考信號，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)于圖中各個波形的具體作用，將在以后的課程加以介紹.