基于單穩態結構的時鐘丟失檢測電路設計

李月香

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

基于單穩態結構的時鐘丟失檢測電路設計

李月香

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

單片機可以看成是在時鐘驅動下的時序邏輯電路，單片機工作過程中，所有的工作都是在時鐘信號控制下進行的。針對MCU的硬件監控技術及復位系統，依據單穩態結構特性，設計一款時鐘丟失檢測電路。該電路采用電流源取代電阻的方式，實現單穩態電路的阻容結構。電路上電使能后，監測時鐘上升沿，通過時鐘上升沿的觸發，使電路保持單穩態工作狀態。采用0.25 μm CMOS工藝進行仿真，仿真結果顯示，如果時鐘保持在高電平或低電平的時間大于258.4μs時，單穩態電路將超時，并產生一個復位信號。此電路結構簡單，便于集成在MCU復位系統，可對系統時鐘進行丟失監測。

時鐘丟失；單穩態；觸發器；單片機；復位系統；時鐘監測

1 引言

單片機可以看成是在時鐘驅動下的時序邏輯電路，沒有時鐘，單片機無法執行指令，可以說時鐘是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節奏[1]。許多MCU芯片的硬件監控技術都包含上電復位或置位、欠壓檢測、“看門狗”復位等復位電路[2]，很少有對MCU所使用的系統時鐘進行檢測復位。文中闡述一種基于單穩態結構的時鐘丟失檢測電路，針對系統時鐘的丟失產生一個復位信號，用于集成在MCU復位系統，對系統時鐘進行丟失監測。

2 單穩態原理簡介

單穩態觸發器具有如下工作特點：輸出只有一個穩態，當有外觸發脈沖作用時，它能從穩態轉到暫穩態，但在暫穩態維持一段時間以后，能自動返回穩態，暫穩態維持的時間長短取決于電路本身的參數，與外觸發脈沖信號的寬度無關[3]。由于具備這幾個特點，單穩態觸發器被廣泛應用于數字系統中的整形、延遲以及定時等[4]。

目前，工程上應用最多的單穩態電路是NE555芯片[5]，且單穩態的暫態通常靠RC電路的充、放電過程維持[6]，這在用分立器件設計時是可以辦到的。在集成電路設計時，大的電阻和電容將占據極大的版圖面積[7]，該電路采用一種電流源取代電阻的方式，設計一款具有單穩態特性的時鐘丟失檢查電路。

3 電路設計

根據單穩態電路特性，設計一款時鐘丟失監測電路，通過系統時鐘上升沿的連續觸發，使電路保持在暫態，如果系統時鐘丟失，電路經過一段時間返回到穩態，產生復位信號。整體電路設計框圖如圖1所示：

圖1 時鐘丟失檢測電路框圖

U1為具有復位端的上升沿D觸發器，其輸入信號為VDD；U2為兩輸入與非門，其中一個輸入端為電路的使能控制端EN；U4為延遲BUFFER單元，I1為電流源，U6為施密特反向器，其余單元為常見的邏輯門單元，整體電路工作狀態如下：

狀態1：丟失時鐘檢測關閉狀態。此狀態EN為0，使U2輸出為1，P1關閉，I1不工作且輸出端Out_q為0，RST端口輸出為0。

狀態2：丟失時鐘檢測開啟狀態。此狀態EN為1，待時鐘上升沿到來觸發后，U1輸出為1，U2輸出為0，使P1開啟，并開始為C1下極板充電，使state線網快速充電到VDD電平，保持P3關閉，RST輸出為0。

狀態3：觸發器復位狀態。EN為1，時鐘上升沿觸發后U1輸出為1，U2輸出為0，經過U4延遲時間T1后，U5輸出0，使觸發器U1復位并輸出0，使U2輸出為1，P1關閉。

通過狀態2和狀態3使P1開啟的時間近似為T1，此期間state線保持VDD電平。P1關閉后，C1通過恒定電流I1放電，使state線網電壓下降。

圖2 時鐘丟失檢測仿真結果

狀態4：丟失時鐘檢測復位狀態。承接狀態3，U2輸出為1，經過U4延遲時間T1后，U5輸出1使觸發器U1退出復位。此時，如果時鐘到來則進入狀態2，如果時鐘丟失，即時鐘保持高電平或低電平不變，則U2保持輸出1，C1保持放電，state線網電壓持續下降，經過時間T2（T2>>T1），其電壓下降到P3管閾值點，P3開啟使Out_q電壓大于U6輸入高電平閾值，最終使RST輸出為1，產生復位信號，提供MCU。

狀態5：等待時鐘觸發狀態，由于狀態4中RST輸出為1，信號經過U3—U5單元后輸出為1，觸發器復位關閉，此狀態下，如果有時鐘上升沿觸發，進入狀態2，使RST輸出為0。

4 電路仿真

設計采用0.25 μm CMOS工藝，仿真軟件Spectre進行仿真，圖2為時鐘丟失檢測電路仿真結果圖。

仿真時，考慮時鐘丟失可能發生在高電平期間或低電平期間，因此對高、低電平都要進行監測。由圖2可知，在時鐘高電平丟失258.4μs時，RST產生復位信號，當時鐘再次出現時，RST信號變為低電平，由于電路設計中U1采用的是時鐘上升沿觸發器，對于時鐘在低電平丟失的監測時間為時鐘最后一個上升沿到RST產生復位的時間，同樣也為258.4μs。

5 結束語

根據MCU系統時鐘的重要性及復位系統硬件的實現情況，依據單穩態電路工作特點[8]，提出一款時鐘丟失檢測復位電路，此電路簡單便于實現，可用于MCU復位系統，仿真結果顯示，時鐘保持在高電平或低電平的時間大于258.4μs，將會產生復位信號。

[1]周小軍.MCU芯片的復位電路與多模式時鐘系統設計[D].成都：電子科技大學,2007.Zhou Xiaojun.MCU Reset Circuit of Chip and Multimode Clock System Design[D].Chengdu：University of Electronic and Tech,2007.

[2]Jean J，Labrosse．MicroC/OS_II The Real-Time Kernel(Second Edition)[M].USA:CMP Books，2002．

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[4]K.Itoh,K.Sasaki,Y.Nakagome.Trends in Low-Power Trigger Circuit Technologies[J].Proceedings of the IEEE,1994:83-90.

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[6]K.Osada,etal,A 2ns Access 285MHz Two Port Cache Macro Using Double Global BitLine Pairs[J].IEEE ISSCC Digest of Technical Papers,1997:402-403.

[7]施凱青，夏曉娟，孫偉鋒.一種單穩態倍頻電路的實現[J].電子器件，2008,31(2)：612-614.Shi Kaiqing，Xia Xiaojuan，Sun Weifeng.Realization of a Single Steady State Frequency Circuit[J].Electron Device，2008,31(2)：612-614.

[8]朱小偉，汪東旭.大脈沖單穩態觸發器的設計[J].微電子學，2002,32(3)：225-227.Zhu Xiaowei，Wang Dongxu.Design of Large Pulse Single Steady State Trigger [J].Microelectronics，2002,32(3)：225-227.

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Design of the Missing Clock Detector Circuit Based on the Monostable Structure

Li Yuexiang
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

Single-chip microcontroller may be regarded as the sequential logic circuit driven by clock,in which all the work was conducted under the clock signal control.According to the hardware monitoring technology of MCU and reset system,a missing clock detector circuit based on the structural characteristics of monostable is designed，which uses the current source to replace the resistance,and realizes the resistance-capacitance structure of the monostable circuit.After the circuit being powered on,clock rising edge is monitored,which maintains a monostable working state by triggering the clock rising edge.Using the 0.25μm CMOS technology to the simulation,the simulation results show that if the time of the clock holding in high level or low level is greater than 258.4μs,the monostable circuit will time out,and generate a reset singal.The circuit structure is simple,which is easy to integrate in the MCU reset system and can monitor the system missing clock.

Missing Clock;Monostable;Tigger;Microcontroller;Reset system;Clock monitoring

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.006

TN402

A

1002-2279-（2017）04-0020-03

李月香（1988—），女，遼寧省丹東市（東港）人，助理工程師，主研方向：集成電路技術研究。

2016-06-15