数字化测量技术讲解.doc

一、集成电路发展概况电子技术经历了四个发展阶段：①1906年电子管的问世和1947年晶体管的发明，揭开了电子电路的设计阶段；②1958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段；③1975年以后超大规模集成电路（VLSI）的问世，将电子技术引向IC的系统设计与相关的软件设计阶段；④面向21世纪的以微电子为基础、以计算机和通信为媒体的新阶段一）CMOS电路的迅速崛起1、CMOS电路发展史63年研制成功，68年商品化分为：标准系列 CD4000、MC14500 CC4000A CC4000B高速系列 74HC 54HC注：在电子线路设计，在画图软件中（如protel）中，有其原理图库与精装图库2、CMOS电路十大优点（1）工作电源电压范围宽 通用型CMOS电路的电源电压范围（UDD～USS）为＋3～18V，高速CMOS电路的电源电压范围（UCC～GND）是＋2～6V在此范围内选取任何一个电压值，均能正常工作若选＋5V电源，则能与TTL电路直接匹配2）微功耗 CMOS电路的静态功耗极低，耗电省，属于微功耗器件每个门的功耗低至1μW，仅为TTL的1/1000采用CMOS电路，便于构成电池供电的小型化数字仪表，便于设计备用电源和掉电保护电路，还能降低稳压电源的容量。

2、CMOS电路十大优点（3）输入阻抗高 其输入阻抗大于108Ω（100MΩ），对输入信号无衰减作用4）驱动能力强 通常一个输出端可驱动50个以上的输入端有的还能直接驱动LED显示器5）抗干扰能力强 当电路的输出状态维持不变时允许加到输入端的噪声电压最大值，称为电压噪声容限噪声容限愈高，器件的抗干扰能力愈强在各种数字IC中，CMOS电路的噪声容限最高，可达40%UDD；选5V电源时，其噪声容限约2V，而TTL电路仅为0.8V6）输出电平的摆幅大 摆幅表示输出高电平（UOH）与低电平（UOL）之差CMOS电路的输出电平摆幅很大，可称为“顶天立地”，UOH≈UDD，UOL≈USS，因此电源利用率最高相比之下，TTL电路的UOH＝＋3.4V，UOL＝＋0.2V7）工作频率高 4000系列的工作频率为1MHz至几兆赫74HC系列可达40～50MHz，与LS-TTL电路相当8）温度稳定性好 CMOS电路能在很宽的温度范围内正常工作，一般塑封产品为－40～85℃，陶封产品为－55～125℃9）集成度高 CMOS电路的功耗低，芯片发热量小，单片集成度可以做得很高集成度在105～108元器件/片（折合104～107门/片）的属于VLSI。

例如，Intel公司最新推出的Pentium4系列处理器，采用0.13μm线宽，集成度高达7700万只晶体管/片，最高主频为3.06GHz最近，TI公司研制成的新型微处理器，内部包含1.8亿只晶体管预计到2015年芯片的集成度将会接近于50亿只10）内部有较完善的保护电路 CMOS电路的每个输入端都设置了二极管-电阻双向保护网络，无论输入端出现何种极性的冲击电压，保护电路均可将该电压幅度限制在MOS管所能承受的范围之内二）单片IC和单片系统的广泛应用1、集成传感器（举例）仅在汽车上使用的智能传感器就达几十种，例如加速度传感器、压力传感器、温度传感器、液位传感器，还有专用于车道跟踪、车辆识别、车距探测、卫星定位的新型智能传感器及发送、接收装置2、单片系统单片系统的英文缩写为SOC（System On Chip），意为“系统级芯片”，它是将一个可灵活应用的系统集成在一个芯片中例如，美国国家半导体公司（NSC）2000年推出的带USB接口的单片彩色扫描仪集成电路LM98332003年推出的单片数据采集系统ADuC824/843美国ADI公司2001年新推出的单片宽频带相位差测量系统AD8302，博通（Broadcom）公司2007年推出的数字电视机顶盒单片系统BCM7118等。

2、单片系统目前，单片系统的集成度正在迅速提高，预计将达到109个晶体管/片的水平这必将给整个IC产业及IC应用带来划时代的进步，使IC从传统意义上的“集成电路”发展成为全新概念的“集成系统”SOC=集成传感器+CPU+接口+ROM+RAM3、智能仪器仪表专用IC 典型产品美国英特希尔（Intesil）公司的HI7159A型单片5½位A/D转换器中国台湾地区承永资讯科技公司最新推出的ES51966、ES51999型4¾位/5¾位智能数字万用表集成电路美国泰克（TEK）公司的单片示波器 特点：集成度高、功能强、外围电路简单，适配微处理器或单片机，有的本身还带微处理器，为研制具有高性价比的智能仪器及测试系统创造了有利条件4、通信用IC 摩托罗拉公司、爱立信公司生产的彩屏专用IC5、工业控制和机电一体化专用IC MC14460汽车速度控制处理器、国产5G5511直流电机稳速电路、5G88游标卡尺专用电路6、家电专用飞利浦公司生产的单片彩电信号处理器、国产单片电子琴电路、缝纫机IC、心脏起搏器IC等三）电子模块的开发1、定义：电子模块（Electronic Block）亦称微电子功能组件。

它是采用微电子技术，把集成电路与微型电子元器件（如片状电阻、超小型电解电容器）组装成一体，用来完成某一特定功能的商品化部件（二次集成）2、结构特点：大致分两种：一种是全密封式，不可拆卸；另一种为敞开式，用户需自己配外壳3、5大优点：①能大大简化电路设计，缩短新产品的研制周期；②工艺先进，能提高整机合格率与可靠性，一次上机合格率可达100%；③能减小体积与重量；④便于安装与维修；⑤采用全密封式模块还可防止伪造，维护厂家的权益4、产品分类：数显模块、数字仪表模块、转换器模块、开关电源模块、电磁干扰滤波器模块电力部门使用的整流桥模块、功率模块、巨型晶体管（GTR）模块、可关断晶闸管（GTO）模块目前模块正向智能化方向发展四）ASIC的推广1、定义：ASIC是“特定用途集成电路”（Application Specific Integrated Circuit）的英文缩写，亦称用户特制IC是指IC厂家接受用户委托，为满足用户的特殊需要而专门研制的集成电路2、供需格局一般IC ： 厂家→用户ASIC：用户→厂家→用户3、特点：ASIC产品是将超大规模集成电路（VLSI）的制造技术、电子设计自动化（EDA）、自动测试技术（AT）这三者结合的丰硕成果。

目前国内外一些芯片厂家已建立起超大规模集成电路计算机辅助设计（简称VLSI-CAD）中心，作为开发新产品的重要手段利用这种系统不仅能完成芯片的逻辑电路设计、逻辑模拟、版图设计（包括布局、布线），还能对成品进行自动测试现在智能化的VLSI-CAD系统已能将有源器件缩小到深亚微米通常把0.8～0.35μm称为亚微米，0.25～0.05μm称为深亚微米，0.05μm以下称为纳米级目前，集成电路的线宽可达0.13～0.18μm，预计2012年将达到0.06～0.08μm4、产品分类半定制全定制半定制产品主要包括门阵列（GAL）、可编程逻辑器件（PLD）、可擦除可编程逻辑器件（EPLD）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）第一章 数字化测量概述一、我国集成电路型号命名法｛图片｝1. CMOS数字电路定义：CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）——互补型金属氧化物半导体分类：通用型 CD4000系列MC14000系列CC4000系列高速型（H-CMOS）：主要有74HC系列高速CMOS电路的特点：除保留CMOS电路优点外，尚有下述主要特点：① 工作频率高（fmax=50MHz）② 工作电源电压范围较宽，可在低电压下工作（VCC=2～6V）③ 外部引线与TTL电路相同，可直接代换2. TTL数字电路。

意义：晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic）集成电路特点：（1）工艺成熟，可靠性好2）规格品种多，便于选购3）工作频率高4）电源电压范围窄，功耗高TTL的正电源电压为UCC，电源地是GND其电源电压典型值UCC＝＋5V，允许范围一般为＋4.75～5.25V，部分产品为＋4.5～5.5V每门功耗为mW级分类：低功耗肖特基系列LS-TTL（对应 于国标CT4000）——主流产品高速肖特基系列S-TTL（对应于CT3000系列）3. ECL电路意义：发射极耦合逻辑集成电路（Emitter Coupled Logic IC）这是一种使晶体管工作在非饱和状态的电流开关电路，亦称电流型数字电路主要特点：速度极快（延迟时间仅1ns左右）；工作频率很高（几百兆赫至1.5GHz）输出能力强、噪声低，可广泛用于数字通信、雷达等领域缺点是功耗高、噪声容限低，价格昂贵其他：ECL的正电源电压为UCC，负电源电压是UEE为提高抗干扰能力，将UCC接地，采用负电源供电标准ECL电路的UCC＝0V，UEE＝－5.2V国产E第三节 数字IC的接口电路CL电路有CE100K、CE8000等系列，此外还有超大规模门阵列ECL电路。

分类：① 由分立元件构成的接口电路② 由集成电路构成的接口电路功能：主要功能：电平匹配其他功能：阻抗匹配、隔离，提高驱动能力R1为基极限流电阻，起保护作用C为加速电容，能改善频率响应，使信号波形的沿口陡直R2为基极下拉电阻，无输入信号时令UBE＝0，使NPN型晶体管VT可靠地截止R3是集电极电阻 原理：当V0=1（高电平时），BG1、BG2均导通，继电器线圈J上有电流通过，继电器吸合，接通执行机构（如报警器、电机等）关键元器件分析:稳流二极管1N4001（产生感应电势）继电器释放时为反向电动势e提供泄放回路线圈的极性与原电源极性相反，企图维持IJ不变若不加VD，产生的感应电压可能会损坏晶体管达林顿管 VT1，VT2，β=β1β2 若只驱动LED，可只使用其中一只JRC-12 超小型，小功率继电器，E=12V 计算公式：E：电源电压UF：LED的正向压降 1.5～2.0VIF：LED的正向工作电流 5 mA～10 mAVCES：晶体管饱和压降 0.1～0.3V举例取E=6V ， UF=1.8V， IF =10 mA ， VCES=0.15V，可求得：R=415Ω，则P=IF2R=(10X10-3)2×415=0.04W故可选430Ω，1/8W电阻。

五、利用施密特触发器作接口工作原理：施密特（Schmitt）触发器是一种具有滞后特性的触发器，仅当输入电压超过阈值电压时才有恒定幅度的输出脉冲其电压转移特性与磁滞回线相似，因此有滞后特性VT+→上阀值电压VT—→下阀值电压△VT→滞后（回差电压）主要用途：整形：将缓慢变化的输入电压波形→陡峭过渡的输出滤形整形器、消噪电路、电平转换、电压鉴别、振荡器、单稳电路、开机复零电路典型产品CD40106 74LS（HC）14C—隔直电容，容量视输入信号f而定，0.1～20µFR1、R2—偏置电阻，取R1=R2=。