數(shù)字化測量技術(shù)

1、一、集成電路發(fā)展概況電子技術(shù)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段：1906年電子管的問世和1947年晶體管的發(fā)明，揭開了電子電路的設(shè)計階段；1958年集成電路（IC）的誕生，跨入了新一代電路的邏輯設(shè)計階段；1975年以后超大規(guī)模集成電路（VLSI）的問世，將電子技術(shù)引向IC的系統(tǒng)設(shè)計與相關(guān)的軟件設(shè)計階段；面向21世紀的以微電子為基礎(chǔ)、以計算機和通信為媒體的新階段。（一）CMOS電路的迅速崛起1、CMOS電路發(fā)展史63年研制成功，68年商品化。分為：標準系列 CD4000、MC14500 CC4000A CC4000B高速系列 74HC 54HC注：在電子線路設(shè)計，在畫圖軟件中（如protel）中，有其原理圖庫與

2、精裝圖庫。2、CMOS電路十大優(yōu)點（1）工作電源電壓范圍寬 通用型CMOS電路的電源電壓范圍（UDDUSS）為318V，高速CMOS電路的電源電壓范圍（UCCGND）是26V。在此范圍內(nèi)選取任何一個電壓值，均能正常工作。若選5V電源，則能與TTL電路直接匹配。（2）微功耗 CMOS電路的靜態(tài)功耗極低，耗電省，屬于微功耗器件。每個門的功耗低至1W，僅為TTL的1/1000。采用CMOS電路，便于構(gòu)成電池供電的小型化數(shù)字儀表，便于設(shè)計備用電源和掉電保護電路，還能降低穩(wěn)壓電源的容量。2、CMOS電路十大優(yōu)點（3）輸入阻抗高 其輸入阻抗大于108（100M），對輸入信號無衰減作用。（4）驅(qū)動能力強 通

3、常一個輸出端可驅(qū)動50個以上的輸入端。有的還能直接驅(qū)動LED顯示器。（5）抗干擾能力強 當電路的輸出狀態(tài)維持不變時允許加到輸入端的噪聲電壓最大值，稱為電壓噪聲容限。噪聲容限愈高，器件的抗干擾能力愈強。在各種數(shù)字IC中，CMOS電路的噪聲容限最高，可達40%UDD；選5V電源時，其噪聲容限約2V，而TTL電路僅為0.8V。（6）輸出電平的擺幅大 擺幅表示輸出高電平（UOH）與低電平（UOL）之差。CMOS電路的輸出電平擺幅很大，可稱為“頂天立地”，UOHUDD，UOLUSS，因此電源利用率最高。相比之下，TTL電路的UOH3.4V，UOL0.2V。（7）工作頻率高 4000系列的工作頻率為1MH

4、z至幾兆赫。74HC系列可達4050MHz，與LS-TTL電路相當。8）溫度穩(wěn)定性好 CMOS電路能在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作，一般塑封產(chǎn)品為4085，陶封產(chǎn)品為55125。（9）集成度高 CMOS電路的功耗低，芯片發(fā)熱量小，單片集成度可以做得很高。集成度在105108元器件/片（折合104107門/片）的屬于VLSI。例如，Intel公司最新推出的Pentium4系列處理器，采用0.13m線寬，集成度高達7700萬只晶體管/片，最高主頻為3.06GHz。最近，TI公司研制成的新型微處理器，內(nèi)部包含1.8億只晶體管。預計到2015年芯片的集成度將會接近于50億只。（10）內(nèi)部有較完善的保護電路

5、 CMOS電路的每個輸入端都設(shè)置了二極管-電阻雙向保護網(wǎng)絡(luò)，無論輸入端出現(xiàn)何種極性的沖擊電壓，保護電路均可將該電壓幅度限制在MOS管所能承受的范圍之內(nèi)。（二）單片IC和單片系統(tǒng)的廣泛應用1、集成傳感器（舉例）僅在汽車上使用的智能傳感器就達幾十種，例如加速度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器，還有專用于車道跟蹤、車輛識別、車距探測、衛(wèi)星定位的新型智能傳感器及發(fā)送、接收裝置。2、單片系統(tǒng)單片系統(tǒng)的英文縮寫為SOC（System On Chip），意為“系統(tǒng)級芯片”，它是將一個可靈活應用的系統(tǒng)集成在一個芯片中。例如，美國國家半導體公司（NSC）2000年推出的帶USB接口的單片彩色掃描儀集成

6、電路LM98332003年推出的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADuC824/843美國ADI公司2001年新推出的單片寬頻帶相位差測量系統(tǒng)AD8302，博通（Broadcom）公司2007年推出的數(shù)字電視機頂盒單片系統(tǒng)BCM7118等。2、單片系統(tǒng)目前，單片系統(tǒng)的集成度正在迅速提高，預計將達到109個晶體管/片的水平。這必將給整個IC產(chǎn)業(yè)及IC應用帶來劃時代的進步，使IC從傳統(tǒng)意義上的“集成電路”發(fā)展成為全新概念的“集成系統(tǒng)”。SOC=集成傳感器+CPU+接口+ROM+RAM3、智能儀器儀表專用IC 典型產(chǎn)品美國英特希爾（Intesil）公司的HI7159A型單片5½位A/D轉(zhuǎn)換器中國臺灣地區(qū)承

7、永資訊科技公司最新推出的ES51966、ES51999型4¾位/5¾位智能數(shù)字萬用表集成電路美國泰克（TEK）公司的單片示波器特點：集成度高、功能強、外圍電路簡單，適配微處理器或單片機，有的本身還帶微處理器，為研制具有高性價比的智能儀器及測試系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。4、通信用IC 摩托羅拉公司、愛立信公司生產(chǎn)的彩屏手機專用IC。5、工業(yè)控制和機電一體化專用IC MC14460汽車速度控制處理器、國產(chǎn)5G5511直流電機穩(wěn)速電路、5G88游標卡尺專用電路。6、家電專用飛利浦公司生產(chǎn)的單片彩電信號處理器、國產(chǎn)單片電子琴電路、縫紉機IC、心臟起搏器IC等。（三）電子模塊的開發(fā)1、定義

8、：電子模塊（Electronic Block）亦稱微電子功能組件。它是采用微電子技術(shù)，把集成電路與微型電子元器件（如片狀電阻、超小型電解電容器）組裝成一體，用來完成某一特定功能的商品化部件（二次集成）。2、結(jié)構(gòu)特點：大致分兩種：一種是全密封式，不可拆卸；另一種為敞開式，用戶需自己配外殼。3、5大優(yōu)點：能大大簡化電路設(shè)計，縮短新產(chǎn)品的研制周期；工藝先進，能提高整機合格率與可靠性，一次上機合格率可達100%；能減小體積與重量；便于安裝與維修；采用全密封式模塊還可防止偽造，維護廠家的權(quán)益。4、產(chǎn)品分類：數(shù)顯模塊、數(shù)字儀表模塊、轉(zhuǎn)換器模塊、開關(guān)電源模塊、電磁干擾濾波器模塊。電力部門使用的整流橋模塊、功

9、率模塊、巨型晶體管（GTR）模塊、可關(guān)斷晶閘管（GTO）模塊。目前模塊正向智能化方向發(fā)展。（四）ASIC的推廣1、定義：ASIC是“特定用途集成電路”（Application Specific Integrated Circuit）的英文縮寫，亦稱用戶特制IC。是指IC廠家接受用戶委托，為滿足用戶的特殊需要而專門研制的集成電路。2、供需格局一般IC ： 廠家用戶ASIC：用戶廠家用戶3、特點：ASIC產(chǎn)品是將超大規(guī)模集成電路（VLSI）的制造技術(shù)、電子設(shè)計自動化（EDA）、自動測試技術(shù)（AT）這三者結(jié)合的豐碩成果。目前國內(nèi)外一些芯片廠家已建立起超大規(guī)模集成電路計算機輔助設(shè)計（簡稱VLSI-CA

10、D）中心，作為開發(fā)新產(chǎn)品的重要手段。利用這種系統(tǒng)不僅能完成芯片的邏輯電路設(shè)計、邏輯模擬、版圖設(shè)計（包括布局、布線），還能對成品進行自動測試。現(xiàn)在智能化的VLSI-CAD系統(tǒng)已能將有源器件縮小到深亞微米。通常把0.80.35m稱為亞微米，0.250.05m稱為深亞微米，0.05m以下稱為納米級。目前，集成電路的線寬可達0.130.18m，預計2012年將達到0.060.08m。4、產(chǎn)品分類半定制全定制。半定制產(chǎn)品主要包括門陣列（GAL）、可編程邏輯器件（PLD）、可擦除可編程邏輯器件（EPLD）、復雜可編程邏輯器件（CPLD）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。第一章 數(shù)字化測量概述一、我國集成電路

11、型號命名法圖片1. CMOS數(shù)字電路定義：CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）互補型金屬氧化物半導體。分類：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電路的特點：除保留CMOS電路優(yōu)點外，尚有下述主要特點： 工作頻率高（fmax=50MHz） 工作電源電壓范圍較寬，可在低電壓下工作（VCC=26V） 外部引線與TTL電路相同，可直接代換2. TTL數(shù)字電路。意義：晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic）集成電路。特點：（1）工藝成熟，可靠

12、性好。（2）規(guī)格品種多，便于選購。（3）工作頻率高。（4）電源電壓范圍窄，功耗高。TTL的正電源電壓為UCC，電源地是GND。其電源電壓典型值UCC5V，允許范圍一般為4.755.25V，部分產(chǎn)品為4.55.5V。每門功耗為mW級。分類：低功耗肖特基系列LS-TTL（對應 于國標CT4000）主流產(chǎn)品高速肖特基系列S-TTL（對應于CT3000系列）3. ECL電路意義：發(fā)射極耦合邏輯集成電路（Emitter Coupled Logic IC）。這是一種使晶體管工作在非飽和狀態(tài)的電流開關(guān)電路，亦稱電流型數(shù)字電路。主要特點：速度極快（延遲時間僅1ns左右）；工作頻率很高（幾百兆赫至1.5GHz）

13、輸出能力強、噪聲低，可廣泛用于數(shù)字通信、雷達等領(lǐng)域。缺點是功耗高、噪聲容限低，價格昂貴。其他：ECL的正電源電壓為UCC，負電源電壓是UEE。為提高抗干擾能力，將UCC接地，采用負電源供電。標準ECL電路的UCC0V，UEE5.2V。國產(chǎn)E第三節(jié) 數(shù)字IC的接口電路CL電路有CE100K、CE8000等系列，此外還有超大規(guī)模門陣列ECL電路。分類： 由分立元件構(gòu)成的接口電路 由集成電路構(gòu)成的接口電路功能：主要功能：電平匹配其他功能：阻抗匹配、隔離，提高驅(qū)動能力R1為基極限流電阻，起保護作用。C為加速電容，能改善頻率響應，使信號波形的沿口陡直。R2為基極下拉電阻，無輸入信號時令UBE0，使NPN

14、型晶體管VT可靠地截止。R3是集電極電阻。 原理：當V0=1（高電平時），BG1、BG2均導通，繼電器線圈J上有電流通過，繼電器吸合，接通執(zhí)行機構(gòu)（如報警器、電機等）。關(guān)鍵元器件分析:穩(wěn)流二極管1N4001（產(chǎn)生感應電勢）。繼電器釋放時為反向電動勢e提供泄放回路。線圈的極性與原電源極性相反，企圖維持IJ不變。若不加VD，產(chǎn)生的感應電壓可能會損壞晶體管。達林頓管 VT1，VT2，=12 若只驅(qū)動LED，可只使用其中一只。JRC-12 超小型，小功率繼電器，E=12V 計算公式：E：電源電壓UF：LED的正向壓降 1.52.0VIF：LED的正向工作電流 5 mA10 mAVCES：晶體管飽和壓降

15、 0.10.3V舉例取E=6V ， UF=1.8V， IF =10 mA ， VCES=0.15V，可求得：R=415，則P=IF2R=(10X10-3)2×415=0.04W故可選430，1/8W電阻。五、利用施密特觸發(fā)器作接口工作原理：施密特（Schmitt）觸發(fā)器是一種具有滯后特性的觸發(fā)器，僅當輸入電壓超過閾值電壓時才有恒定幅度的輸出脈沖。其電壓轉(zhuǎn)移特性與磁滯回線相似，因此有滯后特性VT+上閥值電壓VT下閥值電壓VT滯后（回差電壓）主要用途：整形：將緩慢變化的輸入電壓波形陡峭過渡的輸出濾形整形器、消噪電路、電平轉(zhuǎn)換、電壓鑒別、振蕩器、單穩(wěn)電路、開機復零電路。典型產(chǎn)品CD4010

16、6 74LS（HC）14C隔直電容，容量視輸入信號f而定，0.120µFR1、R2偏置電阻，取R1=R2=1M時，可將輸入端靜態(tài)工作點偏置在VDD/2，避免輸出波形不對稱。五、利用施密特觸發(fā)器作接口圖1-3-7 消除傳輸線上的噪聲a）原來的負脈沖信號波形 b）經(jīng)過傳輸線后嚴重失真的波形 c）一級整形后的波形 d）兩級整形后的波形a圖表示原來的負脈沖信號波形；b圖是經(jīng)過傳輸線后嚴重失真的波形，信號已被大量的噪聲所淹沒，變得面目皆非了。c圖是接收端經(jīng)過一級施密特整形后的波形；d圖是經(jīng)兩級整形后的波形，又恢復了原狀。盡管整形會產(chǎn)生延遲時間t，但脈沖寬度不變并且沒有失真，因此能起到消除噪聲的

17、作用。（補充）電阻器型號命名法RT 0.25 100K I B 碳膜電阻器 ；額定功率0.25W ；標稱阻值100K； I級，允許偏差±5% ；噪聲電動勢5µV/V。RJ0.25100K金屬膜標稱值：E24系列（共24個數(shù)值），由 確定 ，n=0，1，2，3231.0、1.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1允許偏差±5%E12系列（共12個數(shù)值），由 確定 ，n=0，1，2，3111.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2

18、.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2允許偏差±10%E6系列（共6個數(shù)值）由 確定 ，n=0，1，2，351.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8允許偏差±20%棕紅橙黃綠藍紫灰白黑金銀無色123456789010-210-1±1%±2%±0.5%±0.2%±0.1%±5%±10%±20%精密等級001 005 01 02 ±0.1% 電容容量pF nF µF F1 nF =1000 pF=0.001µF表示法220：22x100 pF =22 pF223：22x103=22000 pF=22 nF=0.022µF