模塊九 大規(guī)模集成電路簡介

模塊九大規(guī)模集成電路簡介9.1數/模及模/數轉換簡介9.2存儲器簡介知識與技能要點

數/模和模/數轉換的基本概念和應用；數/模和模/數轉換器的工作原理及特點；常用數/模和模/數轉換器主要技術指標及意義。9.1數/模及模/數轉換簡介9.1數/模及模/數轉換簡介

9.1.1數/模轉換器（DAC）概述及典型DAC功能測試

一般來說，自然界中存在的物理量大都是連續(xù)變化的物理量，如溫度、時間、角度、速度、流量、壓力等。由于數字電子技術的迅速發(fā)展，尤其是計算機在控制、檢測以及其他許多領域中的廣泛應用，用數字電路處理模擬信號的情況非常普遍。這就需要將模擬量轉換為數字量，這種轉換稱為模數轉換，用AD表示；而將數字信號變換為模擬信號稱為數模轉換。帶有模數和數模轉換電路的測控系統(tǒng)可用下圖所示的框圖表示。1．DAC的基本概念及主要參數

（1）DAC的基本概念

能將數字量轉換成模擬量的裝置稱為數/模轉換器，簡稱D/A轉換器，簡寫為DAC。

構成數字代碼的每一位都具有一定的“權重”。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每一位代碼按其“權重”轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數字量成正比的模擬量，這就是構成D/A變換器的基本思想。

DAC電路的作用是將輸入的數字量轉換成與輸入數字量成正比輸出模擬量。在轉換過程中，將輸入的二進制數字信號轉換成模擬信號，以電壓或電流的形式輸出。1．DAC的基本概念及主要參數

（2）DAC的基本組成

DAC通常由參考電壓、譯碼電路和電子開關三個基本部分組成，為了將模擬電流轉換成模擬電壓，通常在輸出端外加運算放大器。

下圖所示為DAC電路的組成框圖。圖中數據鎖存器用來暫時存放輸入的數字信號。n位鎖存器的并行輸出分別控制n個模擬開關的工作狀態(tài)。通過模擬開關，將參考電壓按權關系加到電阻解碼網絡。（3）DAC的主要參數

①分辨率：用來說明D/A轉換器最小輸出電壓(此時輸入的數字代碼只有最低有效位為1，其余各位都是0)與最大輸出電壓(此時輸入的數字代碼所有各位全是1)之比。因此，DAC輸入數字量的位數n越多，電路的分辨能力越高。

②絕對精度(或絕對誤差)和非線性度：絕對精度是指輸入端加對應滿刻度數字量時，DAC輸出的實際值與理論值之差。一般絕對誤差應低于uLSB/2。在滿刻度范圍內，偏離理想轉換特性的最大值稱為非線性誤差。非線性誤差與滿刻度值之比稱非線性度，常用百分比表示。

③建立時間：指輸入變化后，輸出值穩(wěn)定到距最終輸出量±uLSB所需的時間。建立時間反映了DAC電路轉換的速度。

除此之外，在選用DAC器件時，還需要考慮其電源電壓、輸出方式、輸出值范圍及輸入邏輯電平等參數。2．倒T形電阻解碼網絡DAC結構與工作原理

按解碼網絡結構的不同，DAC可分為R-2RT形電阻網絡、R-2R倒T形電阻網絡和權電阻網絡DAC等。按模擬電子開關電路的不同，DAC又可分為CMOS開關型和雙極型開關型。

R-2R倒T形電阻解碼網絡DAC是目前使用最廣泛的一種，電路結構如下圖所示。2．倒T形電阻解碼網絡DAC結構與工作原理

當輸入數字信號的任何一位是“1”時，對應開關便將2R電阻接到運放反相輸入端，而當其為“0”時，則將電阻2R接地。由圖9-1-3可知，按照“虛短”、“虛斷”的近似計算方法，求和放大器反相輸入端的電位為“虛地”，所以無論開關扳到哪一邊，都相當于接到了“地”電位上。在圖示開關狀態(tài)下，從最左側將電阻折算到最右側，先將2R//2R并聯(lián)，電阻值為R；再和R串聯(lián)，電阻值為2R，一直折算到最右側，電阻仍為R，則可寫出電流I的表達式為：

只要VREF選定，電流I為常數。流過每個支路的電流從右向左，分別為

、

、

、…。當輸入的數字信號為“1”時，電流流向運放的反相輸入端，當輸入的數字信號為“0”時，電流流向地，可寫出的表達式為:2．倒T形電阻解碼網絡DAC結構與工作原理

在求和放大器的反饋電阻等于R的條件下，輸出模擬電壓為:

倒T形電阻解碼網絡DAC所用的電阻阻值僅兩種，串聯(lián)臂為R，并聯(lián)臂為2R，便于制造和擴展位數。而且在這種DAC中又采用了高速電子開關，所以轉換速度很高。3．集成D/A轉換器AD7524

AD7524是CMOS單片低功耗8位D/A轉換器。采用倒T形電阻網絡結構。型號中的“AD”表示美國的芯片生產公司模擬器件公司的代號。如圖所示為其典型實用電路。

圖中供電電壓VDD為+5V~+15V。D0~D7為輸入數據，可輸入TTL/CMOS電平。

為片選信號，

為寫入命令，VREF為參考電源，可正、可負。IOUT是模擬電流輸出，一正一負。A為運算放大器，將電流輸出轉換為電壓輸出，輸出電壓的數值可通過接在16腳與輸出端的外接反饋電阻RFB進行調節(jié)。16腳內部已經集成了一個電阻，所以外接的RFB可為零，即將16腳與輸出端短路。

3．集成D/A轉換器AD7524

AD7524的功能見表:

當片選信號與寫入命令為低電平時，AD7524處于寫入狀態(tài)，可將D0～D7的數據寫入寄存器并轉換成模擬電壓輸出。當RFB=0時，輸出電壓與輸入數字量的關系如下:?應用舉例

【例】在倒T形電阻網絡DAC中，若UREF＝10V，輸入10位二進制數字量為（1011010101），試求其輸出模擬電壓為何值？（已知Rf＝R＝10kΩ）

解：

9.1.2模/數轉換器（ADC）概述及典型ADC功能測試

1．模/數轉換的基本概念

在模擬量轉換為數字量的過程中，由于輸入的模擬量在時間上是連續(xù)的，而輸出的數字量是離散的，所以進行轉換時只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬量采樣后再轉換為輸出的數字量。模/數轉換器的作用就是將輸入的模擬電壓數字化，即將輸入的模擬電壓轉換為輸出的數字信號。

2．模/數轉換的過程和結構

A/D轉換過程一般通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，采樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現(xiàn)的。采樣是將時間上、幅值上都連續(xù)變化的模擬信號，通過采樣脈沖的作用，轉換成時間上離散、但幅值上仍連續(xù)的離散模擬信號。因此采樣又稱為波形的離散化過程。CPSADCuiu0采樣保持電路CP＝1時，采樣開關S接通，ui信號被采樣，并送到電容C中暫存。CP＝0時，采樣開關S斷開，前面采樣得到的電壓信號在電容C上保持，直到下一個CP＝1信號到來，再對新的電壓信號進行采樣。采樣定理：

輸入的模擬信號的最高頻率分量為fmax，采樣信號頻率為fs，如果fs>2fmax，則可以無失真地復現(xiàn)輸入信號。(1)采樣保持電路ui采樣電路的輸入信號波形采樣電路的離散輸出波形tu采樣間隔時間采樣保持時間為保證采樣后的離散模擬信號能夠基本上真實地保留原始模擬信號ui的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成分fimax的2倍，這是采樣電路的基本法則，也就是前面我們所說的采樣定理。

量化：數字信號不僅在時間上是離散的，而且數值大小的變化也是不連續(xù)的。即任何一個數字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數量單位的整數倍。因此，在進行A/D轉換時也必須把采樣電壓化為這個最小數量單位的整數倍，這一轉化過程就稱為“量化”。

兩個量化電壓之間的差值稱為量化間隔S，量化電壓的位數越多，量化等級越細，S的數值就越小。顯然，量化編碼電路的作用是先將幅值連續(xù)可變的采樣信號量化成幅值有限的離散信號，再將量化后的信號用對應該量化電平的一組二進制代碼表示。量化過程中所取的最小數量單位稱為量化當量δ。δ是數字量最低位為1時所對應的模擬量，即ULSB。

編碼：將量化后的信號用對應量化電平的一組二進制代碼來表示的過程稱為編碼。(2)量化編碼電路例:將01V的模擬電壓編碼為三位二進制代碼。方法一：取ε＝1/8V，01/8V的電壓以0×ε表示，則模擬電壓0V1/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V7/8V1V二進制編碼000001010011100101110111代碼對應的模擬離散電平0ε→0V

1ε→1/8V2ε→2/8V3ε→3/8V4ε→4/8V5ε→5/8V6ε→6/8V7ε→7/8V可見，量化誤差最大達ε=1/8V。應用舉例

按轉換過程，A/D轉換器可大致分為直接型A/D轉換器和間接型A/D轉換器。直接型A/D轉換器能把輸入的模擬電壓直接轉換為輸出的數字代碼，而不需要經過中間變量。常用的電路有并行比較型和反饋比較型兩種。

并行比較型 直接型

計數型

反饋比較型逐次逼近型A/D轉換器

電壓-時間型（VT）型——雙積分型 間接型

電壓-頻率型（VF）型

間接型A/D轉換器是把待轉換的輸入模擬電壓先轉換為一個中間變量，例如時間T或頻率F，然后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果。A/D轉換器的大致分類如下所示。（3）A/D轉換器的分類

ADC0809由八路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、D/A轉換器、寄存器、控制電路和三態(tài)輸出鎖存器等組成，其邏輯框圖如圖所示。3．逐次逼近型集成A/D轉換器ADC08093．逐次逼近型集成A/D轉換器ADC0809

ADC0809采用雙列直插式封裝，共有28條引腳，現(xiàn)分四組簡述如下：

（1）模擬信號輸入IN0～IN7（8條）：為八路模擬電壓輸入線，加在模擬開關上，工作時允許分時輸入，輪流進行A/D轉換。

（2）地址輸入和控制線（4條）：其中ADDA、ADDB和ADDC為地址輸入線（Address），用于選擇IN0～IN7上哪一路模擬電壓送給比較器進行AD轉換。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，ADDA、ADDB和ADDC三條地址線上地址信號得以鎖存，經譯碼器控制八路模擬開關工作。

（3）數字量輸出及控制線（11條）：START為“啟動脈沖”輸入線，該線的正脈沖由CPU送來，寬度應大于100ns，上升沿將寄存器清零，下降沿啟動ADC工作。EOC為轉換結束輸出線，該線高電平表示A/D轉換已結束，數字量已鎖入“三態(tài)輸出鎖存器”。2-1～2-8為數字量輸出線，2-1為最高位。OE為“輸出允許”端，高電平時可輸出轉換后的數字量。

（4）電源線及其他（5條）：CLOCK為時鐘輸入線，用于為ADC0809提供逐次比較所需的640kHz時鐘脈沖。VCC為+5V電源輸入線，GND為地線。+VREF和-VREF為參考電壓輸入線，用于給D/A轉換器供給標準電壓。+VREF常和VCC相連，-VREF常接地。3．逐次逼近型集成A/D轉換器ADC0809

應用舉例

【例】什么是采樣定理？采樣保持電路的作用是什么？

答：采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成分fimax的2倍。這是采樣電路的基本法則，稱為采樣定理。采樣保持電路的作用就為了保證采樣后的模擬信號ui'(t)能夠基本上真實地保留原始模擬信號ui(t)的信息。知識與技能要點

存儲器的分類及各類存儲器的特點和應用場合；存儲器的主要性能指標對存儲器性能的影響；半導體存儲器的邏輯功能和使用方法；半導體存儲器的電路結構和工作原理；可編程邏輯器件的類型、工作原理。9.2存儲器簡介9.2存儲器簡介9.2.1存儲器的概述

存儲器是計算機硬件系統(tǒng)的重要組成部分，有了存儲器，計算機才具有“記憶”功能，才能把程序及數據的代碼保存起來，才能使計算機系統(tǒng)脫離人的干預，自動完成信息處理的功能。

1．存儲器的分類

存儲器按構成的器件和存儲介質主要可分為：磁心存儲器、半導體存儲器、光電存儲器、磁膜、磁泡和其他磁表面存儲器以及光盤存儲器等。按存取方式分類又可分為隨機存取存儲器、只讀存儲器兩種形式。

隨機存儲器RAM又稱讀寫存儲器，是能夠通過指令隨機地、個別地對其中各個單元進行讀/寫操作的一類存儲器。

只讀存儲器ROM在計算機系統(tǒng)的在線運行過程中，是只能對其進行讀操作，而不能進行寫操作的存儲器。ROM通常用來存放固定不變的程序、漢字字型庫、字符及圖形符號等。

1．存儲器的分類

（1）內存儲器

計算機系統(tǒng)中，CPU可以直接對其進行讀/寫操作的單元，被稱為系統(tǒng)的主存或者內存。內存一般由半導體存儲器構成，通常裝在計算機主板上，存取速度快，但容量有限。按存儲信息的功能器可分為只讀存儲器ROM、可改寫的只讀存儲器EPROM和隨機存儲器RAM。

內存通常是指隨機存儲器RAM，它幫助中央處理器CPU工作，從鍵盤或鼠標之類的來源讀取指令，幫助CPU把資料寫到一樣可讀可寫的輔助內存中，以便日后仍可取用。RAM的大小直接影響計算機的速度，RAM越大，表明機器所能容納的資料越多，CPU讀取的速度越快。

（2）外存儲器指位于系統(tǒng)主機的外部的輔助存儲器，由于CPU對其進行的存/取操作時，必須通過內存才能進行，因此稱作外存，外存是為了彌補內存容量的不足而配置。外存儲器一般用來存放需要永久保存的或是暫時不用的程序和數據信息。外存儲器設備種類很多，微型計算機常用的外存儲器有磁盤存儲器、光盤存儲器和閃速存儲器等。 磁盤存儲器分有軟盤和硬盤，現(xiàn)在軟盤已經用得很少，而硬盤是計算機中使用最廣泛的外存儲器之一。硬盤對信息的讀、寫，其速度遠遠高于軟盤，其容量遠遠大于軟盤，具有存儲容量大、存取速度快等突出特點。一塊硬盤可以被劃分成幾個邏輯盤，并分別用盤符C、D、E、…表示。

1．存儲器的分類

（2）外存儲器

光盤中心有一個定位孔，記錄信息時，使用激光在金屬薄膜層上打出一系列的凹坑和凸起，將它們按螺旋形排列在光盤的表面上，稱為光道。目前廣泛應用的主要是只讀型光盤CD-ROM。其主要優(yōu)點是結構原理簡單、存儲信息容量大，方便大量生產，且價格低廉。

閃速存儲器簡稱閃存，俗稱優(yōu)盤、U盤，能夠達到擦寫百萬次的壽命。閃存輕便小巧，便于攜帶；且由于無機械裝置，結構堅固、抗震性極強。使用閃存不需要驅動器，只需用一個USB接口，就可以十分方便地做到文件共享與交流，即插即用，熱插拔也沒問題。作為新一代的存儲設備，閃存具有很好得發(fā)展前景。

（3）緩沖存儲器：簡稱緩存，位于內存與CPU之間，其存取速度非?？欤鎯θ萘扛?，一般用來暫時解決存取速度與存儲容量之間的矛盾，提高整個系統(tǒng)的運行速度。

1．存儲器的分類2．存儲器的主要技術指標

（1）存儲容量

存儲器中可容納的二進制信息量稱為它的存儲容量。二進制數的最基本單位是“位”，是存儲器存儲信息的最小單位，8位二進制數稱為一個“字節(jié)”，存儲容量的大小通常都是用字節(jié)來表示的。由于存儲器容量一般都很大，因此字節(jié)的常用單位還有KB、MB和GB。其中1KB=1024字節(jié)，1MB=1024KB，1GB=1024MB。存儲器容量越大，存儲的信息量也越大，計算機運行的速度也就越快。內存的最大容量是由系統(tǒng)地址總線決定的，內存的大小反映了實際裝機容量。計算機技術發(fā)展很快，目前內存的實際裝機容量通常達到1GB或2GB。

存儲器內存的最大容量是由系統(tǒng)地址總線決定的，內存的大小反映了實際裝機容量。例如一個計算機，其地址總線為36位，則決定了內存允許的最大容量為236=64GB。

（2）存取速度

計算機內存的存取速度取決于內存的具體結構及工作機制。存取速度通常用存儲器的存取時間或存取周期來描述。所謂存取時間，就是指啟動一次存儲器從操作到完成操作所需要的時間；存取周期是指兩次存儲器訪問所需的最小時間間隔。存取速度是存儲器的一項重要參數。一般情況下，存取速度越快，計算機運行的速度才能越快。

（3）功耗

半導體存儲器屬于大規(guī)模集成電路，集成度高，體積小，因此散熱不容易。在保證速度的前提下，應盡量減小功耗。由于MOS型存儲器的功耗小于相同容量的雙極型存儲器，所以MOS型存儲器的應用比較廣泛。

2．存儲器的主要技術指標

（4）可靠性

存儲器對電磁場、溫度變化等因素造成干擾的抵抗能力稱其可靠性，也叫電磁兼容性。半導體存儲器采用大規(guī)模集成電路工藝制造，內部連線少，體積小，易于采取保護措施。與相同容量的其他類型存儲器相比，半導體存儲器抗干擾能力較強，兼容性較好。

（5）集成度

存儲器芯片的集成度越高，構成相同容量的存儲器芯片數就越少。MOS型存儲器的集成度高于雙極型存儲器，動態(tài)存儲器的集成度高于靜態(tài)存儲器。因此，微型計算機的主存儲器大多采用動態(tài)存儲器。

除上述指標外，還有性能價格比、輸入、輸出電平及成本價格等指標。

2．存儲器的主要技術指標9.2.2隨機存取存儲器RAM概述

計算機的內存儲器由ROM和RAM兩部分組成。其中只能讀不能寫的存儲器，稱為只讀存儲器ROM；既能讀又能寫的存儲器，稱可讀寫存儲器RAM，又稱隨機存取存儲器。

通常ROM中的程序和數據是事先存入的，在工作過程中不能改變，這種事先存入的信息不會因掉電而丟失，因此ROM常用來存放計算機監(jiān)控程序、基本輸入輸出程序等系統(tǒng)程序和數據。RAM中的信息則掉電就會消失，所以主要用來存放應用程序和數據。

對存儲器的讀寫或取出都是隨機的，通常要按順序隨機存取。按順序隨機存取有兩種方式：先進先出和后進先出。1．RAM的結構

（1）存儲矩陣

存儲矩陣是由許多存儲單元組成的陣列。每個存儲單元可存放1位二進制數。存儲器中所存數據通常以字為單位，1個字含有若干個存儲單元，即含有若干位，其位數也稱為字長。存儲器的容量通常以字數和字長的乘積表示，如1024×4存儲器表示有1024個字，每個字4位，共有4096個存儲單元（容量）。

（2）地址譯碼器

地址譯碼器是將外部給出的地址信號進行譯碼，找到對應的存儲單元。通常根據存儲單元所排列的矩陣形式，將地址譯碼器分成行譯碼器和列譯碼器。

（3）輸入/輸出控制

輸入/輸出控制也稱讀/寫控制，是數據讀取和寫入的指令控制。當讀/寫控制信號R/W=1時，執(zhí)行讀出操作，將被選中的存儲單元里的數據送到輸入/輸出（I/O）端上。當R/W=0時，執(zhí)行寫入操作，將I/O端上的數據寫入被選中的存儲單元中。

為片選信號端，當RAM中的片選信號

＝“1”時，RAM被禁止讀寫，處于保持狀態(tài)；當

＝“0”時，RAM可在讀/寫控制輸入R/的作用下作讀出或寫入操作。1．RAM的結構2．集成RAM簡介

（1）集成靜態(tài)存儲器2114

集成靜態(tài)存儲器2114是一個通用的MOS集成靜態(tài)存儲器，它的存儲單元由六管靜態(tài)存儲單元組成，有4096個（1024×4）存儲單元，下圖為其邏輯符號及外引線圖。（1）集成靜態(tài)存儲器2114

2114RAM有10根地址線，可訪問1024(210)個字。它有常見的片選(CS)和讀/寫允許（R/W）控制輸入端。當RAM處于寫模式時，CS為低電平。R/W為低電平，這時I/O1、I/O2、I/O3和I/O4為輸入數據信號；當RAM處于讀模式時，CS為低電平，R/W為高電平，I/O1、I/O2、I/O3和I/O4為輸出數據信號。2114RAM電源電壓為+5V，采用NMOS技術，三態(tài)輸出，時間是50～450ns。

（2）存儲容量的擴展

RAM的容量由地址碼的位數n和字的位數m共同決定。因此常用的容量擴展法有位擴展、字擴展和字位擴展三種形式。

①位數的擴展：當存儲器的實際字長已超過RAM芯片的字長時，需要對RAM進行位擴展。可利用并聯(lián)方式實現(xiàn)：用兩片2114RAM來擴展為8位字長存儲器，就是在大多數微機中所說的1KB存儲器，又稱1024字節(jié)（每個字節(jié)長8位）。將RAM的地址線、讀出線和片選信號線對應地并接在一起，而各個芯片的輸入/輸出(I/O)線作為字的各個位線，如圖3所示。

（2）存儲容量的擴展

②字數的擴展：字數的擴展可以通過外加譯碼器控制芯片的片選輸入端來實現(xiàn)，如用3線8線譯碼器可將8個1K×4的RAM芯片擴展成8K×4的存儲器。

【例】有（1024B×4）RAM集成芯片一個，該RAM有多少個存儲單元？有多少條地址線？含有多少個字？其字長是多少位？訪問該RAM時，每次會選中幾個存儲單元？

答：該RAM集成芯片有4096個存儲單元；地址線為10根；含有1024個字，字長是4位；訪問該RAM時，每次會選中4個存儲單元。9.2.3可編程邏輯器件概述

可編程邏輯器件屬于只讀存儲器ROM，其方框圖與RAM相似。ROM將RAM的讀寫電路改為輸出電路；ROM的存儲單元由一些二極管、MOS管及熔絲構成，結構比較簡單。

1．ROM的結構組成

ROM通常由地址譯碼器、存儲矩陣、讀出電路（輸出緩沖器）和芯片選擇邏輯等組成。

只讀存儲器在工作時只能進行讀出操作，結構原理如圖。

只讀存儲器ROM的特點是存儲單元簡單，集成度高，且掉電時數據不會丟失。2．ROM的分類

按照數據寫入的方式不同，ROM可分為固定ROM、現(xiàn)場可編程ROM、光可擦除可編程ROM（EPROM）、電可擦除可編程ROM（E2PROM）和FLASH存儲器。

固定ROM存放的數據是由生產廠家在生產時寫入的，用戶在使用時無法再改變。

可編程ROM存放的數據是由用戶以一定的方式將數據寫入芯片的。

（1）一次可編程只讀存儲器（PROM）：用戶可根據需要改寫存儲器單元，但只能改寫一次，簡寫為PROM。顯然，這限制了PROM的應用，現(xiàn)在已經幾乎不再使用。2．ROM的分類

（2）可擦除的可編程只讀存儲器（EPROM）：可多次擦除的可編程只讀存儲器EPROM。如紫外線擦除型的可編程只讀存儲器，其上方有一個石英玻璃窗口，當需要改寫時，將它放在紫外線燈光下照射15～20min便可使擦除單元恢復到初始狀態(tài)，又可以寫入新的內容。

（3）電可擦除的可編程只讀存儲器（E2PROM）：電擦除的E2PROM既可以在掉電時不丟失數據，又可以隨時改寫寫入的數據，使用十分方便。某重復擦除和改寫的次數可達1萬次以上解決了EPROM操作手續(xù)多、耗時長，而且編程電壓高，安全性差的問題。2．ROM的分類

（4）閃速存儲器：又稱FLASH存儲