數(shù)字電子技術(shù)項(xiàng)目教程 課件 項(xiàng)目5 數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)與制作

任務(wù)5.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)

任務(wù)5.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)

任務(wù)5.3半導(dǎo)體存儲器

任務(wù)5.4數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

任務(wù)5.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)5.1.1概述數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電量(電流或電壓)的轉(zhuǎn)換電路,也稱D/A轉(zhuǎn)換器,簡稱DAC。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器則是將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,也稱A/D轉(zhuǎn)換器,簡稱ADC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。無論是工業(yè)生產(chǎn)過程控制,還是辦公室文書文檔的管理、企業(yè)管理,乃至通信、生物工程、醫(yī)療、家用電器等各方面,大量的處理都是借助于數(shù)字計(jì)算機(jī)來完成的。計(jì)算機(jī)只能接收和處理數(shù)字信號,也只能輸出數(shù)字信號,而上述工作中要處理的很多都是模擬量。在用計(jì)算機(jī)處理之前,必須把這些模擬量(如工業(yè)過程中的溫度、壓力、流量,或通信系統(tǒng)中的語言、圖像、文字等物理量)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,才能進(jìn)行處理;而計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)字量也必須再還原成相應(yīng)的模擬量,才能實(shí)現(xiàn)對模擬系統(tǒng)的控制。數(shù)字音像信號如果不還原成模擬音像信號就不能被人們的視覺和聽覺系統(tǒng)所接收。因此,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電子技術(shù)中的重要組成部分。D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多,常用的有倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。5.1.2R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)圖51所示為一個(gè)4位的R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖。它主要由電阻網(wǎng)絡(luò)、電子模擬開關(guān)和求和運(yùn)算放大器三部分組成。R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路的核心是求和運(yùn)算放大器,求和運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)電流電壓變換器,將流過各2R支路的電流相加,并轉(zhuǎn)換成與輸入數(shù)字量成正比的模擬電壓輸出。2.工作原理在R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路中,各位電子模擬開關(guān)S在輸入的數(shù)字量D=1時(shí),合向位置1,將相應(yīng)的2R支路連接到求和運(yùn)算放大器的虛地端;在D=0時(shí),合向位置0,將相應(yīng)的2R支路連接到地。因此,各2R支路的上端都等效為接地,所以無論開關(guān)的狀態(tài)如何,各支路的電流大小不變,開關(guān)的狀態(tài)僅僅決定電流是流向求和運(yùn)算放大器的虛地端還是流向地端。由圖51還可以看出,從電路的A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去,各節(jié)點(diǎn)對地的等效電阻均為2R,故基準(zhǔn)電壓VREF輸出的電流恒為I=VREF/R,并且每經(jīng)過一個(gè)2R電阻,電流就被分流一半,因此從輸入數(shù)字信號的高位到低位,流過4個(gè)2R電阻的電流分別為I3=I/2,I2=I3/2=I/4,I1=I2/2=I/8,I0=I1/2=I/16。所以流入求和運(yùn)算放大器反相端的電流為因此反相求和運(yùn)算電路的輸出電壓為可見,輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。

推廣到n位,D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為由式(53)可看出:輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量成正比,從而實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。由于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中各支路的電流恒定不變,直接流入運(yùn)算放大器的反相輸入端,它們之間不存在傳輸時(shí)間差,因而提高了轉(zhuǎn)換速度,所以,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常廣泛。5.1.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器在R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中,各支路電流的值會受到電子開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響,不可避免會產(chǎn)生一些誤差。

如果各支路電流采用恒流源,由于電流源的電流恒定,幾乎與電子開關(guān)導(dǎo)通電阻的大小無關(guān),這樣可以提高轉(zhuǎn)換的精度。1.電路結(jié)構(gòu)圖52所示為4位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。

它由權(quán)電流恒流源、運(yùn)算放大器和電子模擬開關(guān)等組成。

電子模擬開關(guān)的狀態(tài)由外部輸入數(shù)據(jù)D控制,當(dāng)D=1時(shí),開關(guān)S合向1,恒流源連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端;當(dāng)D=0時(shí),恒流源接地。2.工作原理設(shè)電子開關(guān)S0~S3都接1,由圖52可得輸出模擬電壓uO為由式(54)可看出:輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量成正比,從而實(shí)現(xiàn)了D/A轉(zhuǎn)換。5.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1.分辨率分辨率是說明D/A轉(zhuǎn)換器輸出最小電壓的能力。

它是指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所產(chǎn)生的最小輸出電壓ULSB(對應(yīng)的輸入數(shù)字量僅最低位為1)與最大輸出電壓UFSR(對應(yīng)的輸入數(shù)字量各有效位全為1)之比,即其中,n表示輸入數(shù)字量的位數(shù)。

可見,分辨率與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān),位數(shù)n越大,能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小,即分辨最小輸出電壓的能力也就越強(qiáng)。2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬電壓值與理論輸出模擬電壓值之間的最大誤差。

顯然,這個(gè)差值越小,電路的轉(zhuǎn)換精度越高。

但轉(zhuǎn)換精度是一個(gè)綜合指標(biāo),包括零點(diǎn)誤差、增益誤差等,不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān),還與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。

故而要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果,一定要正確選用合適的D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù),同時(shí)還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。一般情況下要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號開始到輸出模擬電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所用的時(shí)間。

它是反映D/A轉(zhuǎn)換器工作速度的指標(biāo)。

轉(zhuǎn)換時(shí)間越小,工作速度就越高。任務(wù)5.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)5.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。A/D轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行轉(zhuǎn)換期間,要求輸入的模擬電壓保持不變,但在A/D轉(zhuǎn)換器中,因?yàn)檩斎氲哪M信號在時(shí)間上是連續(xù)的,而輸出的數(shù)字信號是離散的,所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號進(jìn)行采樣,然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)化為輸出的數(shù)字量,一般來說,A/D轉(zhuǎn)換過程分為采樣

保持和量化與編碼兩步完成。1.采樣

保持采樣是周期性地獲取模擬信號樣值的過程,即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散、幅度上等于采樣時(shí)間內(nèi)模擬信號大小的模擬信號,即將連續(xù)信號轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖。

采樣電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受采樣脈沖控制的電子開關(guān),如圖53(a)所示,其工作波形如圖53(b)所示。

圖中,ui為模擬輸入信號;us為采樣脈沖;uo為采樣后的輸出信號。在采樣脈沖us有效期(高電平tW期間)內(nèi),采樣開關(guān)S閉合接通,使輸出電壓等于輸入電壓,即uo=ui;在采樣脈沖us無效期(低電平Ts-tW期間)內(nèi),采樣開關(guān)S斷開,使輸出電壓等于0,即uo=0。

因此,每經(jīng)過一個(gè)采樣周期,在輸出端便得到輸入信號的一個(gè)采樣值。

當(dāng)us按照一定頻率fS變化時(shí),輸入的模擬信號就被采樣為一系列的樣值脈沖。

當(dāng)然采樣頻率fS越高,在時(shí)間一定的情況下采樣到的樣值脈沖越多,因此輸出脈沖的包絡(luò)線就越接近于輸入的模擬信號。為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號,采樣頻率fS應(yīng)不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率f1max

的兩倍,這就是采樣定理,即A/D轉(zhuǎn)換器把采樣信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號需要一定的時(shí)間,所以在每次采樣結(jié)束后都需要將這個(gè)斷續(xù)的脈沖信號保持一定時(shí)間以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖54(a)所示是一種常見的采樣

保持電路,它由采樣開關(guān)、保持電容和緩沖放大器組成。在圖54(a)中,利用場效應(yīng)管V做采樣開關(guān)。

在采樣脈沖us為高電平的tW期間,開關(guān)V接通,輸入模擬信號ui向電容C充電,由于C很小,充電很快,使電容C上的電壓uC跟隨ui變化,即在tW期間,uC=ui。

在采樣脈沖us為低電平,即Ts-tW期間,開關(guān)V斷開,因電容的漏電很小且運(yùn)算放大器的輸入阻抗又很高,所以電容C上的電壓可保持到下一個(gè)采樣脈沖到來為止。

運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器,具有緩沖作用,以減小負(fù)載對保持電容的影響。

在輸入一連串采樣脈沖后,輸出電壓uo波形如圖54(b)所示。2.量化與編碼輸入的模擬信號經(jīng)采樣

保持電路后,得到的是階梯形模擬信號,它們是連續(xù)模擬信號在給定時(shí)刻上的瞬時(shí)值,但仍然不是數(shù)字信號。

必須進(jìn)一步將階梯形模擬信號的幅度等分成n級,并給每級規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)電平值,然后將階梯電平分別歸并到最鄰近的基準(zhǔn)電平上。

數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫作量化單位Δ。

將采樣

保持電路的輸出電壓歸化為量化單位Δ的整數(shù)倍的過程叫作量化。

用二進(jìn)制代碼來表示各個(gè)量化電平的過程,叫作編碼。

對采樣值進(jìn)行表示時(shí),使用的比特?cái)?shù)越多,表示就越精確。為了方便理解,圖55用4個(gè)電平對模擬波形進(jìn)行量化。

這里需要使用兩個(gè)比特,每個(gè)量化電平在縱軸上表示為一個(gè)2比特的編碼,每個(gè)取樣間隔都在橫軸上標(biāo)明。

使用4個(gè)量化電平(2比特)進(jìn)行量化編碼后的波形如圖55(b)所示。

圖中原始的模擬波形作為參考。

很容易看出,只用兩個(gè)比特表示采樣值時(shí),量化誤差大。圖56顯示了對相同波形使用16個(gè)量化電平(4比特)的情形。

使用16個(gè)量化電平(4比特)進(jìn)行量化編碼后的波形如圖56(b)所示。

很容易看出,與圖55(b)中僅使用4個(gè)量化電平的情況相比,使用16個(gè)量化電平所得到的結(jié)果更接近于原始波形。

這表明量化比特?cái)?shù)越多,精度越高。目前A/D轉(zhuǎn)換器的種類雖然很多,但從轉(zhuǎn)換過程來看,可以歸結(jié)成兩大類:一類是直接A/D轉(zhuǎn)換器,另一類是間接A/D轉(zhuǎn)換器。

在直接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入模擬信號不需要中間變量就直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號輸出,如逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器和并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器等,其特點(diǎn)是工作速度高,轉(zhuǎn)換精度容易保證,調(diào)準(zhǔn)也比較方便。

而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入模擬信號先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量(如時(shí)間、頻率等),再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量,如單次積分型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器等,其特點(diǎn)是工作速度較低,但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高,且抗干擾性能強(qiáng),一般在測試儀表中用得較多。下面以最常用的兩種A/D轉(zhuǎn)換器(并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器)為例,介紹A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。5.2.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器圖57所示為一個(gè)3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。

它由基準(zhǔn)電壓、電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換器組成。

其中電阻分壓器把基準(zhǔn)電壓按量化電平劃分,各個(gè)不同等級的量化電平分別加在相應(yīng)比較器的反相輸入端,作為比較器C1~C7的參考電壓,輸入模擬電壓同時(shí)加到各比較器的同相輸入端,根據(jù)輸入電壓ui的大小,各比較器輸出的狀態(tài)不同,它們經(jīng)寄存器送到代碼轉(zhuǎn)換電路,完成二進(jìn)制編碼,輸出3位二進(jìn)制數(shù),從而實(shí)現(xiàn)了模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。

表51是3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的真值表。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度極快,是各種A/D轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種,但它的電路復(fù)雜,所用比較器和觸發(fā)器數(shù)量多,所以這種A/D轉(zhuǎn)換器成本高、價(jià)格貴,一般場合較少使用,多用于要求轉(zhuǎn)換速度很高的情況。5.2.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種電壓—時(shí)間變換型ADC。

它的轉(zhuǎn)換原理是把輸入電壓先轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔Δt,然后利用計(jì)數(shù)器在Δt時(shí)間內(nèi)對一已知的恒定頻率fc的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

可以看出當(dāng)fc為定值時(shí),計(jì)數(shù)值N與Δt成正比,從而把輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字量。圖58是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖,它由積分器、比較器、時(shí)鐘控制門G、n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和定時(shí)器組成。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在一次轉(zhuǎn)換過程中要進(jìn)行兩次積分。

第一次積分器對模擬輸入電壓+ui進(jìn)行定時(shí)積分,第二次積分器對恒定基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行定值積分,二者具有不同的斜率,故稱為雙斜積分(簡稱為雙積分)型A/D轉(zhuǎn)換器。首先控制信號提供清零脈沖CR,n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和定時(shí)器清零。S2瞬間閉合,積分電容放電。第二次積分稱為比較積分,積分器對基準(zhǔn)電壓-UREF進(jìn)行反向積分,計(jì)數(shù)器從0開始重新計(jì)數(shù)。

由于在采樣結(jié)束時(shí),電容已充有電壓uO1,所以此時(shí)積分器輸出電壓為也就是說,積分器輸出電壓從UO1開始按直線規(guī)律增加,如圖59所示。

當(dāng)積分電壓上升至零時(shí),對應(yīng)的時(shí)刻為t2,比較階段結(jié)束,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

此時(shí)式(58)為若令比較階段的時(shí)間間隔為Δt,即Δt=t2-t1。

由式(57)和式(59)可得由此可見,比較階段的時(shí)間間隔Δt正比于輸入模擬電壓ui,而與積分的時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)。

圖59中虛線表示了不同ui時(shí)的Δt。第二次積分結(jié)束時(shí),計(jì)數(shù)器的數(shù)值為為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有極強(qiáng)的抗50Hz工頻干擾的優(yōu)點(diǎn),但它的轉(zhuǎn)換速度較慢,完成一次A/D轉(zhuǎn)換一般需幾十毫秒以上。

較慢的轉(zhuǎn)換速度對數(shù)字測量儀表來說一般無關(guān)緊要,因?yàn)閮x表的精度是關(guān)鍵,而速度一般不要求很快。

可是在自動化設(shè)備中(如巡回檢測、數(shù)字遙測等),一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器需對多路模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,如果一次A/D轉(zhuǎn)換需幾十到幾百毫秒,則太費(fèi)時(shí),這是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的美中不足之處。5.2.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1.分辨率分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位(LSB)變化一個(gè)數(shù)碼時(shí),對應(yīng)輸入模擬電壓的變化量,它是衡量A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。

分辨率也可用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示,位數(shù)越多,能分辨的最小模擬電壓值就越小,分辨能力也越高。

例如:最大輸出電壓為5V的10位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為而同樣輸出電壓的8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值,通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。

3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間,即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時(shí)間。

轉(zhuǎn)換時(shí)間越短意味著A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度越快。

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器速度最高,為數(shù)十納秒;雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器速度最慢,為數(shù)十毫秒。5.2.5集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。

其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān),可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號,只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。1.主要特性(1)8路8位A/D轉(zhuǎn)換器,即分辨率8位。(2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?3)轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs。(4)單個(gè)+5V電源供電。(5)模擬輸入電壓范圍為0~+5V,不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。(6)工作溫度范圍為-40~+85℃。(7)低功耗,約15mW。2.外部特性(引腳功能)ADC0809芯片有28個(gè)引腳,采用雙列直插式封裝,如圖510所示。

下面說明各引腳功能。VCC:電源端,+5V。GND:接地端。IN0~IN7:8路模擬量輸入端。D0~D7:8位數(shù)字量輸出端。A0、A1、A2:3位地址輸入端,用于選通8路模擬輸入IN0~IN7中的一路。ALE:地址鎖存允許信號,輸入高電平有效。START:A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端,輸入一個(gè)正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(脈沖上升沿使ADC0809復(fù)位,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換)。EOC:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸出一個(gè)高電平(轉(zhuǎn)換期間一直為低電平)。OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號,輸入高電平有效。

當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),此端輸入一個(gè)高電平才能打開輸出三態(tài)門,輸出數(shù)字量。CLOCK:時(shí)鐘脈沖輸入端。

要求時(shí)鐘頻率不高于640kHz。UREF(+)、UREF(-):基準(zhǔn)電壓,一般直接接供電電源。3.ADC0809的工作原理首先,輸入3位地址并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中。

此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位,下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換之后,EOC輸出信號變低,指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。

直到A/D轉(zhuǎn)換完成,EOC變?yōu)楦唠娖?指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束,結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器,這個(gè)信號可用作中斷申請。

當(dāng)OE輸入高電平時(shí),輸出三態(tài)門打開,轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。任務(wù)5.3半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器以其存儲容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長等特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于數(shù)字系統(tǒng)。

根據(jù)用途不同,存儲器分為兩大類。

一類是只讀存儲器ROM,用于存放永久性的、不變的數(shù)據(jù),如常數(shù)、表格、程序等,這種存儲器在斷電后數(shù)據(jù)不會丟失。

像計(jì)算機(jī)中的自檢程序、初始化程序便是固化在ROM中的,在計(jì)算機(jī)接通電源后,首先運(yùn)行它,對計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)進(jìn)行自檢和初始化,自檢通過后,裝入操作系統(tǒng),計(jì)算機(jī)才能正常工作。另一類是隨機(jī)存取存儲器RAM,用于存放一些臨時(shí)性的數(shù)據(jù)或中間結(jié)果,需要經(jīng)常改變存儲內(nèi)容。

這種存儲器斷電后,數(shù)據(jù)將全部丟失。

如計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存,就是這一類存儲器。ROM和RAM同是用于存儲數(shù)據(jù),但性能不同,兩者的結(jié)構(gòu)也完全不同。ROM主要由與陣列、或陣列和輸入、輸出緩沖級等電路構(gòu)成,它是一種大規(guī)模的組合邏輯電路;而RAM是由譯碼器、存儲器和讀/寫控制電路組成的,它屬于大規(guī)模時(shí)序邏輯電路。5.3.1只讀存儲器(ROM)只讀存儲器用于存放固定不變的信息,它在正常工作時(shí),只能按給定地址讀出信息,而不能寫入信息,故稱為只讀存儲器,簡稱ROM。ROM的優(yōu)點(diǎn)是存儲信息可靠,不會丟失,即使斷電,數(shù)據(jù)也不會丟失。1.掩膜只讀存儲器掩膜只讀存儲器,又稱固定ROM,這種ROM在制造時(shí),生產(chǎn)廠家利用掩膜技術(shù)把信息寫入存儲器中,使用時(shí)用戶無法更改。

掩膜只讀存儲器的缺點(diǎn)是信息寫入必須由芯片制造商完成,因此當(dāng)生產(chǎn)批量小時(shí),成本高;不能更新存儲器的內(nèi)容,要更新只能換新的ROM。

掩膜只讀存儲器可分為二極管ROM、雙極型三極管ROM和MOS管ROM三種類型。

下面主要以二極管掩膜只讀存儲器為例介紹ROM的結(jié)構(gòu)和工作原理。2)讀數(shù)讀數(shù)主要是根據(jù)地址碼將指定存儲單元中的數(shù)據(jù)讀出來。

例如,當(dāng)?shù)刂反aA1A0=00時(shí),只有字線W0為高電平,其他字線均為低電平,故只有與字線W0相連接的2個(gè)二極管導(dǎo)通,此時(shí),輸出D3D2D1D0=0101;同理可知,當(dāng)A1A0=01、10、11時(shí),輸出D3D2D1D0依次為0010、1011和1101。

由此可知,所謂存儲信息1,就是指在字線和位線的交叉處接有二極管。

所謂存儲信息0,就是指在字線和位線的交叉處沒有二極管。

所以字線與位線的交叉點(diǎn)稱為存儲單元。

讀取信息時(shí),字線為高電平,與之相連的二極管導(dǎo)通,對應(yīng)的位線輸出高電平1,沒有二極管的位線輸出低電平0。

圖512可用圖513的簡化陣列圖來表示,字線和位線交叉處的圓點(diǎn)“·”代表二極管(或MOS管、雙極型三極管),表示存儲1,沒有圓點(diǎn)的表示存儲0。交叉點(diǎn)的數(shù)目,即存儲器中存儲單元的數(shù)量,稱為存儲容量。

常用存儲單元的數(shù)量表示存儲器的容量,寫成“字?jǐn)?shù)×位數(shù)”=存儲容量,對于圖512來說,其存儲容量為4×4。2.可編程只讀存儲器(PROM)用戶可直接寫入信息的只讀存儲器,稱為可編程只讀存儲器,簡稱PROM,其使用更加靈活方便,通用性更強(qiáng),能較好地滿足電子技術(shù)發(fā)展的需要。

向芯片寫入信息的過程稱為對存儲器芯片編程。PROM是在掩膜只讀存儲器的基礎(chǔ)上發(fā)展來的,其存儲單元的結(jié)構(gòu)仍然是用二極管、晶體管作為受控開關(guān),不同的是在等效開關(guān)電路中串接了一個(gè)熔絲,如圖514所示。

在PROM中,每個(gè)字線和位線的交叉點(diǎn)都接有一個(gè)這樣的熔絲,在沒有編程前,熔絲都是連通的,所有存儲單元都相當(dāng)于存儲了1。

在用戶編程時(shí),只需按自己的要求,借助于一定的編程工具,將不需要連接的開關(guān)元件上串聯(lián)的熔絲燒斷,這樣相當(dāng)于該存儲單元改寫為0。

由于熔絲燒斷后不可恢復(fù),故這種可編程的存儲器只能進(jìn)行一次編程。

存儲器芯片經(jīng)編程后,只能讀出,不能再寫入。3.可擦除可編程只讀存儲器由于PROM只能進(jìn)行一次編程,所以萬一出錯,芯片只有報(bào)廢,這使用戶承擔(dān)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

可擦除可編程只讀存儲器克服了這個(gè)缺點(diǎn),它允許對芯片進(jìn)行反復(fù)改寫,即可以把寫入的信息擦除,再重新寫入信息。

因此這種芯片用于開發(fā)新產(chǎn)品,或?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行修改都是很方便、經(jīng)濟(jì)的,并且降低了用戶的風(fēng)險(xiǎn)。

芯片寫入信息后,在使用時(shí),仍然是只讀出,不再寫入,故仍稱為只讀存儲器。根據(jù)對芯片內(nèi)容擦除方式的不同,可擦除可編程只讀存儲器有以下三種類型。1)紫外線擦除方式(EPROM)EPROM的存儲單元結(jié)構(gòu)是用具有浮柵和控制柵疊在一起的特殊疊柵結(jié)構(gòu)的MOS管替代熔絲開關(guān),這種疊柵MOS管又稱為SIMOS管。

它在專用的編程器下,用幅度較大的編程脈沖作用后,使浮柵中注入電荷,成為永久導(dǎo)通態(tài),相當(dāng)于熔絲接通,存儲信息1。

若將它置于專用的紫外線擦除器中受強(qiáng)紫外線照射后,可消除浮柵中的電荷,成為永久截止態(tài),相當(dāng)于熔絲斷開,從而擦除信息1,而成為存儲了信息0。

這種電寫入、紫外線擦除的只讀存儲器芯片上的石英窗口,就是供紫外線擦除芯片用的。

在向EPROM芯片寫入信息后,一定要用不透光膠紙將石英窗口密封,以免丟失芯片內(nèi)的信息。

芯片寫好后,數(shù)據(jù)可保持10年左右。2)電擦除可編程方式(EEPROM,也寫作E2PROM)E2PROM存儲單元的結(jié)構(gòu)類似于EPROM,只是E2PROM的浮柵上在靠近漏極處增加了一個(gè)隧道二極管,利用它由編程脈沖控制向浮柵注入電荷或消除電荷,使它成為導(dǎo)通態(tài)或截止態(tài),從而實(shí)現(xiàn)電寫入信息和電擦除信息。E2PROM可以對存儲單元逐個(gè)擦除改寫,因此它的擦除與改寫可以邊擦除邊寫入一次完成,速度比EPROM快得多,可重復(fù)改寫的次數(shù)也比EPROM多,E2PROM芯片寫入數(shù)據(jù)后,可保持10年以上時(shí)間。3)快閃存儲器(FlashMemory)快閃存儲器是一種近年來發(fā)展起來的電可擦除可編程只讀存儲器,它的存儲單元結(jié)構(gòu)類似于E2PROM,只是它是在浮柵靠源極處有一個(gè)隧道二極管,并且工藝更先進(jìn),使它具有更低的編程電壓和更快的讀寫速度。

編程時(shí)向浮柵注入電子相當(dāng)于寫入1,消除浮柵中的電子相當(dāng)于寫入0。

快閃存儲器芯片內(nèi)部設(shè)置有升壓電路,無須專用編程器就可以進(jìn)行擦寫操作,且具有速度快、壽命長(可以重復(fù)改寫的次數(shù)達(dá)10萬次以上)等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用于需要隨時(shí)讀寫數(shù)據(jù)的移動設(shè)備中作存儲器。4.PROM的應(yīng)用可編程存儲器除了用于存儲數(shù)據(jù),還可以用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯設(shè)計(jì)。通常PROM的地址譯碼器是一個(gè)全譯碼器,并且是不可編程的與陣列,又稱為固定與陣列,它可以產(chǎn)生對應(yīng)于地址碼的全部最小項(xiàng)。

而存儲矩陣為可

編

程

的

或

陣

列,因

此PROM可方便地實(shí)現(xiàn)與

或邏輯功能。

而所有的組合邏輯函數(shù)都可變換為標(biāo)準(zhǔn)與

或式,所以都可以用PROM來實(shí)現(xiàn),只要PROM有足夠的地址線和數(shù)據(jù)輸出線就行了。

實(shí)現(xiàn)的方法就是把邏輯變量從地址線輸入,把邏輯函數(shù)值寫入相應(yīng)的存儲單元中,而數(shù)據(jù)輸出端就是函數(shù)輸出端。5.3.2隨機(jī)存取存儲器(RAM)隨機(jī)存取存儲器也稱隨機(jī)讀/寫存儲器,可以在任意時(shí)刻對任意選中的存儲單元進(jìn)行信息的存入(寫)或取出(讀)操作。

它可用于存放二進(jìn)制信息,如數(shù)據(jù)、程序指令和運(yùn)算的中間結(jié)果。1.RAM的基本結(jié)構(gòu)RAM的結(jié)構(gòu)示意圖如圖516所示,它由行地址譯碼器、存儲矩陣和讀/寫控制電路三個(gè)部分組成。

從圖中可以看出,RAM電路中有地址線、控制線和數(shù)據(jù)線三類信號線。存儲矩陣由許多個(gè)存儲單元排列成n行、m列的矩陣組成,共有n×m個(gè)存儲單元,每個(gè)存儲單元可以存儲1位二進(jìn)制數(shù)(1或0),存儲器中存儲單元的數(shù)量又稱為存儲容量。

圖517給出了RAM的存儲單元與輸入/輸出的原理結(jié)構(gòu)圖,地址譯碼器分為行地址譯碼器和列地址譯碼器。

在給定地址碼后,行地址譯碼器輸出線(稱為行選線,用X表示,又稱字線)中有一條為有效電平,它選中一行存儲單元,同時(shí)列地址譯碼器的輸出線(稱為列選線,用Y表示,又稱位線)中也有一條為有效電平,它選中一列(或幾列)存儲單元,這兩條輸出線(行與列)交叉點(diǎn)處的存儲單元便被選中(可以是1位,或幾位),這些被選中的存儲單元由讀/寫控制電路控制,與輸入/輸出端接通,實(shí)現(xiàn)對這些單元的讀或?qū)懖僮鳌?.RAM的存儲單元1)靜態(tài)存儲單元靜態(tài)存儲單元由CMOS觸發(fā)器和門控管組成,它的工作狀態(tài)受行、列譯碼輸出的行選擇線和列選擇線控制。

當(dāng)靜態(tài)存儲單元被選通時(shí),其中的門控管導(dǎo)通,這時(shí)可通過讀/寫控制電路對選通的靜態(tài)存儲單元進(jìn)行讀/寫操作。

對于沒有被選通的靜態(tài)存儲單元,由于門控管截止,靜態(tài)存儲單元被封鎖,不能進(jìn)行讀/寫操作。靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)的優(yōu)點(diǎn)是在不斷電情況下,可長期保存二進(jìn)制信息,讀/寫控制電路簡單,存取速度快;缺點(diǎn)是存儲容量小,靜態(tài)功耗大,適用于小容量存儲器。2)動態(tài)存儲單元動態(tài)存儲單元是利用MOS管柵極電容的存儲效應(yīng)組成的,由于柵極電容的容量很小,且存在漏電,因此柵極電容上存儲的信息不可能長期保存。

為防止信息丟失,必須定時(shí)給柵極電容補(bǔ)充電荷,這種補(bǔ)充電荷的過程稱為刷新。動態(tài)存儲單元的工作受行選擇線和列選擇線控制。

當(dāng)動態(tài)存儲單元被選通時(shí),門控管導(dǎo)通,這時(shí)可對動態(tài)存儲單元進(jìn)行寫操作和讀操作,并對該存儲單元進(jìn)行一次刷新。

對于沒有被選通的動態(tài)存儲單元,由于門控管截止,因此不能進(jìn)行讀/寫操作。動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)的優(yōu)點(diǎn)是存儲單元電路簡單、集成度高、功耗低,在大容量存儲器中采用較多;缺點(diǎn)是外圍電路較復(fù)雜。3.RAM的擴(kuò)展一片RAM的存儲容量是一定的。

在數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)中,單個(gè)芯片往往不能滿足存儲容量的需求,我們可以將若干個(gè)存儲器芯片組合起來,擴(kuò)展成大容量的存儲器,從而滿足使用要求。RAM的擴(kuò)展有位擴(kuò)展和字?jǐn)U展兩種,也可以同時(shí)擴(kuò)展位、字以滿足對容量的需求。2)RAM的字?jǐn)U展若一片RAM的位數(shù)已夠用,而字?jǐn)?shù)不夠用,則采用字?jǐn)U展的方法來擴(kuò)展存儲器的字?jǐn)?shù)。

字?jǐn)U展通常用外加譯碼器控制芯片的片選輸入信號CS來實(shí)現(xiàn)。若字?jǐn)?shù)和位

數(shù)

都

不

夠

用,則

可

對

字

數(shù)

和

位

數(shù)

同

時(shí)

進(jìn)

行

擴(kuò)

展,便

組

成

了

大

容

量

的

存儲器。任務(wù)5.4數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)5.4.1數(shù)字電壓表的構(gòu)成數(shù)字電壓表是將被測模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字顯示的一個(gè)簡單的電路系統(tǒng)。

該系統(tǒng)選用了MC14433———3位半A/D轉(zhuǎn)換器、MC1413七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列、CD4511七段鎖存/譯碼/驅(qū)動器、MC1403能隙基準(zhǔn)電源和共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管。

其中各部分的功能如下:(1)3位半A/D轉(zhuǎn)換器(MC14433):將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。(2)驅(qū)動器(MC1413):驅(qū)動顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個(gè)發(fā)光段,驅(qū)動發(fā)光數(shù)碼管(LED)進(jìn)行顯示。(3)譯碼器(CD4511):將二

十進(jìn)制(BCD)碼轉(zhuǎn)換成七段信號。(4)基準(zhǔn)電源(MC1403):提供精密電壓,供A/D轉(zhuǎn)換器作參考電壓。(5)顯示器(共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管):將譯碼器輸出的七段信號進(jìn)行數(shù)字顯示,讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。3位半數(shù)字電壓表中的3位半是指十進(jìn)制數(shù)0000~1999。

其中,3位是指個(gè)位、十位、百位,其數(shù)字范圍均為0~9;半位是指千位數(shù),它不能從0變化到9,而只能由0變到1,即二值狀態(tài),所以稱為半位。

數(shù)字電壓表原理框圖如圖519所示。5.4.2主要元器件介紹1)3位半A/D轉(zhuǎn)換器MC14433在數(shù)字儀表中,MC14433電路是一個(gè)低功耗3位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。

和其他典型的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器類似,MC14433A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制電路組成。

使用MC14433時(shí)只要外接兩個(gè)電阻(分別是片內(nèi)RC振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個(gè)電容(分別是積分電容CI和自動調(diào)零補(bǔ)償電容C0)就能執(zhí)行3位半的A/D轉(zhuǎn)換。MC14433采用24引線雙列直插式封裝,外引線排列,可參考如圖520所示的引腳標(biāo)注。圖520中各主要引腳功能說明如下:(1)1腳:GNDA,模擬地,是高阻輸入端,作為輸入被測電壓VX和基準(zhǔn)電壓VREF的參考點(diǎn)。(2)2腳:VREF,外接基準(zhǔn)電壓輸入端。(3)3腳:VI,被測電壓輸入端。(4)4腳:R1,外接積分電阻端。(5)5腳:R1/C1,外接積分元件電阻和電容的公共接點(diǎn)。(6)6腳,C1,外接積分電容端,積分波形由該端輸出。(7)7和8腳:C01和C02,外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。

推薦外接失調(diào)補(bǔ)償電容取0.1μF。(8)9腳:DU,實(shí)時(shí)輸出控制端,主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出。

若在雙積分放電周期即階段5開始前,在DU端輸入一正脈沖,則該周期轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器并經(jīng)多路開關(guān)輸出,否則輸出端繼續(xù)輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

若該端通過一電阻和EOC短接,則每次轉(zhuǎn)換的結(jié)果都將被輸出。(9)10腳:CPI(CLKI),時(shí)鐘信號輸入端。(10)11腳:CPO(CLKO),時(shí)鐘信號輸出端。(11)12腳:VEE,負(fù)電源端,模擬電路部分的負(fù)電源,一般取-5V。(12)13腳:GNDD,數(shù)字地端。(13)14腳:EOC,轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端,每一A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束,EOC端輸出一正脈沖,其脈沖寬度為時(shí)鐘信號周期的1/2。(14)15腳:OR,過量程標(biāo)志輸出端,輸出低電平,正常量程OR為高電平。(15)16~19腳:對應(yīng)為DS4~DS1,分別是多路調(diào)制選通脈沖信號個(gè)位、十位、百位和千位輸出端,當(dāng)DS端輸出高電平時(shí),表示此刻Q0~Q3輸出的BCD代碼是該對應(yīng)位上的數(shù)據(jù)。(16)20~23腳:對應(yīng)為Q0~Q3,分別是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)輸出BCD代碼的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位輸出端。(17)24腳:VDD,整個(gè)電路的正電源端。2)七段鎖存/譯碼/驅(qū)動器CD4511CD4511是用于將二

十進(jìn)制代碼(BCD)轉(zhuǎn)換成七段顯示信號的專用標(biāo)準(zhǔn)譯碼器,它由4位鎖存器、7段譯碼電路和驅(qū)動器三部分組成。

其引腳介紹及功能表見項(xiàng)目6。3)七路達(dá)林頓驅(qū)動器陣列MC1413MC1413采用NPN達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu),因此具有很高的電流增益和輸入阻抗,可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號,并把電壓信號轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號驅(qū)動各種負(fù)載。

該電路內(nèi)含有7個(gè)集電極開路反相器。MC1413電路結(jié)構(gòu)引腳圖如圖521所示,它采用16引腳的雙列直插式封裝,每一驅(qū)動器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量的續(xù)流二極管。4)高精度低漂移能隙基準(zhǔn)電源MC1403MC1403采用8條引線雙列直插標(biāo)準(zhǔn)封裝,如圖522所示。MC1403的輸出電壓的溫度系數(shù)為零,即輸出電壓與溫度無關(guān)。

該電路的特點(diǎn)是:①

溫度系數(shù)小;②

噪聲小;③

輸入電壓范圍大,穩(wěn)定性能好,當(dāng)輸入電壓從+4.5V變化到+15V時(shí),輸

出

電

壓

值

變

化

量

小

于3mV;④

輸

出

電

壓

值

準(zhǔn)

確

度

較

高,在2.475~2.525V以內(nèi);⑤

壓差小,適用于低壓電源;⑥

負(fù)載能力小,該電源最大輸出電流為10mA。5.4.3電路工作過程基準(zhǔn)電源MC1403的輸出接A/D轉(zhuǎn)換器MC14433的VREF輸入端,為MC14433提供精準(zhǔn)的參考電壓。

被測輸入電壓Vx經(jīng)MC14433進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號采用多路調(diào)制方式輸出BCD碼,經(jīng)譯碼后送給4個(gè)LED七段數(shù)碼管。4個(gè)數(shù)碼管a~g段分別并聯(lián)在一起,達(dá)林頓驅(qū)動器陣列MC1413的4個(gè)輸出端Q1~Q4分別接4個(gè)數(shù)碼管的陰極,為數(shù)碼管提供導(dǎo)電通路。MC1413接收A/D轉(zhuǎn)換器MC14433輸出的位選