数字化测量技术课件

数字化测量技术,河北科技大学 信息科学与工程学院 数字化测量技术省级精品课,绪论,数字化测量技术,一、概述,1 研究领域 数字化测量技术所涉及领域非常广泛，主要包括各种通用及专业数字IC、数字接口电路、数据采集系统、数字式仪器仪表（含智能仪器）和实时的测控系统。,一、课程概述,2 开设本课程的目的 突出实用性、软硬件结合，侧重于硬件。贯穿从芯片电路整机的思想，重点放在电路设计与应用上。帮助同学们进行数字电路或整机电路的实用设计，解决今后在生产和科研中遇到的一些数字化测量课题。缩短大学生工程师的距离，为今后独立设计、完成课题研究、科研产品开发打基础。,一、课程概述,3 课程特点 力求反映：先进性、系统性、实用性。 其前导课程包括：数电、模电、电子测量技术、传感器等。 说明：本课程与微机的关系 广义上讲：它包括微机，而且微机也离不开它。例如：显示器、驱动器、电源等。 狭义上讲：二者各有侧重，是软、硬结合。 在有些情况下，单靠微机难以解决的问题，它却可迎刃而解。,一、课程概述,4 教材 一直使用我校电子系老师自编的教材。 实用数字化测量技术（1991） 新编实用数字化测量技术（1998） 数字化测量技术应用（2004） 数字化测量技术（2008）,二、如何学好这门课,1提倡理论联系实际的好学风 精讲、多看、多练 课外活动小组、科技协会 2、加强实践，培养创新能力 4个实验、1周的课程设计（LED显示，亲自编程）、58授课学时 3、通过多种渠道，从模仿设计，提高综合解决问题的能力。,第一章 数字化测量概述,第一节 集成电路发展的新趋势,数字化测量技术,一、集成电路发展概况,电子技术经历了四个发展阶段： 1906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； 1958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段； 1975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； 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、集成电路发展概况,目前，集成电路正进入一个蓬勃发展的新时代。 突出表现为： 新技术、新工艺、新产品 对IC的认识深化，观念更新,一、集成电路发展概况,集成电路自1958年问世以来，其发展速度惊人。目前，全世界每年生产6000多亿块、数万种集成电路。在发展电子信息产业的过程中，无论是增加产量、扩大应用，还是开发新产品、提高性价比，无不依赖于IC产业的发展。从电子测量仪器、计算机系统到通信设备，从国防尖端到工业及民用领域，都与IC密切相关。据报道，在发达国家中一个家庭的家用电器内所用微控制器数量已超过300个。目前，世界国民生产总值部分的70%以上与IC有关。IC在电子设备中的价值比已从20世纪80年代的7%，发展到现在的30%以上，而在某些军事装备中已超过80%。IC被誉为工业“粮食”和“朝阳”产品，现已成为发展电子信息技术的核心以及衡量综合国力的重要标志。,一、集成电路发展概况,我国于1965年研制成功集成电路。近年来，国家制定了重点发展集成电路的战略方针，我国的IC产业也获得了飞速发展。1990年我国的集成电路产量只有1.1亿块，1995年才增加到3.1亿块，但2007年就达到411.6亿块，比上一年增长22.6。在20032012年期间，我国集成电路总产量及预测详见表1-1-1。近年来，以“龙芯2F”等为代表的64位CPU芯片，以及万亿次高性能计算机“KD-50-I”的研制成功，标志着我国集成电路已进入全面发展的新时期。预料到2012年将达到10%以上，真正成为世界上的IC生产大国。,一、集成电路发展概况,表1-1-1 20032012年我国集成电路总产量及预测,二、集成电路发展的新趋势,（一）CMOS电路的迅速崛起 （二）单片IC和单片系统的广泛应用 （三）电子模块的开发 （四）ASIC的推广,（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。,（一）CMOS电路的迅速崛起,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（UDDUSS）为318V，高速CMOS电路的电源电压范围（UCCGND）是26V。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1W，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。,（一）CMOS电路的迅速崛起,2、CMOS电路十大优点 （3）输入阻抗高 其输入阻抗大于108（100M），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。,（一）CMOS电路的迅速崛起,2、CMOS电路十大优点 （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0.8V。,（一）CMOS电路的迅速崛起,2、CMOS电路十大优点 （6）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”，UOHUDD，UOLUSS，因此电源利用率最高。相比之下，TTL电路的UOH3.4V，UOL0.2V。 （7）工作频率高 4000系列的工作频率为1MHz至几兆赫。74HC系列可达4050MHz，与LS-TTL电路相当。,（一）CMOS电路的迅速崛起,2、CMOS电路十大优点 （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4085，陶封产品为55125。 （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105108元器件/片（折合104107门/片）的属于VLSI。 例如，Intel公司最新推出的Pentium4系列处理器，采用0.13m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。,（一）CMOS电路的迅速崛起,2、CMOS电路十大优点 （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、集成电路发展的新趋势,（一）CMOS电路的迅速崛起 （二）单片IC和单片系统的广泛应用 （三）电子模块的开发 （四）ASIC的推广,（二）单片IC和单片系统的广泛应用,1、集成传感器 目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智能化、网络化、系统化的方向发展 单片智能传感器是将传感器、信号调理器、微处理器和接口电路等集成在一个芯片中， 能实现信息检测、信息处理、信息存储和信息输出的新一代传感器。 单片智能传感器是信息技术前沿的尖端产品，它具有全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等显著优点,（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。,（二）单片IC和单片系统的广泛应用,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LM9833 2003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。,（二）单片IC和单片系统的广泛应用,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+RAM,（二）单片IC和单片系统的广泛应用,3、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5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4位/5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。,（二）单片IC和单片系统的广泛应用,4、通信用IC 摩托罗拉公司、爱立信公司生产的彩屏手机专用IC。 5、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。,二、集成电路发展的新趋势,（一）CMOS电路的迅速崛起 （二）单片IC和单片系统的广泛应用 （三）电子模块的开发 （四）ASIC的推广,（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。,（三）电子模块的开发,3、5大优点： 能大大简化电路设计，缩短新产品的研制周期； 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%； 能减小体积与重量； 便于安装与维修； 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。,（三）电子模块的开发,3、5大优点： 能大大简化电路设计，缩短新产品的研制周期； 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%； 能减小体积与重量； 便于安装与维修； 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。,二、集成电路发展的新趋势,（一）CMOS电路的迅速崛起 （二）单片IC和单片系统的广泛应用 （三）电子模块的开发 （四）ASIC的推广,（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,（四）ASIC的推广,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0.80.35m称为亚微米，0.250.05m称为深亚微米，0.05m以下称为纳米级。目前，集成电路的线宽可达0.130.18m，预计2012年将达到0.060.08m。,（四）ASIC的推广,4、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,第二节 数字集成电路的分类,数字化测量技术,一、我国集成电路型号命名法,举例：CC4069EP 6反相器,二、数字集成电路的分类,1. CMOS数字电路 2. TTL数字电路。 3. ECL电路,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： 工作频率高（fmax=50MHz） 工作电源电压范围较宽，可在低电压下工作（VCC=26V） 外部引线与TTL电路相同，可直接代换,二、数字集成电路的分类,1. CMOS数字电路 2. TTL数字电路。 3. ECL电路,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UCC5V，允许范围一般为4.755.25V，部分产品为4.55.5V。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）,二、数字集成电路的分类,1. CMOS数字电路 2. TTL数字电路。 3. ECL电路,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UCC0V，UEE5.2V。 国产ECL电路有CE100K、CE8000等系列，此外还有超大规模门阵列ECL电路。,第一章 数字化测量概述,第三节 数字IC的接口电路,数字化测量技术,第三节 数字IC的接口电路,分类： 由分立元件构成的接口电路 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,第三节 数字IC的接口电路,一、TTL/CMOS单向电平转换接口 二、具有三态输出的双向总线电平转换接口 三、CMOS电路与晶体管的接口 四、利用驱动器阵列作接口 五、利用施密特触发器作接口 六、利用固态继电器作接口,一、TTL/CMOS单向电平转换接口,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UBE0，使NPN型晶体管VT可靠地截止。 R3是集电极电阻。,图1-3-1 TTL/CMOS单向电平转换接口,第三节 数字IC的接口电路,一、TTL/CMOS单向电平转换接口 二、具有三态输出的双向总线电平转换接口 三、CMOS电路与晶体管的接口 四、利用驱动器阵列作接口 五、利用施密特触发器作接口 六、利用固态继电器作接口,二、具有三态输出的双向总线电平转换接口,74LVX4245是飞兆（Fairchild）公司生产的具有三态输出的8位双向总线电平转换收发器。本身带输出使能控制端的双向总线驱动器，5V、3.3V电平的驱动电流分别可达24mA、12mA。可同时进行两个总线的电平转换，从而实现系统中两个子系统之间的数据传输。,二、具有三态输出的双向总线电平转换接口,74LVX4245的两个电源端UCCA和UCCB分别接A、B的电源。 A0A7为5V子系统A的输入/三态输出端口，B0B7为3.3V子系统B的输入/三态输出端口。 OE#为输出使能端（低电平有效） T/ R#为接收/发送控制端，用来控制总线数据的传输方向是从AB，还是从AB。 当使能端OE# 0（低电平）、发送/接收控制端T/ R#0时，总线数据是从A传输到B；当 OE# 0、T/R# 1（接5V高电平）时，总线数据是从B传输到A。当OE# 1（接5V高电平）时，A0A7、B0B7端口均呈高阻态。,第三节 数字IC的接口电路,一、TTL/CMOS单向电平转换接口 二、具有三态输出的双向总线电平转换接口 三、CMOS电路与晶体管的接口 四、利用驱动器阵列作接口 五、利用施密特触发器作接口 六、利用固态继电器作接口,三、CMOS电路与晶体管的接口,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，=12 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,三、CMOS电路与晶体管的接口,计算公式： E：电源电压 UF：LED的正向压降 1.52.0V IF：LED的正向工作电流 5 mA10 mA VCES：晶体管饱和压降 0.10.3V 举例 取E=6V ， UF=1.8V， IF =10 mA ， VCES=0.15V，可求得：R=415， 则P=IF2R=(10X10-3)2415=0.04W 故可选430，1/8W电阻。,图1-3-4 CMOS与晶体管接口驱动LED的电路,第三节 数字IC的接口电路,一、TTL/CMOS单向电平转换接口 二、具有三态输出的双向总线电平转换接口 三、CMOS电路与晶体管的接口 四、利用驱动器阵列作接口 五、利用施密特触发器作接口 六、利用固态继电器作接口,四、利用驱动器阵列作接口,MC1413（国产型号为5G1413）是七路达林顿驱动器阵列，每一路为集电极开路的反相器（相当于OC门），其电流放大系数hFE1500倍，ICM200mA。但七路同时工作时，每路的电流应小于40mA。每个内部反相器的输出端还接有续流二极管VD。,图1-3-5 MC1413的应用电路,第三节 数字IC的接口电路,一、TTL/CMOS单向电平转换接口 二、具有三态输出的双向总线电平转换接口 三、CMOS电路与晶体管的接口 四、利用驱动器阵列作接口 五、利用施密特触发器作接口 六、利用固态继电器作接口,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）14,五、利用施密特触发器作接口,C隔直电容，容量视输入信号f而定，0.120F R1、R2偏置电阻，取R1=R2=1M时，可将输入端静态工作点偏置在VDD/2，避免输出波形不对称。,图1-3-6 施密特整形电路,五、利用施密特触发器作接口,a图表示原来的负脉冲信号波形； b图是经过传输线后严重失真的波形，信号已被大量的噪声所淹没，变得面目皆非了。 c图是接收端经过一级施密特整形后的波形； d图是经两级整形后的波形，又恢复了原状。尽管整形会产生延迟时间t，但脉冲宽度不变并且没有失真，因此能起到消除噪声的作用。,图1-3-7 消除传输线上的噪声 a）原来的负脉冲信号波形 b）经过传输线后严重失真的波形 c）一级整形后的波形 d）两级整形后的波形,第三节 数字IC的接口电路,一、TTL/CMOS单向电平转换接口 二、具有三态输出的双向总线电平转换接口 三、CMOS电路与晶体管的接口 四、利用驱动器阵列作接口 五、利用施密特触发器作接口 六、利用固态继电器作接口,六、利用固态继电器作接口,六、利用固态继电器作接口,图1-3-8 固态继电器的内部电路 a）直流固态继电器 b）交流固态继