数字集成电路及其应用实例.ppt

2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 1 第9章数字集成电路及应用 9 1数字集成电路的分类与特性 9 2集成门电路和中规模组合逻辑电路 9 3中规模时序逻辑集成电路 9 4集成555定时器及其应用 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 2 9 1 1数字集成电路的分类 CMOS和TTL集成电路是生产数量最多 应用最广泛 通用性最强的两大主流数字集成电路 9 1数字集成电路的分类与特性 数字集成电路的种类繁多 在实际应用中 广泛使用的是双极型 如TTL HTL DTL ECL 等和单极型 如CMOS PMOS NMOS 等集成电路 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 3 1 TTL数字集成电路 1 74系列 2 74H系列 3 74S系列 4 74LS系列 5 74ALS系列 6 74AS系列 7 74F系列 TTL是晶体管输入 晶体管输出的逻辑电路 它由NPN或PNP型晶体管组成 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 4 2 CMOS数字集成电路 1 标准型4000B 4500B系列 2 74HC系列 3 74AC系列 电压范围宽 3 18V 功耗小 速度较低 品种多 价格低廉 是高速CMOS标准逻辑电路系列 在保持低功耗的前提下 具有与74LS系列同等的工作速度 具有与74AS系列同等的工作速度和CMOS集成电路固有的低功耗及电源电压宽等特点 CMOS数字集成电路是由P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管 按照互补对称形式连接起来的 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 5 1 TTL电路的一般特性 9 1 2数字集成电路的一般特性 1 电源电压范围 2 频率特性 3 TTL电路的电压输出特性 TTL电路的工作电源电压范围很窄 S LS F系列为5 0 5 AS ALS系列为5 0 10 TTL电路的工作频率比4000系列的高 当工作电压为 5V时 输出高电平大于2 4V 输入高电平大于2 0V 输出低电平小于0 4V 输入低电平小于0 8V 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 6 标准TTL电路为16mA LS TTL电路为8mA S TTL电路为20mA ALS TTL电路为8mA AS TTL电路为20mA 标准TTL电路为40 LS TTL电路为20 S TTL电路为50 ALS TTL电路为20 AS TTL电路为50 4 最小输出驱动电流 5 扇出能力 对于同一功能编号的各系列TTL集成电路 它们的引脚排列与逻辑功能完全相同 但是它们在电路的速度和功耗方面存在着明显的差别 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 7 2 CMOS系列集成电路的一般特性 1 电源电压范围 2 功耗 3 输入阻抗 4 抗干扰能力 电源电压范围为3 18V 74HC系列约在2 6伏 当电源电压VDD 5V时 CMOS电路的静态功耗分别是 门电路类为2 5 5 W 缓冲器和触发器类为5 20uW 中规模集成电路类为25 100 W CMOS电路的输入阻抗取决于输入端保护二极管的漏电流 因此输入阻抗极高 可达108 1011 以上 因为它们的电源电压允许范围大 因此它们输出高低电平摆幅也大 抗干扰能力就强 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 8 5 逻辑摆幅 6 扇出能力 7 抗辐射能力 8 CMOS集成电路的制造 输出的逻辑高电平 1 非常接近电源电压VDD 逻辑低电平 0 接近电源VSS 在低频工作时 一个输出端可驱动50个以上CMOS器件 CMOS管是多数载流子受控导电器件 射线辐射对多数载流子浓度影响不大 CMOS集成电路的制造工艺比TTL集成电路的制造工艺简单 占用硅片面积小 适合于制造大规模和超大规模集成电路 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 9 1 不允许在超过极限参数的条件下工作 电路在超过极限参数的条件下工作 就可能工作不正常 且容易引起损坏 9 1 3使用数字集成电路的注意事项 2 电源的电压的极性千万不能接反 3 CMOS电路要求输入信号幅度不能超过VDD VSS 4 对多余输入端的处理 对CMOS电路 多余的输入端不能悬空 对TTL电路 对多余的输入端允许悬空 5 多余的输出端 应该悬空处理 决不允许直接接到VDD或VSS 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 10 6 由于CMOS电路输入阻抗高 容易受静电感应发生击穿 除电路内部设置保护电路外 在使用和存放时应注意静电屏蔽 7 多型号的数字电路它们之间可以直接互换使用 但有些引脚功能 封装形式相同的IC 电参数有一定差别 互换时应注意 8 注意设计工艺 增强抗干扰措施 在设计印刷线路板时 应避免引线过长 要把电源线设计得宽一些 地线要进行大面积接地 这样可减少接地噪声干扰 在CMOS逻辑系统设计中 应尽量减少电容负载 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 11 9 2 1集成逻辑门电路及应用 1 常用逻辑门电路图形符号 9 2集成门电路和中规模组合逻辑电路 1 集成逻辑门电路 1 与非门 2 或非门 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 12 3 与门 4 或门 5 非门 6 与或非门 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 13 7 异或门 2 反相器与缓冲器 74LS04 CD4069管脚排列图 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 14 3 与门和与非门 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 15 2 集成门电路的应用 1 定时灯光提醒器 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 16 2 集成门电路的应用 2 定时声音提醒器 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 17 2 集成门电路的应用 3 双音门铃电路 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 18 9 2 2中规模组合逻辑电路 1 编码器 编码 用文字 符号或者数字表示特定对象的过程 用二进制代码表示不同事物 分类 二进制编码器 2n n 二 十进制编码器 10 4 或 普通编码器 优先编码器 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 19 1 二进制编码器 用n位二进制代码对N 2n个信号进行编码的电路 3位二进制编码器 8线 3线 编码表 输入 输出 I0 I7是一组互相排斥的输入变量 任何时刻只能有一个端输入有效信号 输入 输出 000 001 010 011 100 101 110 111 Y2Y1Y0 I0I1I2I3I4I5I6I7 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 20 函数式 逻辑图 用或门实现 用与非门实现 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 21 二 十进制编码器是将十进制的十个数码0 9编成对应的二进制代码的电路 几种常用编码 二 十进制编码 8421码 余3码 2421码 5211码 余3循环码 右移循环码 循环码 反射码或格雷码 ISO码 ANSCII ASCII 码 2 二 十进制编码器 其他编码 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 22 8421BCD码编码器的真值表 输入 输出 Y3Y2Y1Y0 I0I1I2I3I4I5I6I7I8I9 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 23 优先编码 允许几个信号同时输入 但只对优先级别最高的进行编码 3 优先编码器74LS148 输出使能端YS 74LS148 输入低电平有效 低电平有效 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 24 输入 输出 1 011111111 11111 0 0 0 01 0 011 0 0111 0 01111 0 011111 0 0111111 001111111 优先编码器74LS148功能表 11110 00001 00101 01001 01101 10001 10101 11001 11101 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 25 优先编码器74LS148电路及引脚 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 26 2 集成译码器 译码是编码的逆过程 是将具有特定含义的一组代码 翻译 出它的原意 1 3线 8线译码器74LS138 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 27 74LS138的真值表 0 11111111 1 11111111 1 11111111 100000 01111111 100001 10111111 100010 11011111 100011 11101111 100100 11110111 100101 11111011 100110 11111101 100111 11111110 输入 输出 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 28 半导体显示 LED 液晶显示 LCD 共阳极 每字段是一只发光二极管 2 数码显示器 数码显示器 0000001 1001111 0010010 0000110 1001100 0100100 0100000 低电平驱动 0001111 0000000 0000100 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 29 共阴极 高电平驱动 1111110 0110000 1101101 1111001 0110011 1011011 1011111 1110000 1111111 1111011 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 30 3 七段显示译码器74LS247 是把8421BCD码译成对应于数码管的七个字段信号 驱动数码管 显示出相应的十进制数码 输入信号 A3 A2 A1 A0 输出信号 控制端 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 31 74LS247功能表 输入 输出 显示 0 1 0000000 0 1111111 1000000 1111111 1110000 0000001 1 10001 1001111 0 1 8 全灭 灭零 1 10010 0010010 2 1 10011 0000110 3 1 10100 1001100 4 1 10101 0100100 5 1 10110 0100000 6 1 10111 0001111 7 1 11001 0000000 1 11001 0000100 8 9 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 32 74LS247和共阳极TLRO5O1HRA数码管连接图 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 33 3 数字编译码电路MC145030 MC145030是一种编译码合为一体的单片集成电路 1 各管脚的功能 1脚 9脚 是地址信号输入端 10脚 是编码使能端 上升沿有效 11脚 为编译码状态指示信号输出端 编码时为高电平 译码和空闲时为低电平 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 34 12脚 为译码信号输入端 外部数据信号由该脚输入 13脚 译码复位端 当该脚为高电平时 使15脚强制复位 输出低电平 17脚 为电源负端 通常接地 15脚 为译码信号输出端 16脚 输出编码脉冲 14脚 为电源端 电源范围2 6V 18 19 20脚 外接电阻和电容 组成振荡器 为芯片提供工作时钟 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 35 芯片的工作时钟与外接电阻R1 R2和电容C数值有关 2 MC145030应用电路 电路可组成应答式多路报警系统 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 36 4 数据选择器 在多路数据传送过程中 能够根据需要将其中一路挑选出来作为输出的电路 74LS151的功能 地址输入端A2A1A0 可选择D0 D78个数据 输入使能端 低电平有效 输出端Y W 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 37 74LS151逻辑图和引脚图 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 38 9 3 1集成触发器和锁存器 基本要求 1 有两个稳定的状态 0 1 以表示存储内容 2 能够接收 保存和输出信号 现态和次态 1 现态 触发器接收输入信号之前的状态 2 次态 触发器接收输入信号之后的状态 分类 1 按电路结构和工作特点 基本 同步 主从和边沿 2 按逻辑功能分 RS JK D和T T 3 其他 TTL和CMOS 分立和集成 9 3中规模时序逻辑集成电路 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 39 1 JK触发器 1 JK触发器符号及功能 JK触发器的状态表 JKQn Qn 1 输出 输入 000 0 001 1 010 0 011 111 110 101 100 0 1 1 1 0 JK触发器的特性方程 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 40 2 双JK触发器74LS76 74LS76是有预置和清零功能的双JK触发器 JK触发器的状态表 只有在CP脉冲下降沿到来时 根据J K端的取值决定触发器的状态 如无CP脉冲下降沿到来 无论有无输入数据信号 触发器保持原状态不变 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 41 2 D触发器 1 D触发器符号及功能 D触发器的特性方程 Qn 1 D 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 42 2 八D触发器74LS273 74LS273是上升沿触发的8位数据锁存器 具有复位功能 74LS273的功能表 CPD Qn 1 输出 输入 0 0 1 1 1 1 0 0 10 Qn 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 43 74LS273所组成的8路数显抢答器 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 44 9 3 2集成移位寄存器 1 概念 寄存 把二进制数据或代码暂时存储起来 寄存器 具有寄存功能的电路 2 特点 主要由触发器构成 一般不对存储内容进行处理 并行输入 并行输出 101 0 101 0 0 1 0 1 0 1 0 1 串行输入 串行输出 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 45 3 分类 1 按功能分 基本寄存器 移位寄存器 并入并出 并入并出 并入串出 串入并出 串入串出 2 按开关元件分 TTL寄存器 CMOS寄存器 基本寄存器 移位寄存器 多位D型触发器 锁存器 寄存器阵列 单向移位寄存器 双向移位寄存器 基本寄存器 移位寄存器 多位D型触发器 同TTL 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 46 4 集成双向移位寄存器74LS194 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 47 74194的功能表 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 48 9 3 3集成计数器 功能 对时钟脉冲CP计数 应用 分频 定时 产生节拍脉冲和脉冲序列 进行数字运算等 分类 按数制分 二进制计数器 十进制计数器 N进制 任意进制 计数器 按计数方式分 加法计数器 减法计数器 可逆计数 按时钟控制分 同步计数器异步计数器 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 49 1 集成二进制计数器74LS161 74LS161是4位二进制同步加法计数器 它除了有二进制加法计数功能外 还具有异步清零 同步并行置数 保持等功能 0011 逻辑功能示意图 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 50 74161的状态表 74161 Q3 Q0 0000 同步并行置数 异步清零 Q3 Q0 D3 D0 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 51 74161的状态表 P T 1 二进制同步加法计数 PT 0 保持 若T 0 CO 0 若T 1 74161 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 52 二进制同步加法计数器的状态表 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 53 2 十进制计数器 8421BCD码 十进制同步加法计数器74LS160 状态图 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 54 3 利用集成计数器构成N进制计数器 级联N1和N2进制计数器 容量扩展为N1 N2 1 集成计数器计数长度的扩展 CP 1 CO0 16 16 256 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 55 2 用反馈清零法获得任意进制计数器 当计数到SN时 立即产生清零信号 使返回S0状态 瞬间即逝 思路 步骤 1 写出状态SN的二进制代码 2 求归零逻辑表达式 3 画连线图 例 用74161构成十二进制计数器 状态S12的作用 产生归零信号 异步清零 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 56 4 数字钟 数字钟是由石英晶体振荡器 分频器 计数器 译码器 显示器和校时电路组成 石英晶体振荡器产生的信号经过分频器作为秒脉冲 秒脉冲送入计数器计数 计数结果通过 时 分 秒 译码器显示时间 1 振荡器 由CC4069非门IC1 1 IC1 2 f0 32768Hz的石英晶体振荡器 电阻和电容组成 2 分频器 由两个74LS393IC2 IC3组成 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 57 3 计数器 由六个74LS160IC4 IC5 IC6 IC7 IC8 IC9和相应的门电路组成 4 译码和显示电路 由六个74LS247IC10 IC11 IC12 IC13 IC14 IC15 IC16和六个数码管组成 5 时间校准电路 时间校准电路的作用是当计时器刚接通电源或走时出现误差时 实现对 时 分 秒 的校准 由四2输入与门74LS08 四2输入或门74LS32 四2输入或非门74LS02等组成 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 58 数字钟电路图 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 59 9 3 4十进制加减 译码 锁存驱动电路CD40110及其应用 CD40110能完成十进制的加法 减法 进位 借位等计数功能 并能直接驱动小型七段LED数码管 1 CD40110逻辑功能 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 60 CD40110功能表 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 61 2 数显式脉搏测试仪 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 62 9 3 54位十进制定时 减法计数集成电路TEC9410及应用 TEC9410是四位十进制减法定时 计数专用集成电路 采用大规模CMOS工艺制作 它具有集成度高 抗干扰能力强 功能齐全 性能可靠 外围元件少等优点 1 TEC9410工作原理 该集成电路由振荡及分频 数码预置 四位BCD码减法计数器 七段译码驱动 LED动态扫描等电路组成 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 63 2 TEC9410的引脚功能 9脚 置数 计数控制端 7 6 5 4脚 LED显示扫描信号和预置数选通信号 高电平有效 27 1 2 3脚 拨盘预置数输入信号 15 16脚 外接晶体振荡器 12脚 4位BCD码计数器第2位控制输入端 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 64 17脚 级联借位信号 25脚 级联控制端 10脚 计数脉冲输入端 18 24脚 驱动七段LED显示器的输入信号 13 11 8脚 0 01s 1s 1min时基信号输出端 26脚 输出端 当4位计数器减为零时 ZO 1 同时停止计数 2 TEC9410的引脚功能 续 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 65 3 应用电路 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 66 9 3 6多功能程控彩灯CD71061P及其应用 CD71061P是一种专用的多功能程控彩灯集成电路 采用大规模CMOS工艺制作 它具有集成度高 抗干扰能力强 功能齐全 扩展简便 外围元件少等优点 1 CD71061P的引脚功能 CD71061P由振荡器 扩展开关 时序脉冲发生器 花样控制器 译码器 花样控制器和驱动器组成 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 67 15 1 2 3脚 为花样编程控制端 12 11 10 9 7 6 5 4脚 信号输出端 13脚 为振荡器外接阻容元件端 14脚 为扩展端 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 68 2 CD71061P的应用电路 花样编程 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 69 程控花样变化表 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 70 CD71061P的扩展电路 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 71 9 4集成555定时器及其应用 电阻分压器 电压比较器 基本RS触发器 复位输入端 0 输出缓冲反相器 晶体管 1 电路结构 9 4 1集成555定时器 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 72 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 73 1 如果悬空 u2 u6 0 1 1 0 1 2 集成555定时器的功能 续 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 74 1 VCC 8 6 5 7 2 4 1 如果悬空 u2 u6 1 0 0 1 0 RD SD 2 集成555定时器的功能 续 2020年2月6日星期四 集成电路原理及应用山东理工大学电气与电子工程学院 75 1