数字化测量课件

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（复习）数字化测量技术二、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的推广复习二、数字集成电路的分类1.CMOS数字电路2.TTL数字电路。3.ECL电路复习二、数字集成电路的分类各种数字IC比较

复习二、数字集成电路的分类各种数字IC比较TTL电路临界值：VOHmin

=

2.4V

VOLmax

=

0.4V

IOH=0.4mAIOL<16mA(一般门电路）VIHmin

=

2.0V

VILmax

=

0.8V

IIh<40uAIIL<1.6mACMOS电路临界值（电源电压为＋5V）VOHmin

=

4.99V

VOLmax

=

0.01V

IOH=0.5~4mAIOL=0.5~4mA(一般门电路）VIHmin

=

3.5V

VILmax

=

1.5V

IIh<10uAIIL<10uA复习

■VOHmin

=

2.4V

VOLmax

=

0.4V

IOH=0.4mAIOL<16mA(一般门电路）■VIHmin

=

2.0V

VILmax

=

0.8V

IIh<40uAIIL<1.6mA■VOHmin

=

4.99V

VOLmax

=

0.01V

IOH=0.5~4mAIOL=0.5~4mA(一般门电路）■VIHmin

=

3.5V

VILmax

=

1.5V

IIh<10uAIIL<10uA二、数字集成电路的分类各种数字IC比较TTL和CMOS的逻辑电平转换CMOS电平能驱动TTL电平TTL电平不能驱动CMOS电平，需加上拉电阻常用逻辑芯片特点74LS系列：

TTL

输入:

TTL

输出:

TTL74HC系列：

CMOS

输入:

CMOS

输出:

CMOS74HCT系列：

CMOS

输入:

TTL

输出:

CMOSCD4000系列：

CMOS

输入:

CMOS

输出:

CMOS复习■

CMOS电平能驱动TTL电平■

TTL电平不能驱动CMOS电平，需加上拉电阻

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：①

由分立元件构成的接口电路②

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，提高驱动能力概念：两部分电路的连接方式。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（1）CMOS驱动TTL时CMOS的VOH（min）=4.9VVOL(max)=0.1VTTL的VIH（min）=2.0V

VIL(max)=0.8V

由此可见，CMOS驱动TTL从电平匹配看是相容的。CMOS的IOH(max)=4mATTL的IIH(max)=40μA

CMOS高电平带负载门的个数（扇出系数）为100CMOSIOL(max)=4mATTL的I

IL(max)=1.6mA

CMOS低电平此时的扇出系数为2.5。★综合两种情况，最坏情况下，CMOS的扇出系数为2。通常，CMOS驱动TTL时，若要加大CMOS的带负载能力，应在CMOS和TTL间加一级晶体管反相器。■由此可见，CMOS驱动TTL从电平匹配看是相容的■CMOS高电平带负载门的个数（扇出系数）为100■CMOS低电平此时的扇出系数为2.5。一、TTL/CMOS单向电平转换接口（2）TTL驱动CMOSTTL的VOL(max)=0.4VVOH(min)=2.4VCMOS的VIL(max)=1.0VVIH(min)=3.5V满足满足为了保证TTL能正常、可靠地驱动CMOS，须如图所示，加上拉电阻Ri。一、TTL/CMOS单向电平转换接口（2）TTL驱动CMOS负载门CMOS的输入电容（10pF）决定Ri最大值考虑TTL的灌电流能力一般要求t≤500ns可得Ri(max)=8.3kΩ取中间值，通常Ri取值为3.3~4.7kΩ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UBE＝0，使NPN型晶体管VT可靠地截止。R3是集电极电阻。图1-3-1TTL/CMOS单向电平转换接口（3）TTL/CMOS单向电平转换接口（分立元件）一、TTL/CMOS单向电平转换接口R1为基极限流电阻，起保护作用。简单计算方法：Ube≈0.7vVOHmin

=

2.4VIc>10mAβ>50则：(VOHmin-Ube)/R1-Ube/R2=Ic/β得：R1=6.2k 应向下取近似5.6k图1-3-1TTL/CMOS单向电平转换接口通常：Ube≈0.7vVOHmin

=

2.4VIc>10mAβ>50一、TTL/CMOS单向电平转换接口C为加速电容。这是充分利用了电容两端电压不能突变的作用,使输入信号开始瞬间就直接施加于管子的BE极,使之加快导通,而在关断时,电容又给管子施加了一个反向电压,因而加快了管子的关断。

见图解容值的大小取决于采用三极管的BE结电容（及杂散）基本相同

图1-3-1TTL/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，自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二、具有三态输出的双向总线电平转换接口T/RT/R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。A0～A7为＋5V子系统A的输入/三态输出端口，B0～B7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A→B，还是从A←B。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，A0～A7、B0～B7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）。

当V0=1IB1=（UO-UBE)/RIB2=β1IB1IC2=β1β2IB设计要求：a：IC2符合负载的正常工作电流b：IB1应VT2饱和导通，使其功耗最小C：IB1应使VT2的IB2小于IB2(max)三、CMOS电路与晶体管的接口关键元器件分析:JRC-12超小型，小功率继电器，E=12V线圈电390Ω。驱动电流≈30mA达林顿管

VT1，VT2，β=β1β2

若只驱动LED，可只使用其中一只。PCMICM3DG6100mW20mA3DG12700mW100mA只驱动LED时可用3DG12,最好不用3DG6,R可取5.1K~10K。三、CMOS电路与晶体管的接口关键元器件分析:续流二极管1N4001（1A/50V,钳位感应电势）

继电器线圈等效为一电感，其电流不能突变，释放时电流无通路，产生为反向电动势e，极性与原电源极性相反，企图维持IJ不变。VD提供泄放回路。若不加，产生的感应电压可能会损坏晶体管。IJ+-e=L·di/dt-+emax=UF-+正常导通无续流断开续流断开三、CMOS电路与晶体管的接口CMOS与晶体管接口驱动LED

相关参数：E：电源电压UF：LED的正向压降

1.5～2.0VIF：LED的正向工作电流

5mA～10mAVCES：晶体管饱和压降

0.1～0.3V图1-3-4CMOS与晶体管接口驱动LED的电路三、CMOS电路与晶体管的接口

CMOS与晶体管接口驱动LED

限流电阻的确定计算公式：举例取E=6V，UF=1.8V，IF=10mA

，VCES=0.15V，可求得：R=415Ω，则P=IF2R=(10X10-3)2×415=0.04W故可选430Ω，1/8W电阻。举例已知：E=6V，UF=1.8V，IF=10mA，VCES=0.15V可求得：R=415Ω，另P=IF2R=(10X10-3)2×415=0.04W故可选430Ω，1/8W电阻。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hFE≈1500倍，ICM≥200mA。工作电压范围3～18V，输入电流在1μA以下。最高时钟频率可达1MHz。

四、利用驱动器阵列作接口MC1413ICM≥200mA。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。应用：驱动继电器风机LED数码管蜂鸣器电平转换。。。。图1-3-5MC1413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+→上阈值电压VT—→下阈值电压△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，0.1～20µFC>=1/(2πfR

),其中R为交流等效输入阻抗。一般取截止频率1/(2πRC

)小于或等于1/5信号频率。R1、R2—偏置电阻，取R1=R2（如1MΩ）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施密特整形电路一般取截止频率1/(2πRC

)小于或等于1/5信号频率。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τ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原负脉冲信号波形经过传输线后严重失真的波形一级整形后的波形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）交流固态继电器六、利用固态继电器作接口典型产品：美国国际整流器公司（IR）生产的16045580（DC-SSR，驱动电流IS＝3～8mA，负载电压UL≥25V，负载电流IL＝1A，导通压降UON＜0.6V）；SP2210（AC-SSR，IS＝10～20mA，UL＝24～250VAC，IL＝2A）。图1-3-9固态继电器的典型应用电路a）DC-SSRb）AC-SSR六、利用固态继电器作接口一种交流固态继电器电路分析ABCDEFT1T2G（补充）电阻器型号命名法RT—0.25—100K——I——B↓①

↓②↓③

↓④

↓⑤①碳膜电阻器；②额定功率0.25W；③标称阻值100KΩ；④I级，允许偏差±5%；⑤噪声电动势≯5µV/V。RJ——0.25——100K……

金属膜……（补充）电阻器型号命名法标称值：E24系列（共24个数值），由

确定，n=0，1，2，3……231.0、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允许偏差±5%E12系列（共12个数值），由

确定，n=0，1，2，3……111.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2允许偏差±10%E6系列（共6个数值）由

确定，n=0，1，2，3……51.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8允许偏差±20%（补充）电阻器型号命名法精密等级0010050102ⅠⅡⅢ±0.1%±0.5%±1%±2%±5%±10%±20%色环表示法可分为三环、四环、五环三种标法。

棕红橙黄绿蓝紫灰白黑金银无色123456789010-210-1±1%±2%±0.5%±0.2%±0.1%±5%±10%±20%（补充）电阻器型号命名法（补充）电阻器型号命名法A.晶片电阻种类:依照其尺寸及额定功率区分其本体上有3位数码为电阻值代号如472为4.7KΩ,2R7为2.7Ω。电阻器种类:晶片电阻,碳素皮膜电阻,金属膜电阻,氧化金属膜电阻,线绕电阻,功率型线绕电阻,水泥电阻,厚膜排列电阻,保险丝型金属膜电阻.英制(mil)公制(mm)额定功率(W)@70°C0201 0603 1/200402 10051/160603 1608 1/100805 2012 1/81206 3216 1/41210 3225 1/31812 4832 1/22010 5025 3/42512 6432 1英制,如0402即长乘宽为0.04in*0.02in公制,如1005即长乘宽为1.0mm*0.5mm（补充）电阻器型号命名法B.碳素皮膜电阻种类:

依照其尺寸及额定功率区分为1/8W,1/4W,1/2W,1W,2W,3W等.其本体上有4条色码为电阻值及误差值代号如黄紫红金为4.7KΩ5%,红紫金红为2.7Ω2%。C.金属膜电阻种类:

依照其尺寸及额定功率区分为1/8W,1/4W,1/2W,1W,2W等.其本体上有5条色码为电阻值及误差值代号如黄紫黑棕金为4.7KΩ5%,红紫黑银红为2.7Ω2%。D.氧化金属膜电阻种类:

依照其尺寸及额定功率区分为1/4W,1/2W,1W,2W,3W,4W,5W,7W,10W等.其本体标示同碳素皮膜电阻。

（补充）电阻器型号命名法E.