数字化测量概述11~2

数字化测量概述11~2第一页，共63页。姓名：于国庆电话件邮箱：

密码kd1234Qq：420983614

第二页，共63页。绪论数字化测量技术第三页，共63页。一、概述 1研究领域数字化测量技术是21世纪起发展起来的高新科学技术学科。基本内容是将连续变化的被测模拟量转换成离散的数字量，再经过数据采集、计数、编码、数据传输与存储，最后完成数据处理、图像处理、显示及打印工作。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。第四页，共63页。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。第五页，共63页。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①

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。②

狭义上讲：二者各有侧重，是软、硬结合。③

在有些情况下，单靠微机难以解决的问题，它却可迎刃而解。第六页，共63页。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）→《数字化测量技术第2版》（2013）第七页，共63页。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3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。4、应用工具：Multisim

Protel

QuartusKeilMatlab第八页，共63页。二、如何学好这门课4、注意标准化、规范化

培养谨慎的学习态度改错：利用7805型三端集成稳压电路设计的5V稳压电源电路

第九页，共63页。二、如何学好这门课5、重点章节对本书的重点章节１、２、５、６、１０、１１、１２第十页，共63页。

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第十一页，共63页。一、集成电路发展概况①1906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；②1958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段；③1975年以后超大规模集成电路（VLSI）问世，将电子技术引向IC系统设计与相关软件设计阶段；④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。电子技术经历了四个发展阶段：电子管→晶体管→IC（VLSI）→微电子（基础）＋计算机、通信（媒体）。模拟时代逻辑数字EDA时代多媒体时代第十二页，共63页。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：①

新技术、新工艺、新产品②

对IC的认识深化，观念更新第十三页，共63页。一、集成电路发展概况集成电路自1958年问世以来，发展速度惊人。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。发达国家中一个家庭家用电器内所用微控制器数量已超过300个。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。第十四页，共63页。一、集成电路发展概况我国于1965年研制成功集成电路。90年我国集成电路产量只有1.1亿块，95年才增加到3.1亿块，但07年达到411.6亿块，比上一年增长22.6％。01年7月，我国第一枚实用化CPU芯片--方舟1号诞生，结束了中国没有CPU相关核心技术的历史。02年12月方舟2号32位嵌入式微处理器在北京问世。主频由166MHZ提升到400MHZ，功耗下降近四分之三，有很强的竞争力，并且具备工业化批量生产的能力。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，标志着国集成电路已进入全面发展新时期。龙芯四核龙芯2010年以问世。

如今高端通用64位cpu除美日外只有我国能设计并拥有自主知识产权，现我国真正成为世界上的IC生产大国（中低）。第十五页，共63页。一、集成电路发展概况年

份2003年2005年2007年2010年2012年我国IC总产量/亿块148.31266411.6652.5

830

国产IC占全球产量的份额/%1.54.568＞10表1-1-12003～2012年我国集成电路总产量及预测第十六页，共63页。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的推广第十七页，共63页。（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、MC14500CC4000ACC4000B高速系列74HC54HC注：在电子线路设计EDA软件中（如protel）有其原理图库与精装图库。第十八页，共63页。（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电路电源电压范围(UDD～USS)为＋3～18V，高速CMOS电路的电源电压范围(UCC～GND）是＋2～6V。在此范围内取任意电压值，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。每个门功耗低至1μW，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。第十九页，共63页。（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108Ω（100MΩ），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。第二十页，共63页。（一）CMOS电路的迅速崛起2、CMOS电路十大优点（5）抗干扰能力强

电压噪声容限：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。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。第二十一页，共63页。（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”，UOH≈UDD，UOL≈USS，因此电源利用率最高。相比之下，TTL电路的UOH＝＋3.4V，UOL＝＋0.2V。（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40～50MHz，与LS-TTL电路相当。第二十二页，共63页。（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－40～85℃，陶封产品为－55～125℃。（9）集成度高

CMOS电路功耗低，发热量小，单片集成度可以做得很高。集成度在105～108元器件/片（折合104～107门/片）的属于VLSI。例如，Intel公司的Pentium4系列处理器，采用0.13μm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。第二十三页，共63页。（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。第二十四页，共63页。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的推广第二十五页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用集成电路发展方向

A：单片集成电路B:单片系统

。单片集成电路是独立实现单元电路功能，不需外接元器件的集成电路。要实现单片集成，需要解决一些不易微小型化的电阻、电容元件和功率器件的集成，以及各元件在电路性能上互相隔离的问题。单片集成电路除向更高集成度发展外，也正向着线性、大功率、高频电路和模拟电路方向发展。第二十六页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用集成电路发展方向

A：单片集成电路B：单片系统

。单片系统缩写为SOC（SystemOnChip），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。

第二十七页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用A：单片集成电路

1：集成传感器

2：智能仪器仪表专用IC

3：通信用IC

4：工业控制和机电一体化专用IC

5：家电专用IC

第二十八页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用1、集成传感器概念：主要指利用集成电路工艺和微机械技术将传感器敏感元件与功能强大的电子线路集成在同一芯片上(或二次集成在同一外壳内)。功能：通常具有信号提取、信号处理、逻辑判断、双向通讯、决策、量程切换、自检、自校准、自补偿、自诊断、计算等功能。特点：和经典的传感器相比,集成智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。发展方向：

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第二十九页，共63页。（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。Nordic推出单片无线传感器网络ICnRF24AP2-1CH-8CH广泛地适用于简单无线传感的应用。尤其在小型电池无线传感的应用。工作频率2.4-GHz，杰出的抗干扰能力，第三十页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用2、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5½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4¾位/5¾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。第三十一页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用3、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。4、工业控制和机电一体化专用ICMC14460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。5、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。第三十二页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用集成电路发展方向

A、单片集成电路

B、单片系统

。

第三十三页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用B、单片系统单片系统的英文缩写为SOC（SystemOnChip），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LM98332003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。第三十四页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用B、单片系统电子工程的两大发展方向

单一元件开发多元件（如多IC组合成系统）「整合」在此发展方向的引导下，形成现今电子产业两大主流：*SOC(systemonchip),又被称为系统级芯片，他是将一个可灵活应用的系统集成在一个芯片中。它要在10mm2数量级的芯片上集成一个系统或子系统，其集成度将高达108～109元件/片，这将给IC产业及IC应用带来划时代的进步。*SiP系统化封装(SysteminaPackage)。是由封装的立场发展，将不同功能的晶片整合于一电子构装中。SiP封装并无一定型态，就晶片的排列方式而言，SiP可为多晶片模组(Multi-chipModule；MCM)的平面式2D封装，也可再利用3D封装的结构。SoC与SiP是极为相似的；均希望将一个包含逻辑元件、记忆体元件，甚至包含被动元件的「系统」，整合在一个单位中。第三十五页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用单片系统的特点１）规模大、结构复杂。

数百万门乃至上亿个元器件设计规模，采用被称为知识产权(IP)的更大的部件或模块，多种兼容工艺技术，将差别很大的不同种器件在同一个芯片上集成。如模拟器件和专用存贮器，在某些应用中，可能还会扩大一些，包括射频器件甚至MEMS等。通常系统级芯片起码应在单片上包括数字系统和模拟电子器件。

第三十六页，共63页。（二）单片IC和单片系统的广泛应用单片系统的特点２）、速度高、时序关系严密。

高达数百兆的系统时钟频率以及各模块内和模块间错综复杂的时序关系，对时序验证、低功耗以及信号完整性和电磁干扰、信号串扰等高频效应。

３）、内嵌一颗或多颗微处理器，并内固有软件。例如：美国NSC公司2002年新推出的LM9832型带USB接口的单片彩色扫描仪电路，提供高性能彩色扫描仪的所有功能，并以最简单的方式构成系统。第三十七页，共63页。（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1011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第三十八页，共63页。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的推广第三十九页，共63页。（三）电子模块的开发目前的集成工艺无法将大容量电容、电感、整流桥、电位器、大功率器件集成到芯片内部。为设计达到某些功能时还要PCB连接器件，不便于生产开发，存在大量的重复。

最初由美国英特西尔(Intersil)公司于70年代推出。日本、荷兰、瑞士等国以及香港地区从80年代开始生产。国内则是80年代中期才形成生产能力，并建立专业生产厂家。目前正向智能化方向发展。如采用微型计算机技术的可编程控制器(PLC)，代表工业控制技术的发展方向，也是实现机电一体化的重要手段。随表面安装器件(SMD)与表面安装技术(SMT)的发展，电子模块体积还将进一步减小，而性能指标则显著提高。复费率射频卡水表电子模块

电源电子模块

电力电子模块

第四十页，共63页。（三）电子模块的开发1、定义：电子模块（ElectronicBlock）亦称微电子功能组件。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，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。液晶显示模块正在灌注的电子模块无线收发模块第四十一页，共63页。（三）电子模块的开发3、5大优点：①能大大简化电路设计，缩短新产品的研制周期；②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%；③能减小体积与重量；④便于安装与维修；⑤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。第四十二页，共63页。（三）电子模块的开发例生产一UPS系统

第四十三页，共63页。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的推广第四十四页，共63页。（四）ASIC的推广1、定义：ASIC是“特定用途集成电路”（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）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→用户第四十五页，共63页。（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0.8～0.35μm称为亚微米，0.25～0.05μm称为深亚微米，0.05μm以下称为纳米级。目前，集成电路的线宽可达22nm

，预计2016年将达到19nm

。第四十六页，共63页。（四）ASIC的推广4、产品分类半定制全定制。第四十七页，共63页。（四）ASIC的推广4、产品分类半定制半定制产品是在提供一定可用资源（标准单元、宏单元、逻辑阵列）的范围内组合设计自己的设计功能，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）。开发成本低可重复利用应用灵活批量成本高安全性差性价比低第四十八页，共63页。（四）ASIC的推广4、产品分类全定制。

是根据用户需要将所用到资源集成并编制所需的功能和布局。我国研制成功的弹道跟踪系统专用IC即全定制产品。开发成本高不可重复专用批量成本低安全性好性价比高第四十九页，共63页。

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第五十页，共63页。一、我国集成电路型号命名法第0部分第一部分第二部分第三部分第四部分用字母表示器件符合国家标准用字母表示器件的类型器件的系列和品种代号用字母表示器件的工作温度范围用字母表示器件的封装符号意

义符号意

义符号意

义符号意

义C符合国家标准TTTL电路用阿拉伯数字和字符表示C0～70℃F多层陶瓷扁平HHTL电路G－25～70℃B塑料扁平EECL电路L－25～85℃H黑瓷扁平CCMOS电路E－40～85℃D多层陶瓷双列直插M存储器R－55～85℃J黑瓷双列直插μ微型机电路M－55～125℃P塑料双列直插装F线性放大器S塑料单列直插W稳压器K金属菱形B非线性电路T金属圆形J接口电路C陶瓷片状载体ADA/D转换器E塑料片状载体DAD/A转换器G网格阵列D音响、电视电路SC通信专用电路SS敏感电路SW钟表电路举例：CC4069EP6反相器第五十一页，共63页。二、数字集成电路的分类1.CMOS数字电路2.TTL数字电路。3.ECL电路第五十二页，共63页。1.CMOS数字电路定义：CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）—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74HC系列和CC74HC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：①

工作频率高（fmax=50MHz）②

工作电源电压范围较宽，可在低电压下工作（VCC=2～6V）③

外部引线与TTL电路相同，可直接代换第五十三页，共63页。二、数字集成电路的分类1.CMOS数字电路2.TTL数字电路。3.ECL电路第五十四页，共63页。2.TTL数字电路。意义：晶体管-晶体管逻辑（Transistor-TransistorLogic）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UCC＝＋5V，允许范围一般为＋4.75～5.25V，部分产品为＋4.5～5.5V。每门功耗为mW级。分类：低功耗肖特基系列LS-TTL(对应国标CT4000)—主流产品高速肖特基系列S-TTL（对应于CT3000系列）第五十五页，共63页。二、数字集成电路的分类1.CMOS数字电路2.TTL数字电路。3.ECL电路第五十六页，共63页。3.ECL电路意义：发射极耦合逻辑集成电路（EmitterCoupledLogicIC）。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。电流开关参考电压源射极输出ECL电路的基本门—或