第7章-掌握常用中、大规模数字集成电路

学习目标1．掌握555定时器的组成、工作原理、应用。2．了解D／A和A／D转换器的基本组成、基本工作原理、主要参数和应用。下一页第一节

555定时器的工作原理

第二节模数转换和数模转换第三节存储器小结下一页返回一、555定时器的工作原理二、555定时器的应用

返回下一页第一节555定时器的工作原理下一页图7－1555集成定时器内部电路结构与引脚功能

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一、555定时器的工作原理

（一）555集成定时器电路的组成（二）555集成定时器电路的基本工作原理返回下一页第一节555定时器的工作原理

一、555定时器的工作原理（一）555集成定时器电路的组成（1）电阻分压器和电压比较器由三个等值的电阻R和两个集成运放比较器ICl、IC2构成。电源电压UCC经分压取得比较器的输入参考电压，在CO端无外加控制电压时，比较器ICl输入参考电压为2UCC/3，比较器IC2输入参考电压为UCC/3；CO端如有外加控制电压可改变参考电压值。返回下一页第一节555定时器的工作原理

一、555定时器的工作原理（一）555集成定时器电路的组成（2）基本RS触发器由两个比较器输出电位控制其状态。为触发器复位端，当＝0时，触发器反相输出＝1，使定时器输出uo＝0，同时使VT导通。（3）输出缓冲器和开关管由反相放大器和集电极开路的三极管VT构成，反相放大器用以提高负载能力并起到隔离作用。VT的集电极电流可达500mA，能驱动较大的灌电流负载。返回下一页第一节555定时器的工作原理

一、555定时器的工作原理（一）555集成定时器电路的组成

555集成定时器可在较宽的电源电压范围（4．5～18V）内正常工作，但各输入端的信号电压不可超过电源电压值。返回下一页第一节555定时器的工作原理

一、555定时器的工作原理（二）555集成定时器电路的基本工作原理当CO端无外接控制电压时，555集成定时器的工作状态取决于置位端、TH和的状态。

（1）当＝0时，＝1，uo＝0，VT饱和导通。（2）当＝1且VTH＞2UCC/3、＞UCC/3时,ICl＝0、＝1、Q＝0，uo＝0，VT饱和导通。

IC2＝1，（3）当＝1且VTH＜2UCC/3、、Q不变，uo不变，VT状态不变。

＞UCC/3时，ICl＝1、IC2＝1，返回第一节555定时器的工作原理

一、555定时器的工作原理（二）555集成定时器电路的基本工作原理

（4）当＝1且VTH＜2UCC/3、＜UCC/3时，ICl＝1、IC2＝0，＝0、Q＝1，VT截止。返回下一页表7-1555集成定时器的逻辑功能表

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二、555定时器的应用

（一）555集成定时器构成施密特触发器（二）555集成定时器构成单稳态触发器（三）555集成定时器构成多谐振荡器返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用

（一）555集成定时器构成施密特触发器施密特触发器是一种能够把输入波形整形成为适合于数字电路需要的矩形脉冲的电路，如图11-2（a）所示。返回下一页（a）电路（b）工作波形图7－2555集成定时器构成施密特触发器返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用

（一）555集成定时器构成施密特触发器

（1）当uo＝0时，由于比较器ICl＝1、IC2＝0，触发器置1，即Q＝1、＝0，uo1＝uo＝1。Ui升高时，在未到达2UCC/3以前，uo1＝uo＝1的状态不会改变。（2）Ui升高到2UCC/3时，比较器ICl输出为0、IC2输出为1，触发器置0，即Q＝0、＝1，uo1＝uo＝0。此后，Ui上升到UCC，然后再降低，但在未到达UCC/3以前，uo1＝uo＝0的状态不会改变。（3）当Ui下降到UCC/3时，比较器ICl输出为1、IC2输出为0，触发器置1，即Q＝l、＝0，uo1＝uo＝1。此后，Ui继续下降到0，但uo1＝uo＝1的状态不会改变。工作波形如图11-2（b）所示。返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用

（一）555集成定时器构成施密特触发器

显然，改变控制电压UCO的大小，就可以改变下限阈值电压和上限阈值电压的大小。回差电压（滞后电压）：由于回差电压的存在，该电路具有滞回特性，所以抗干扰能力也很强，可以实现波形变换、波形整形、幅度鉴别等电路。返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用

（二）555集成定时器构成单稳态触发器

单稳态触发器在数字电路中一般用于定时（产生一定宽度的矩形波）、整形（把不规则的波形转换成宽度、幅度都相等的波形）以及延时（把输入信号延迟一定时间后输出）等。单稳态触发器具有下列特点：（1）电路有一个稳态和一个暂稳态。（2）在外来触发脉冲作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。（3）暂稳态是一个不能长久保持的状态，经过一段时间后电路会自动返回到稳态。暂稳态的持续时间与触发脉冲无关，仅取决于电路本身的参数。

返回下一页（a）电路（b）工作波形图7-3555集成定时器构成单稳态触发器返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用

（二）555集成定时器构成单稳态触发器

555集成定时器构成单稳态触发器的电路如图11-3（a）所示。接通UCC后瞬间，UCC通过R对C充电，当uc上升到2UCC/3时，比较器ICl输出为0，将触发器置0,uo＝0。这时＝1，放电管VT导通，C通过VT放电，电路进入稳态。

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二、555定时器的应用

（二）555集成定时器构成单稳态触发器当ui到来时，因为ui＜UCC/3，使IC2＝0，触发器置1,uo由0变为l，电路进入暂稳态。由于此时＝0，放电管VT截止，UCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器IC2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2UCC/3时，比较器ICl输出为0，将触发器置0，电路输出uo＝0，VT导通，C放电，电路恢复到稳定状态。此时输出脉冲宽度tp≈1.1RC，暂稳态的持续时间即脉冲宽度也由电路的阻容元件决定。工作波形如图11-3（b）所示。单稳态触发器的特性可以用于实现脉冲整形、脉冲定时等功能。返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用

（二）555集成定时器构成单稳态触发器（1）脉冲整形利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性，可以将过窄的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出。（2）脉冲定时同样，利用单稳态触发器能产生一个固定宽度脉冲的特性，可以实现定时功能。将单稳态触发器的输出接至与门的一个输入脚，与门的另一个输入脚输入高频脉冲序列uA，电路示意图如图11-4（a）所示。单稳态触发器在输入负向窄脉冲到来时开始翻转，与门开启，允许高频脉冲序列通过与门从其输出端uo输出。经过tp定时时间后，单稳态触发器恢复稳态，与门关闭，禁止高频脉冲序列输出。由此实现了高频脉冲序列的定时选通功能，其工作波形图如图11—4（b）所示。

返回下一页（a）电路示意图（b）工作波形图图7-4脉冲定时电路及波形返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器多谐振荡器是一种能产生矩形脉冲波的自激振荡器，所以也称为矩形波发生器。“多谐”意指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态，但有两个暂稳态。多谐振荡器工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动地交替变换，由此产生矩形波脉冲信号。所以，多谐振荡器又称为无稳态电路。

（1）由555集成定时器构成的多谐振荡器的电路组成由555集成定时器构成的多谐振荡器电路如图11-5（a）所示。图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。定时器的触发输入端（2脚）及阀值输入端（6脚）与电容C的非接地端相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外接控制输入端不用时，通过0.01F的电容接地。

返回下一页（a）电路（b）波形图7-5由555集成定时器构成的多谐振荡器电路及其波形返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器（2）工作原理多谐振荡器的工作波形图如图11-5（b）所示。电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，uC＝0V，上限阈值电压为UT+，下限阈值电压为UT-．555集成定时器状态为l，输出uo为高电位。与此同时，由于集电极开路输出端（7脚）对地断开，电源UCC通过R1、R2开始向电容C充电，电路进入暂稳态I状态。此后，电路按下列四个阶段周而复始地循环，从而产生周期性的输出脉冲。

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二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器（2）工作原理①

暂稳态I阶段，电源UCC通过R1、R2向电容C充电，uC按指数规律上升，在uC高于上限阈值电压UT+（2UCC/3）之前，定时器暂时仍维持1状态，输出uo为高电位。②翻转I阶段，电容C继续充电，当uC高于上限阈值电压UT+（2UCC/3）后，定时器翻转为0状态，输出uo变为低电位。此时，集电极开路输出端（7脚）由对地断开变为对地导通。

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二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器（2）工作原理③暂稳态Ⅱ阶段，电容C开始经R2对地放电，uc按指数规律下降，在uc低于下限阈值电压UT-（UCC/3）之前，定时器暂时仍维持0状态，输出uo为低电位。④翻转Ⅱ阶段．电容C继续放电，当uc低于下限阈值电压UT-（UCC/3）后，定时器翻转为l状态，输出uo变为高电位。此时，集电极开路输出端（7脚）由对地导通变为对地断开。此后，振荡器又回复到暂稳态I阶段。多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。暂稳态I的维持时间，即输出uo的正向脉冲宽度为t1＝0.7（R1十R2）C

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二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器（2）工作原理暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出u。的负向脉冲宽度为t2＝O.7R2C因此，振荡周期为T＝t1十t2＝0.7（R1十2R2）C振荡频率f＝1／T。正向脉冲宽度t1与振荡周期T之比称为矩形波的占空比D，由上述条件可得

由此可见，只要适当选取C的大小，即可通过调节R1、R2的值达到调节振荡器输出信号频率及占空比的目的。若使R2>>R1，则D＝0.5，也即输出信号的正、负向脉冲宽度接近相等。

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二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器（3）多谐振荡器应用举例①模拟声响发生器用两个多谐振荡器可构成模拟声响发生器，如图11-6（a）所示。图中振荡器I的输出uo1接至振荡器Ⅱ的复位输入端（4脚），振荡器Ⅱ的输出uo2驱动扬声器发声。适当选择R、C的参数值．使振荡器I的振荡频率为lHz，振荡器Ⅱ的振荡频率为2kHz。在uo1输出正向脉冲期间，uo2有2kHz音频信号输出，扬声器发声；在uo1输出负向脉冲期间，振荡器Ⅱ的定时器被复位，振荡器Ⅱ停止振荡，uo2输出恒定不变的高电位，此时扬声器无音频输出。工作波形如图11—6（b）所示。

返回下一页（a）电路（b）工作波形图7-6用两个多谐振荡器构成的模拟声响发生器返回下一页第一节555定时器的工作原理

二、555定时器的应用（三）555集成定时器构成多谐振荡器（3）多谐振荡器应用举例②电压—频率转换器由555集成定时器构成的多谐振荡器中，若定时器控制输入端不经电容接地，而是外加一个可变的电压源，则通过调节该电压源的值，可以改变定时器触发电位和阀值电位的大小。外加电压越大，振荡器输出脉冲周期越大，即频率越低；外加电压越小，振荡器输出脉冲周期越小，即频率越高。这样，多谐振荡器就实现了将输入电压大小转换成输出频率高低的电压—频率转换器的功能。

返回下一页随着数字计算机的广泛应用，模拟量和数字量的相互转换变得十分重要。例如，用数字系统对生产过程进行控制。由于生产过程所处理的常常是反映温度、压力、流量、位移等变化的模拟量，不能为数字系统所直接处理，需要先将模拟量转换为与之相应的数字量，经由数字系统进行处理；经处理后的输出为数字量，需要再将它转换为与之相应的模拟量，去控制执行机构工作。再如在数字仪表中，也必须将被测的模拟量转换为数字量，才能实现数字显示。将数字信号转换为相应的模拟信号称为数／模（D／A）转换，实现D／A转换的电路称为数／模转换器（简称DAC）。将模拟信号转换为相应的数字信号称为模／数（A／D）转换，能实现A／D转换的电路称为模／数转换器（简称ADC）。这个控制过程可用图11-7表示。数／模和模/数变换器是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件，随着微机和集成电路的发展，数／模和模/数变换器应用越来越普遍。第二节

模数转换和数模转换

返回下一页图7－7数模处理系统返回下一页一、数-模转换器（DAC）

二、模-数转换器（ADC）

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模数转换和数模转换一、数-模转换器（DAC）

D／A转换器的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比的输出模拟量。由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，必须将数字量中的每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位代码的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量。这就是构成数/模变换器的基本思想。常用的D／A转换器有：权电阻DAC、R-2RT型电阻DAC、R-2R倒T型电阻网络DAC等几种类型。由于倒T型电阻网络D／A转换器的转换速度较快，获得了广泛的应用，下面简要介绍它的工作原理。第二节模数转换和数模转换返回下一页一、数-模转换器（DAC）

（一）R-2R倒T型电阻网络D／A转换器（二）D/A转换器的主要技术指标（三）集成D/A转换器简介第二节模数转换和数模转换返回下一页一、数-模转换器（DAC）

（一）R-2R倒T型电阻网络D／A转换器倒T型电阻网络D／A转换器是由倒T型电阻网络、模拟电子开关、求和放大器及基准电压UREF等几个主要部分组成，如图11-8所示。第二节模数转换和数模转换返回下一页图7－8倒T型电阻网络返回下一页一、数-模转换器（DAC）

（一）R-2R倒T型电阻网络D／A转换器四个可模拟电子开关受数字量的数字代码控制，当D3—D0输入的信号是“1”时，电子开关将把电阻2R接到求和放大器的反相输入端；输入的信号是“0”时，将电阻接地。因为运算放大器的反相输入端为“虚地”，所以模拟电子开关无论在哪个位置，2R电阻的上端都是接地。流过每一个2R电阻的电流始终不变。在图11-8中，从A、B、C、D任何一个结点往右看，其等效电阻均为R。因此，由基准电压UREF提供的电流I＝UREF／R保持恒定。该电流每经过一个结点，便分为相等的两路电流流出。因此输出电压为：第二节模数转换和数模转换返回下一页一、数-模转换器（DAC）

（一）R-2R倒T型电阻网络D／A转换器取RF＝R，并设倒T型电阻网络有n位，则输出电压为：（11-1）由此可见，输出的模拟量与输入的数字量成正比，从而实现数模转换。第二节模数转换和数模转换返回下一页二、数-模转换器（DAC）

（二）D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率是说明DAC输出最小电压的能力。它是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量各有效位全为1）之比。分辨率=式中，n表示输入数字量的位数。可见，n越大，分辨最小输出电压的能力也越强，分辨率越高。如8位D／A转换器，最小输出电压与数字00000001对应，而最大输出电压与数字11111111对应。所以，分辨率1/（28-1）=1/255=0.0039。（2）精度指输出模拟电压的实际值和理论值之差，即最大静态误差，误差主要是参考电压偏离标准值、运算放大器零点漂移、模拟开关的压降、电阻值误差等引起的。显然，这个差值越小，电路的转换精度越高。第二节模数转换和数模转换返回下一页一、数-模转换器（DAC）

（二）D/A转换器的主要技术指标（3）转换速度指D／A转换器完成一次转换所需的最大时间。即指DAC从输入数字信号开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。（4）线性度。通常用非线性误差的大小表示D／A转换器的线性度，并且把偏离理想的输入-输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。除以上几个主要技术数据外，还有输入电压的高低电平、功率消耗、温度系数等，使用时可查阅有关资料。第二节模数转换和数模转换返回下一页一、数—模转换器（DAC）（三）集成D/A转换器简介

R-2R倒T型电阻网络DAC的电阻网络只有两种阻值，便于集成，而且由于流过各支路的电流恒定不变，因此在开关状态变化时，不需要电流建立时间，所以转换速度高，是目前应用最多的DAC集成电路，按输入的二进制数的位数分类有8位、10位、12位和16位等。例如5G7520是10位的倒T型电阻网络集成D／A转换器。倒T型电阻网络、CMOS模拟开关、求和放大器的反馈电阻被集成，求和放大器是外接的，如图11-9所示。其中D0～D9是输入的10位数字量，UREF是基准电压。第二节模数转换和数模转换返回下一页图13-95G7520D/A转换器返回下一页一、数-模转换器（DAC）（三）集成D/A转换器简介

由于输入是10位的数字量，故把n＝l0代入式（11-1），可得对应的模拟量输出。三个调零电位器是：RP3是调零电位器，通过调节RP3，使输入电压为0时，输出电压也为0；RP1是R1上串接的外接电阻，可用来增加输出电压，方法是：将输入数字全接1，调RP1使u0达到预定满量程值；RP2是用来减少输出电压的，方法与调RP1相同。第二节模数转换和数模转换返回下一页（a）引脚排列图（b）D/A转换电路图7-10集成D/A转换器返回下一页[例13.1]

计算10位D／A转换器的分辨率。若Rt＝5V，试计算最大输出模拟电压和最小输出模拟电压；当D为1000010011时的输出电压。[解]D＝1111111111时，输出模拟电压最大为D＝0000000001时，输出模拟电压最小为分辨率为D为1000010011时的输出电压第二节模数转换和数模转换一、数-模转换器（DAC）返回下一页二、模-数转换器（ADC）将模拟信号转换成数字信号需要经过采样、保持、量化和编码四个步骤。图11-11（a）是ADC示意框图。

第二节模数转换和数模转换返回下一页

（a）图7-11ADC示意图（b）返回下一页二、模-数转换器（ADC）转换的步骤是：输入端输入的模拟电压，经采样、保持、量化和编码四个过程的处理，转换成对应的二进制数码输出。采样就是利用模拟开关将连续变化的模拟量变成离散的数字量，如图11-11（b）中波形②所示。由于经采样后形成的数字量宽度较窄，经过保持电路可将窄脉冲展宽．形成梯形波，如图11-11（b）中波形④所示。量化和编码就是将梯形波中某一阶梯电压值转换为相应的二进制数码。经过这一过程，就实现了模／数转换。目前集成模／数转换器种类较多，有八位和十位模／数转换器。第二节模数转换和数模转换返回下一页二、模-数转换器（ADC）（一）A／D转换器工作原理（二）A/D转换器的主要技术指标（三）A/D转换器的应用（四）集成A/D转换器第二节模数转换和数模转换返回下一页二、模-数转换器（ADC）（一）A／D转换器工作原理A／D转换器分直接型和间接型两大类。并行A／D转换器、计数型A／D转换器、逐次逼近型A／D转换器属于直接型A／D转换器；单积分A／D转换器、双积分A／D转换器等属于间接型A／D转换器。现以逐次逼近型A／D转换器为例说明工作原理。逐次逼近型A／D转换器的原理是通过对模拟量不断地进行逐次比较、鉴别，直到最末一位为止。这和用天平称物体的原理相仿。逐次逼近型A／D转换器的原理如图11-12所示。它是由数码寄存器、D／A转换器、电压比较器和控制电路等四个基本部分组成。第二节模数转换和数模转换返回下一页图7-12A/D转换器原理框图返回下一页二、模-数转换器（ADC）（一）A／D转换器工作原理时钟脉冲经控制电路先将数码寄存器最高位置1，若寄存器是八位，则使其输出数字为10000000。经D／A转换器转换成相应的模拟电压Uf，再送比较器与采样保持电压U1相比较，如果U1＜Uf，表明数字过大，于是控制电路将寄存器的最高位的1清除，变为0；若U1>Uf，说明寄存器内的数字比模拟信号小，则寄存器的最高位的1保留。然后再将寄存器的次高位置1，同理，寄存器的输出经D／A转换器转换并与模拟信号比较，根据比较结果，决定次高位是清除还是保留。这样逐位比较下去，一直比较到最低有效位为止。显然寄存器的最后数字就是A／D转换后的数值。第二节模数转换和数模转换返回下一页二、模-数转换器（ADC）（二）A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率以二进制代码位数表示，位数越多，量化误差越小，转换精度越高，能分辨的最小输入模拟电压就越小。分辨率=式中，FSR是输入的满量程模拟电压。例如输入模拟电压为10V时，若用8位A／D转换器转换，则分辨度为：10V／28＝39．06mV，若用10位A／D转换器转换，则分辨度为：10V／210＝9.76mV；第二节模数转换和数模转换返回下一页二、模-数转换器（ADC）（二）A/D转换器的主要技术指标（2）相对误差指A／D转换器实际输出数字量和理想输出数字量之间的差别，通常以最低位有效位的倍数表示。例如，给出相对误差LSB／2。这表明实际输出数字量和理论计算出数字量之间的误差不大于最低值的一半。（3）转换速度完成一次A／D转换所需时间，转换时间是从接到模拟信号开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换时间越短，说明转换速度越高。一般低速为l～30ms，中速为50ms左右，高速为50ns左右。此外还有功耗、温度系数、电源电压、电压范围等。第二节模数转换和数模转换返回下一页二、模-数转换器（ADC）（三）A/D转换器的应用双积分A／D转换器特点是抗干扰能力强，但转换速度不高。常用的双积分型A／D转换器如MC14433精度为3位（指4位十进制数，但最高位只能是0或1，通称“半位”，相当于11位二进制数），具有功耗低、功能完备、使用灵活等优点，但转换速度仅为3～10次/秒，主要用于各种数字式仪表中。数字式万用表是电工电子技术中使用非常广泛的测量仪表，内部有A／D转换器的应用。它具有自动化和智能化程度高、测量范围广、读数直观准确、过载能力强、直接显示极性、测量速度快等特点。第二节模数转换和数模转换返回下一页测量时，被测量（电阻、电压、电流）先转换为适当大小的直流电压，直流电压U经过量程选择电路加到ADC上，将转换成数字量，再经过译码显示电路显示出测量的结果。图7-13数字式万用表电路结构框图返回下一页二、模-数转换器（ADC）（四）集成A/D转换器目前，一般用的大多是单片集成模／数变换器，其种类很多，例如ADC0801、ADC0804、ADC0809等，ADC0804是应用较多的逐次逼近型集成A/D转换器，是CMOS集成电路。其分辨率是8位，相对精度1LSB，转换速度约为100s。在使用时可查阅产品手册，以了解其外引线排列及使用要求。第二节模数转换和数模转换返回下一页图7-14ADC0804引脚排列图返回下一页二、模-数转换器（ADC）（四）集成A/D转换器VCC：电源电压端。该芯片由单一+5V电源供电。VREF/2：参考电压端。是芯片同部电阻网络所需用的基准电压，该电压应是输入电压范围的1/2。如输入电压是0.5～4.5V，则于该引脚处外加2V电压。当输入电压是0～5V时，该引脚可以悬空，基准电压可由VCC经内部分压得到。DGND和AGND：分别是数字接地端和模拟接地端。两者分别设置是为了减小两部分电路之间的干扰。UIN（+）和UIN（-）：被转换的电压信号自该两端加入，此信号为差动电压信号或不共地的电压信号。DB7～DB0：8位数字信号的输出端。可直接接至系统的数据总线上，无须加接口电路。DLK和CLKR：时钟脉冲端。时钟脉冲的频率决定了芯片内部的工作节拍。第二节模数转换和数模转换返回下一页半导体存储器是一种能存储大量二进制数据的半导体器件，它是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有惟一的地址代码加以区分，而且一个存储单元一般只能存储一位二进制数据。半导体存储器的种类很多，从数据的存取情况来看，半导体存储器可分为随机存储器和只读存储器两大类。随机存储器在正常工作状态下可以随机地向存储器任意存储单元写入数据或从任意存储单元读出数据，其英文名称为：RandomAccessMemory，缩写为RAM。在断电后，RAM中的信息会丢失。只读存储器在正常工作时，存储器中的数据只能读出，不能写入。只读存储器的英文名称为：ReadOnlyMemory，缩写为ROM。在断电后，ROM中的信息不会丢失。第三节存储器返回下一页半导体存储器的应用十分广泛，只读存储器作为计算机的主存储器用来长期存储操作系统的一些程序和数据，随机存储器作为CPU的缓存，用来暂时存储计算机当前用到的指令和数据。存储器不仅在计算机中是不可缺少的器件．而且在其他电子系统中的应用也很多，例如，来电显示电话、复读机、CD机和大量的音频、视频产品也要用到存储器。

第三节存储器返回下一页一、只读存储器二、随机存储器

第三节存储器返回下一页一、只读存储器只读存储器是存储永久保存的和半永久保存的数据的器件。存储器中的数据不能改变或者是需要专用的设备才能改变，但数据能从存储器中读出，这样的存储器就是只读存储器。在数字系统中，只读存储器常用来存储重复使用的数据，例如表格、计算机程序等，在断电后，只读存储器中存储的数据不会丢失。

第三节存储器返回下一页一、只读存储器（一）只读存储器的分类（二）掩模只读存储器（三）可编程只读存储器（PROM）（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）第三节存储器返回下一页一、只读存储器（一）只读存储器的分类只读存储器的分类如下所示。其中：掩模只读存储器（MROM）是数据在存储器的制作过程中就永久的保存在存储阵列中的只读存储器。可编程只读存储器（PROM）是用户使用专用编程设备可以进行一次性编程的只读存储器。掩模和可编程只读存储器可以使用CMOS或双极性工艺制作。

第三节存储器返回下一页一、只读存储器（一）只读存储器的分类可擦除的可编程只读存储器只能使用M0S工艺制作，它可分为：紫外线可擦除的可编程只读存储器（UVEPROM）是可用紫外线擦除数据、用专用编程设备写入数据的只读存储器。擦除数据时，需要将该存储器芯片用紫外光照射几十分钟。电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM或E2PROM）是电擦除数据和编程的只读存储器。数据的擦除只需几个毫秒。

第三节存储器返回下一页一、只读存储器（二）掩模只读存储器掩模只读存储器中的数据是在制作过程中写入的，数据一旦写入就不能改变。由MOS晶体管组成的掩模只读存储器的存储单元如图11-15所示。

第三节存储器返回下一页（a）（b）图7-15掩模只读存储器的存储单元返回下一页一、只读存储器（二）掩模只读存储器在存储单元中，行线是地址线，该线连接到MOS晶体管的栅极，连接到MOS晶体管源极的列线是数据线，电阻R是保持列线为低电平的端接电阻。当行线是高电平时MOS晶体管导通，使列线为高电平，则可以说该存储单元存储的是1，这种情况如图11-15（a）所示；若是行线与MOS晶体管的栅极不连接，则当行线是高电平时，MOS晶体管不导通，列线为低电平，则可以说该存储单元存储的是0，如图11-15（b）所示。第三节存储器返回下一页一、只读存储器（二）掩模只读存储器一个存储单元为16×8掩模只读存储器如图11-16所示，该只读存储器由地址译码器和存储单元阵列组成。若在制造时使MOS管的栅极与行线相连，则相当于存储了二进制数据1，若是不相连，则相当于存储了二进制数据0。实际的存储器具有更复杂的内部结构，例如一个256×4的只读存储器的逻辑符号如图11-17所示。当8位地址码加到该只读存储器的地址线上，则有一组4位数据呈现在输出端，该存储器在控制信号和为低电平时输出数据。第三节存储器返回下一页

图7-16简单掩模存储器返回下一页图7-17256×4只读存储器符号返回下一页一、只读存储器（三）可编程只读存储器（PROM）PROM的结构与掩模只读存储器的结构是一样的，只是在出厂时在每个存储单元中都存入了1。熔丝存储单元结构的可编程只读存储器如图11-18所示。可以看山，每个存储单元中都有连接MOS晶体管源极和列线的熔丝，该熔丝通表示存储l，熔丝断表示存储0。熔丝也可以用两个背靠背连接的二极管代替，在编程时，在两个背靠背二极管上加编程电压．编程电压的大部分降落在反偏二极管上，产生大的电流，使其PN结击穿导通，这样就将数据1写入了存储单元。

第三节存储器返回下一页图7-18具有熔丝结构的存储单元阵列返回下一页图7-19可编程只读存储器的编程示意图返回下一页一、只读存储器（三）可编程只读存储器（PROM）图11-19所示的是可编程只读存储器的编程示意图。编程时，首先将地址码放在可编程只读存储器的地址线上，然后在需要存入0的单元输出线（列线）上加上编程脉冲，使熔丝熔断，将0写入存储单元。编程可以人工进行，只要做一个类似图11-19的数字电路，就可以对可编程只读存储器进行逐个地址编程。实际上编程是在计算机软件支持下的专用编程器中进行，而写入可编程只读存储器的数据一般都是标准数据文件；例如十六进制文件（HEX）或JEDEC文件。可编程只读存储器（PRM）属于一次性编程器件，数据一旦写入就不可改变。

第三节存储器返回下一页一、只读存储器（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）EPROM是可以擦除的可编程只读存储器，在擦除了数据之后，该存储器可以再次编程。EPROM使用浮置栅极的MOSFET作为存储单元，浮置栅极周围都是氧化物绝缘材料，因而与外界没有任何导电连接，所以可以长时间地保存电荷。数据就是由浮置栅极中是否存有电荷来表示的，而数据的擦除就是去掉浮置栅极中的电荷。有两种EPROM，一种是紫外线擦除的PROM，另一种是电擦除的PROM

第三节存储器返回下一页一、只读存储器（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）（1）紫外线擦除的可编程只读存储器（UVEPROM）紫外线擦除的PROM的封装上有一个供紫外线擦除数据的透明石英玻璃窗。在存储单元中，使用浮置雪崩注入M0S管（FAMOS）。编程过程就是利用雪崩击穿使电子进入绝缘栅极，使绝缘栅极带负电，形成导电沟道；擦除过程是用紫外线照射存储单元，使电子具有能量从绝缘栅极中逃出，使导电沟道消失。浮置栅极M0S管的结构、符号和使用浮置栅极MOS管的存储单元如图11-20所示。

第三节存储器返回下一页结构符号存储单元实用时要注意编程后的芯片在阳光的影响和室内日光灯的照射下，经过3年时间在浮栅的电荷可泄漏完。若在太阳光直射下，约一个星期电荷可泄漏完。所以，在正常使用和储藏时，应在芯片窗口上贴上黑色的保护纸。图7-20浮置栅极MOS管的结构、符号和存储单元图返回下一页一、只读存储器（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）（2）电擦除的可编程只读存储器（EEPROM）EPROM芯片的擦除需要将芯片取下，用紫外线照射十几分钟，而且是整片擦除，相对来说改写操作速度慢、不方便。随着电子技术的发展，又出现了一种称为电可擦除可编程只读存储器，简称EEPROM或E2PROM，其存储信息的原理类似于UVEPROM，但擦除的原理不同。EEPROM是通过在存储信息的M0S管的源极和漏极之间加一个较高的电压，使浮栅上的电荷跑掉，它可以整片擦除，也可以擦除指定的单元。EEPROM具有EPROM可重编程的特点，又具有擦除速度快、可按单元擦除的优点。

第三节存储器返回下一页一、只读存储器（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）（2）电擦除的可编程只读存储器（EEPROM）E2PROM的存储单元中采用了一种叫做浮栅隧道氧化层MOS管，简称Flotox管，结构和符号见图11-21。

Flotox管是N沟道增强型MOS管，有两个栅极—控制栅极GC和浮置栅极Gf，该管的浮置栅与漏区之间有一个氧化层极薄的（厚度小于2×l0-8m）区域，这个区域称为隧道区，当隧道区的电场强度大于107V／cm时，就会形成导电隧道，电子可以双向通过，形成电流，这种现象称为隧道效应。

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图7-21Flotox管的结构和符号

返回下一页一、只读存储器（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）（2）电擦除的可编程只读存储器（EEPROM）图11-22是用Flotox管组成的存储单元，其中V1管是Flotox管，而V2管是普通N沟道增强MOS管．该管的作用是选通。根据浮置栅上是否充有负电荷来区分单元的1或0状态。擦除时，在控制栅极和行线上加幅度为20V，宽度为10ms的脉冲电压，数据线接0v，使Flotox管漏极接地，在强电场的作用下，漏区的电子通过隧道区进入浮置栅极。擦除后的存储单元存有数据1。第三节存储器返回下一页

图7-22Flotox管组成的存储单元返回下一页一、只读存储器（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）（2）电擦除的可编程只读存储器（EEPROM）编程时，将写入数据0的浮置栅极中的电荷放掉，方法是在控制栅极加0v电压，然后在行线和数据线上加幅度为20V，宽度为10ms的脉冲电压，相当于Flotox管漏极接20V电压，在强电场的作用下，使浮置栅极中的电荷通过隧道区放电。读出数据时，在控制栅极加3V电压，在行线上加5