数字化测量技术

1、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）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

2、精装图库。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。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

3、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。（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。（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1MH

4、z至几兆赫。74HC系列可达4050MHz，与LS-TTL电路相当。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。（10）内部有较完善的保护电路

5、 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）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。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

6、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。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+RAM3、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

7、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。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。（三）电子模块的开发1、定义

8、：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。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

9、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。（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-CA

10、D）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。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 数字化测量概述一、我国集成电路

11、型号命名法图片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

12、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）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）

13、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E第三节 数字IC的接口电路CL电路有CE100K、CE8000等系列，此外还有超大规模门阵列ECL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

14、型晶体管VT可靠地截止。R3是集电极电阻。 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 计算公式：E：电源电压UF：LED的正向压降 1.52.0VIF：LED的正向工作电流 5 mA10 mAVCES：晶体管饱和压降

15、 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)2×415=0.04W故可选430，1/8W电阻。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CD4010

16、6 74LS（HC）14C隔直电容，容量视输入信号f而定，0.120µFR1、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。五、利用施密特触发器作接口图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

17、作用。（补充）电阻器型号命名法RT 0.25 100K I B 碳膜电阻器 ；额定功率0.25W ；标称阻值100K； I级，允许偏差±5% ；噪声电动势5µV/V。RJ0.25100K金属膜标称值：E24系列（共24个数值），由 确定 ，n=0，1，2，3231.0、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=0，1，2，3111.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2

18、.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=0，1，2，351.0、1.5、2.2、3.3、4.7、6.8允许偏差±20%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%精密等级001 005 01 02 ±0.1% 电容容量pF nF µF F1 nF =1000 pF=0.001µF表示法220：22x100 pF =22 pF223：22x103=22000 pF=22 nF=0.022µF