模块九 大规模集成电路简介

模块九大规模集成电路简介9.1数/模及模/数转换简介9.2存储器简介知识与技能要点

数/模和模/数转换的基本概念和应用；数/模和模/数转换器的工作原理及特点；常用数/模和模/数转换器主要技术指标及意义。9.1数/模及模/数转换简介9.1数/模及模/数转换简介

9.1.1数/模转换器（DAC）概述及典型DAC功能测试

一般来说，自然界中存在的物理量大都是连续变化的物理量，如温度、时间、角度、速度、流量、压力等。由于数字电子技术的迅速发展，尤其是计算机在控制、检测以及其他许多领域中的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非常普遍。这就需要将模拟量转换为数字量，这种转换称为模数转换，用AD表示；而将数字信号变换为模拟信号称为数模转换。带有模数和数模转换电路的测控系统可用下图所示的框图表示。1．DAC的基本概念及主要参数

（1）DAC的基本概念

能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称D/A转换器，简写为DAC。

构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。

DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。1．DAC的基本概念及主要参数

（2）DAC的基本组成

DAC通常由参考电压、译码电路和电子开关三个基本部分组成，为了将模拟电流转换成模拟电压，通常在输出端外加运算放大器。

下图所示为DAC电路的组成框图。图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。（3）DAC的主要参数

①分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码所有各位全是1)之比。因此，DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。

②绝对精度(或绝对误差)和非线性度：绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。

③建立时间：指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量±uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。

除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。2．倒T形电阻解码网络DAC结构与工作原理

按解码网络结构的不同，DAC可分为R-2RT形电阻网络、R-2R倒T形电阻网络和权电阻网络DAC等。按模拟电子开关电路的不同，DAC又可分为CMOS开关型和双极型开关型。

R-2R倒T形电阻解码网络DAC是目前使用最广泛的一种，电路结构如下图所示。2．倒T形电阻解码网络DAC结构与工作原理

当输入数字信号的任何一位是“1”时，对应开关便将2R电阻接到运放反相输入端，而当其为“0”时，则将电阻2R接地。由图9-1-3可知，按照“虚短”、“虚断”的近似计算方法，求和放大器反相输入端的电位为“虚地”，所以无论开关扳到哪一边，都相当于接到了“地”电位上。在图示开关状态下，从最左侧将电阻折算到最右侧，先将2R//2R并联，电阻值为R；再和R串联，电阻值为2R，一直折算到最右侧，电阻仍为R，则可写出电流I的表达式为：

只要VREF选定，电流I为常数。流过每个支路的电流从右向左，分别为

、

、

、…。当输入的数字信号为“1”时，电流流向运放的反相输入端，当输入的数字信号为“0”时，电流流向地，可写出的表达式为:2．倒T形电阻解码网络DAC结构与工作原理

在求和放大器的反馈电阻等于R的条件下，输出模拟电压为:

倒T形电阻解码网络DAC所用的电阻阻值仅两种，串联臂为R，并联臂为2R，便于制造和扩展位数。而且在这种DAC中又采用了高速电子开关，所以转换速度很高。3．集成D/A转换器AD7524

AD7524是CMOS单片低功耗8位D/A转换器。采用倒T形电阻网络结构。型号中的“AD”表示美国的芯片生产公司模拟器件公司的代号。如图所示为其典型实用电路。

图中供电电压VDD为+5V~+15V。D0~D7为输入数据，可输入TTL/CMOS电平。

为片选信号，

为写入命令，VREF为参考电源，可正、可负。IOUT是模拟电流输出，一正一负。A为运算放大器，将电流输出转换为电压输出，输出电压的数值可通过接在16脚与输出端的外接反馈电阻RFB进行调节。16脚内部已经集成了一个电阻，所以外接的RFB可为零，即将16脚与输出端短路。

3．集成D/A转换器AD7524

AD7524的功能见表:

当片选信号与写入命令为低电平时，AD7524处于写入状态，可将D0～D7的数据写入寄存器并转换成模拟电压输出。当RFB=0时，输出电压与输入数字量的关系如下:∓应用举例

【例】在倒T形电阻网络DAC中，若UREF＝10V，输入10位二进制数字量为（1011010101），试求其输出模拟电压为何值？（已知Rf＝R＝10kΩ）

解：

9.1.2模/数转换器（ADC）概述及典型ADC功能测试

1．模/数转换的基本概念

在模拟量转换为数字量的过程中，由于输入的模拟量在时间上是连续的，而输出的数字量是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟量采样后再转换为输出的数字量。模/数转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化，即将输入的模拟电压转换为输出的数字信号。

2．模/数转换的过程和结构

A/D转换过程一般通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，采样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。采样是将时间上、幅值上都连续变化的模拟信号，通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。因此采样又称为波形的离散化过程。CPSADCuiu0采样保持电路CP＝1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。CP＝0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP＝1信号到来，再对新的电压信号进行采样。采样定理：

输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率为fs，如果fs>2fmax，则可以无失真地复现输入信号。(1)采样保持电路ui采样电路的输入信号波形采样电路的离散输出波形tu采样间隔时间采样保持时间为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，也就是前面我们所说的采样定理。

量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。即任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个最小数量单位的整数倍，这一转化过程就称为“量化”。

两个量化电压之间的差值称为量化间隔S，量化电压的位数越多，量化等级越细，S的数值就越小。显然，量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二进制代码表示。量化过程中所取的最小数量单位称为量化当量δ。δ是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。

编码：将量化后的信号用对应量化电平的一组二进制代码来表示的过程称为编码。(2)量化编码电路例:将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。方法一：取ε＝1/8V，01/8V的电压以0×ε表示，则模拟电压0V1/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V7/8V1V二进制编码000001010011100101110111代码对应的模拟离散电平0ε→0V

1ε→1/8V2ε→2/8V3ε→3/8V4ε→4/8V5ε→5/8V6ε→6/8V7ε→7/8V可见，量化误差最大达ε=1/8V。应用举例

按转换过程，A/D转换器可大致分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器。直接型A/D转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。常用的电路有并行比较型和反馈比较型两种。

并行比较型 直接型

计数型

反馈比较型逐次逼近型A/D转换器

电压-时间型（VT）型——双积分型 间接型

电压-频率型（VF）型

间接型A/D转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，例如时间T或频率F，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果。A/D转换器的大致分类如下所示。（3）A/D转换器的分类

ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、D/A转换器、寄存器、控制电路和三态输出锁存器等组成，其逻辑框图如图所示。3．逐次逼近型集成A/D转换器ADC08093．逐次逼近型集成A/D转换器ADC0809

ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，现分四组简述如下：

（1）模拟信号输入IN0～IN7（8条）：为八路模拟电压输入线，加在模拟开关上，工作时允许分时输入，轮流进行A/D转换。

（2）地址输入和控制线（4条）：其中ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线（Address），用于选择IN0～IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行AD转换。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码器控制八路模拟开关工作。

（3）数字量输出及控制线（11条）：START为“启动脉冲”输入线，该线的正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿将寄存器清零，下降沿启动ADC工作。EOC为转换结束输出线，该线高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。2-1～2-8为数字量输出线，2-1为最高位。OE为“输出允许”端，高电平时可输出转换后的数字量。

（4）电源线及其他（5条）：CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需的640kHz时钟脉冲。VCC为+5V电源输入线，GND为地线。+VREF和-VREF为参考电压输入线，用于给D/A转换器供给标准电压。+VREF常和VCC相连，-VREF常接地。3．逐次逼近型集成A/D转换器ADC0809

应用举例

【例】什么是采样定理？采样保持电路的作用是什么？

答：采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍。这是采样电路的基本法则，称为采样定理。采样保持电路的作用就为了保证采样后的模拟信号ui'(t)能够基本上真实地保留原始模拟信号ui(t)的信息。知识与技能要点

存储器的分类及各类存储器的特点和应用场合；存储器的主要性能指标对存储器性能的影响；半导体存储器的逻辑功能和使用方法；半导体存储器的电路结构和工作原理；可编程逻辑器件的类型、工作原理。9.2存储器简介9.2存储器简介9.2.1存储器的概述

存储器是计算机硬件系统的重要组成部分，有了存储器，计算机才具有“记忆”功能，才能把程序及数据的代码保存起来，才能使计算机系统脱离人的干预，自动完成信息处理的功能。

1．存储器的分类

存储器按构成的器件和存储介质主要可分为：磁心存储器、半导体存储器、光电存储器、磁膜、磁泡和其他磁表面存储器以及光盘存储器等。按存取方式分类又可分为随机存取存储器、只读存储器两种形式。

随机存储器RAM又称读写存储器，是能够通过指令随机地、个别地对其中各个单元进行读/写操作的一类存储器。

只读存储器ROM在计算机系统的在线运行过程中，是只能对其进行读操作，而不能进行写操作的存储器。ROM通常用来存放固定不变的程序、汉字字型库、字符及图形符号等。

1．存储器的分类

（1）内存储器

计算机系统中，CPU可以直接对其进行读/写操作的单元，被称为系统的主存或者内存。内存一般由半导体存储器构成，通常装在计算机主板上，存取速度快，但容量有限。按存储信息的功能器可分为只读存储器ROM、可改写的只读存储器EPROM和随机存储器RAM。

内存通常是指随机存储器RAM，它帮助中央处理器CPU工作，从键盘或鼠标之类的来源读取指令，帮助CPU把资料写到一样可读可写的辅助内存中，以便日后仍可取用。RAM的大小直接影响计算机的速度，RAM越大，表明机器所能容纳的资料越多，CPU读取的速度越快。

（2）外存储器指位于系统主机的外部的辅助存储器，由于CPU对其进行的存/取操作时，必须通过内存才能进行，因此称作外存，外存是为了弥补内存容量的不足而配置。外存储器一般用来存放需要永久保存的或是暂时不用的程序和数据信息。外存储器设备种类很多，微型计算机常用的外存储器有磁盘存储器、光盘存储器和闪速存储器等。 磁盘存储器分有软盘和硬盘，现在软盘已经用得很少，而硬盘是计算机中使用最广泛的外存储器之一。硬盘对信息的读、写，其速度远远高于软盘，其容量远远大于软盘，具有存储容量大、存取速度快等突出特点。一块硬盘可以被划分成几个逻辑盘，并分别用盘符C、D、E、…表示。

1．存储器的分类

（2）外存储器

光盘中心有一个定位孔，记录信息时，使用激光在金属薄膜层上打出一系列的凹坑和凸起，将它们按螺旋形排列在光盘的表面上，称为光道。目前广泛应用的主要是只读型光盘CD-ROM。其主要优点是结构原理简单、存储信息容量大，方便大量生产，且价格低廉。

闪速存储器简称闪存，俗称优盘、U盘，能够达到擦写百万次的寿命。闪存轻便小巧，便于携带；且由于无机械装置，结构坚固、抗震性极强。使用闪存不需要驱动器，只需用一个USB接口，就可以十分方便地做到文件共享与交流，即插即用，热插拔也没问题。作为新一代的存储设备，闪存具有很好得发展前景。

（3）缓冲存储器：简称缓存，位于内存与CPU之间，其存取速度非常快，但存储容量更小，一般用来暂时解决存取速度与存储容量之间的矛盾，提高整个系统的运行速度。

1．存储器的分类2．存储器的主要技术指标

（1）存储容量

存储器中可容纳的二进制信息量称为它的存储容量。二进制数的最基本单位是“位”，是存储器存储信息的最小单位，8位二进制数称为一个“字节”，存储容量的大小通常都是用字节来表示的。由于存储器容量一般都很大，因此字节的常用单位还有KB、MB和GB。其中1KB=1024字节，1MB=1024KB，1GB=1024MB。存储器容量越大，存储的信息量也越大，计算机运行的速度也就越快。内存的最大容量是由系统地址总线决定的，内存的大小反映了实际装机容量。计算机技术发展很快，目前内存的实际装机容量通常达到1GB或2GB。

存储器内存的最大容量是由系统地址总线决定的，内存的大小反映了实际装机容量。例如一个计算机，其地址总线为36位，则决定了内存允许的最大容量为236=64GB。

（2）存取速度

计算机内存的存取速度取决于内存的具体结构及工作机制。存取速度通常用存储器的存取时间或存取周期来描述。所谓存取时间，就是指启动一次存储器从操作到完成操作所需要的时间；存取周期是指两次存储器访问所需的最小时间间隔。存取速度是存储器的一项重要参数。一般情况下，存取速度越快，计算机运行的速度才能越快。

（3）功耗

半导体存储器属于大规模集成电路，集成度高，体积小，因此散热不容易。在保证速度的前提下，应尽量减小功耗。由于MOS型存储器的功耗小于相同容量的双极型存储器，所以MOS型存储器的应用比较广泛。

2．存储器的主要技术指标

（4）可靠性

存储器对电磁场、温度变化等因素造成干扰的抵抗能力称其可靠性，也叫电磁兼容性。半导体存储器采用大规模集成电路工艺制造，内部连线少，体积小，易于采取保护措施。与相同容量的其他类型存储器相比，半导体存储器抗干扰能力较强，兼容性较好。

（5）集成度

存储器芯片的集成度越高，构成相同容量的存储器芯片数就越少。MOS型存储器的集成度高于双极型存储器，动态存储器的集成度高于静态存储器。因此，微型计算机的主存储器大多采用动态存储器。

除上述指标外，还有性能价格比、输入、输出电平及成本价格等指标。

2．存储器的主要技术指标9.2.2随机存取存储器RAM概述

计算机的内存储器由ROM和RAM两部分组成。其中只能读不能写的存储器，称为只读存储器ROM；既能读又能写的存储器，称可读写存储器RAM，又称随机存取存储器。

通常ROM中的程序和数据是事先存入的，在工作过程中不能改变，这种事先存入的信息不会因掉电而丢失，因此ROM常用来存放计算机监控程序、基本输入输出程序等系统程序和数据。RAM中的信息则掉电就会消失，所以主要用来存放应用程序和数据。

对存储器的读写或取出都是随机的，通常要按顺序随机存取。按顺序随机存取有两种方式：先进先出和后进先出。1．RAM的结构

（1）存储矩阵

存储矩阵是由许多存储单元组成的阵列。每个存储单元可存放1位二进制数。存储器中所存数据通常以字为单位，1个字含有若干个存储单元，即含有若干位，其位数也称为字长。存储器的容量通常以字数和字长的乘积表示，如1024×4存储器表示有1024个字，每个字4位，共有4096个存储单元（容量）。

（2）地址译码器

地址译码器是将外部给出的地址信号进行译码，找到对应的存储单元。通常根据存储单元所排列的矩阵形式，将地址译码器分成行译码器和列译码器。

（3）输入/输出控制

输入/输出控制也称读/写控制，是数据读取和写入的指令控制。当读/写控制信号R/W=1时，执行读出操作，将被选中的存储单元里的数据送到输入/输出（I/O）端上。当R/W=0时，执行写入操作，将I/O端上的数据写入被选中的存储单元中。

为片选信号端，当RAM中的片选信号

＝“1”时，RAM被禁止读写，处于保持状态；当

＝“0”时，RAM可在读/写控制输入R/的作用下作读出或写入操作。1．RAM的结构2．集成RAM简介

（1）集成静态存储器2114

集成静态存储器2114是一个通用的MOS集成静态存储器，它的存储单元由六管静态存储单元组成，有4096个（1024×4）存储单元，下图为其逻辑符号及外引线图。（1）集成静态存储器2114

2114RAM有10根地址线，可访问1024(210)个字。它有常见的片选(CS)和读/写允许（R/W）控制输入端。当RAM处于写模式时，CS为低电平。R/W为低电平，这时I/O1、I/O2、I/O3和I/O4为输入数据信号；当RAM处于读模式时，CS为低电平，R/W为高电平，I/O1、I/O2、I/O3和I/O4为输出数据信号。2114RAM电源电压为+5V，采用NMOS技术，三态输出，时间是50～450ns。

（2）存储容量的扩展

RAM的容量由地址码的位数n和字的位数m共同决定。因此常用的容量扩展法有位扩展、字扩展和字位扩展三种形式。

①位数的扩展：当存储器的实际字长已超过RAM芯片的字长时，需要对RAM进行位扩展。可利用并联方式实现：用两片2114RAM来扩展为8位字长存储器，就是在大多数微机中所说的1KB存储器，又称1024字节（每个字节长8位）。将RAM的地址线、读出线和片选信号线对应地并接在一起，而各个芯片的输入/输出(I/O)线作为字的各个位线，如图3所示。

（2）存储容量的扩展

②字数的扩展：字数的扩展可以通过外加译码器控制芯片的片选输入端来实现，如用3线8线译码器可将8个1K×4的RAM芯片扩展成8K×4的存储器。

【例】有（1024B×4）RAM集成芯片一个，该RAM有多少个存储单元？有多少条地址线？含有多少个字？其字长是多少位？访问该RAM时，每次会选中几个存储单元？

答：该RAM集成芯片有4096个存储单元；地址线为10根；含有1024个字，字长是4位；访问该RAM时，每次会选中4个存储单元。9.2.3可编程逻辑器件概述

可编程逻辑器件属于只读存储器ROM，其方框图与RAM相似。ROM将RAM的读写电路改为输出电路；ROM的存储单元由一些二极管、MOS管及熔丝构成，结构比较简单。

1．ROM的结构组成

ROM通常由地址译码器、存储矩阵、读出电路（输出缓冲器）和芯片选择逻辑等组成。

只读存储器在工作时只能进行读出操作，结构原理如图。

只读存储器ROM的特点是存储单元简单，集成度高，且掉电时数据不会丢失。2．ROM的分类

按照数据写入的方式不同，ROM可分为固定ROM、现场可编程ROM、光可擦除可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（E2PROM）和FLASH存储器。

固定ROM存放的数据是由生产厂家在生产时写入的，用户在使用时无法再改变。

可编程ROM存放的数据是由用户以一定的方式将数据写入芯片的。

（1）一次可编程只读存储器（PROM）：用户可根据需要改写存储器单元，但只能改写一次，简写为PROM。显然，这限制了PROM的应用，现在已经几乎不再使用。2．ROM的分类

（2）可擦除的可编程只读存储器（EPROM）：可多次擦除的可编程只读存储器EPROM。如紫外线擦除型的可编程只读存储器，其上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时，将它放在紫外线灯光下照射15～20min便可使擦除单元恢复到初始状态，又可以写入新的内容。

（3）电可擦除的可编程只读存储器（E2PROM）：电擦除的E2PROM既可以在掉电时不丢失数据，又可以随时改写写入的数据，使用十分方便。某重复擦除和改写的次数可达1万次以上解决了EPROM操作手续多、耗时长，而且编程电压高，安全性差的问题。2．ROM的分类

（4）闪速存储器：又称FLASH存储