数字逻辑欧阳星明第四版第七章中规模集成电路的应用课件.pptx

数字逻辑欧阳星明第四版第七章中规模集成电路的应用,本章知识要点：,熟悉常用中规模通用集成电路的逻辑符号、基本 逻辑功能、外部特性和使用方法；,用常用中规模通用集成电路作为基本部件，恰当 地、灵活地、充分地利用它们完成各种逻辑电路 的设计，有效地实现各种逻辑功能。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,2,主要内容,中规模通用集成电路概述常用中规模组合逻辑电路常用中规模时序逻辑电路常用中规模信号产生与变换电路,第七章 中规模通用集成电路及其应用,3,7.1概述,1.集成电路分类,第七章 中规模通用集成电路及其应用,SSI（Small Scale Integration）,MSI（Medium Scale Integration）,LSI（Large Scale Integration）,VLSI（Very Large Scale Integration）或SLSI（Super Large Scale Integration）,器件的集成,逻辑部件的集成,数字子系统或整个数字系统的集成,4,第七章 中规模通用集成电路及其应用,2.MSI、LSI与SSI相比，具有以下优点,（1）体积缩小,（2）功耗低、速度快,（3）可靠性高,（4）抗干扰能力强,（5）易于设计、调试和维护,5,第七章 中规模通用集成电路及其应用,3.设计MSI应考虑的问题,（1）通用性（可以实现多种功能）,（2）能自扩展,（3）具有兼容性,（4）封装电路的功耗小,（5）向输入信号索取电流要小,（6）充分利用封装的引线,6,第七章 中规模通用集成电路及其应用,7.2 常用中规模组合逻辑电路,使用最广泛的中规模组合逻辑集成电路有二进制并行加法器、译码器、编码器、多路选择器和多路分配器等。,7.2.1 加法器,全加：,每位二进制相加时，除了本位相加外，还要考虑相 邻低位的进位值，这种运算称之为“全加”。,7,第七章 中规模通用集成电路及其应用,多位二进制的加法器可以用1位二进制的全加器实现,加法器的分类：,串行加法器,并行加法器,串行进位（并行）加法器,超前进位（并行）加法器,8,第七章 中规模通用集成电路及其应用,1.串行进位（并行）加法器,由全加器级联构成，高位的进位输入依赖于低位的进位输出。进位信号逐级传递。,缺点：运算速度较慢，而且位数越多，速度就越低。,9,第七章 中规模通用集成电路及其应用,如何提高加法器的运算速度?,必须设法减小或去除由于进位信号逐级传送所花费的时间，使各位的进位直接由加数和被加数来决定，而不需依赖低位进位。根据这一思想设计的加法器称为超前进位(又称先行进位)二进制并行加法器。,10,四位二进制并行加法器的构成思想如下：,2超前进位二进制并行加法器：根据输入信号同时形成各位向高位的进位，然后同时产生各位的和。通常又称为先行进位二进制并行加法器或者并行进位二进制并行加法器。典型芯片有四位二进制并行加法器74283。,由全加器的结构可知，第i位全加器的进位输出函数表达式为,第七章 中规模通用集成电路及其应用,11,当 i=1、2、3、4时，可得到4位并行加法器各位的进位输出函数表达式为：,令（进位传递函数）（进位产生函数）则有,第七章 中规模通用集成电路及其应用,由于C1C4是Pi、Gi和C0的函数，即Ci=f(Pi,Gi,C0),而Pi、Gi又是 Ai、Bi的函数，所以，在提供输入Ai、Bi和C0之后，可以同时产生C1C4。通常将根据Pi、Gi和C0形成C1C4的逻辑电路称为先行进位发生器。,12,三、四位二进制并行加法器的外部特性和逻辑符号,第七章 中规模通用集成电路及其应用,图中，A4、A3、A2、A1-二进制被加数；B4、B3、B2、B1-二进制加数；F4、F3、F2、F1-相加产生的和数；C0-来自低位的进位输入；FC4-向高位的进位输出。,13,二进制并行加法器除实现二进制加法运算外，还可实现代码转换、二进制减法运算、二进制乘法运算、十进制加法运算等功能。,四、应用举例,第七章 中规模通用集成电路及其应用,14,第七章 中规模通用集成电路及其应用,例7.1 用四位二进制并行加法器设计一个将8421BCD码转换成余3码的代码转换器。,解：根据余3码的定义，余3码是由8421BCD码加3形成的。,8421码,0 0 1 1,余3码,“0”,15,例7.2 用4位二进制并行加法器设计一个4位二进制并行加法/减法器。,解分析：根据问题要求，设减法采用补码运算，并令A=a4a3a2a1-为被加数(或被减数)；B=b4b3b2b1-为加数(或减数)；S=s4s3s2s1-为和数(或差数)；M-为功能选择变量.当M=0时，执行A+B；当M=1时，执行A-B。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,由运算法则可归纳出电路功能为：当M=0时，执行 a4a3a2a1+b4b3b2b1+0(A+B)当M=1时，执行 a4a3a2a1+1(A-B),16,可用一片4位二进制并行加法器和4个异或门实现上述逻辑功能。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,具体实现：将4位二进制数a4a3a2a1直接加到并行加法器的A4A3A2A1输入端，4位二进制数 b4b3b2b1 分别和M异或后加到并行加法器的 B4B3B2B1 输入端。并将M同时加到并行加法器的 C0 端。M=0:Ai=ai,Bi=bi,C0=0实现a4a3a2a1+b4b3b2b1+0(即A+B)；M=1:Ai=ai,Bi=,C0=1，实现 a4a3a2a1+1（即A-B）。,17,实现给定功能的逻辑电路图如下：,第七章 中规模通用集成电路及其应用,18,第七章 中规模通用集成电路及其应用,7.2.2 译码器和编码器,译码器(Decoder)和编码器(Encoder)是数字系统中广泛使用的多输入多输出组合逻辑部件。,对具有特定含义的输入代码进行“翻译”，将其转换成相应的输出信号。,一、译码器,功能,译码器类型,码制变换译码器,二进制译码器,二-十进制译码器,数字显示译码器,19,第七章 中规模通用集成电路及其应用,1、码制变换译码器,功能：将一种码制变换成另一种码制。,例如：将4位二进制码B3B2B1B0变换为Gray码G3G2G1G0。,20,1、二进制译码器,能将n个输入变量变换成2n个输出函数，且输出函数与输入变量构成的最小项具有对应关系的一种多输出组合逻辑电路。,特点,二进制译码器一般具有n个输入端、2n个输出端和一个(或多个)使能输入端；,使能输入端为有效电平时，对应每一组输入代码，仅一个输出端为有效电平，其余输出端为无效电平。,有效电平可以是高电平(称为高电平译码)，也可以是低电平(称为低电平译码)。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,21,第七章 中规模通用集成电路及其应用,（1）2-4译码器设计原理,22,第七章 中规模通用集成电路及其应用,（2）3-8译码器设计,方案1：用与非门实现,方案2：用2-4译码器扩展,23,常见的MSI二进制译码器有2-4线(2输入4输出)译码器、3-8线(3输入8输出)译码器和4-16线(4输入16输出)译码器等。图(a)、(b)所示分别是74138型3-8线译码器的管脚排列图和逻辑符号。,（3）典型芯片,图中，A2、A1、A0-输入端；-输出端；-使能端。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,24,可见，当 时，无论A2、A1和A0取何值，输出 中有且仅有一个为0(低电平有效)，其余都是1。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,25,第七章 中规模通用集成电路及其应用,二进制译码器在数字系统中的应用非常广泛，计算机系统的典型应用如实现存储器的地址译码、控制器中的指令译码。,除此之外，在数字系统中还可以用译码器实现各种组合逻辑电路。,26,第七章 中规模通用集成电路及其应用,例7.5 用译码器74138和适当的与非门实现全减器的功能。,全减器：能实现对被减数、减数及来自相邻低位的借位进行减法运算，产生本位差及向高位借位的逻辑电路。,解：设被减数用Ai表示、减数用Bi表示、来自低位的借位用Gi-1表示、差用Di表示、向相邻高位的借位用Gi表示。,27,由真值表可写出差数Di和借位Gi的逻辑表达式为：,根据全减器的功能，可得到全减器的真值表如下表所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,28,第七章 中规模通用集成电路及其应用,例7.6 用译码器和与非门实现逻辑函数,29,3二-十进制译码器,功能：将4位BCD码的10组代码翻译成10个十进制数字符号对应的输出信号。,例如，常用芯片7442是一个将8421码转换成十进制数字的译码器，芯片引脚图和逻辑符号如下。,该译码器的输出为低电平有效。其次，对于8421码中不允许出现的6个非法码(10101111)，译码器输出端 均无低电平信号产生，即译码器对这6个非法码拒绝翻译。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,30,功能:数字显示译码器是驱动显示器件(如荧光数码管、液晶数码管等)的核心部件，它可以将输入代码转换成相应数字，并在数码管上显示出来。,4数字显示译码器,常用的数字显示译码器有器七段数字显示译码器和八段数字显示译码器。例如，中规模集成电路74LS47，是一种常用的七段显示译码器，该电路的输出为低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时对应字段熄灭。该译码器能够驱动七段显示器显示015共16个数字的字形。输入A3、A2、A1和A0接收4位二进制码，输出Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分别驱动七段显示器的a、b、c、d、e、f和g段。(教材中给出的74LS48的输出为高电平有效。),第七章 中规模通用集成电路及其应用,31,第七章 中规模通用集成电路及其应用,二、编码器,功能：编码器的功能恰好与译码器相反，是对输入信号按一定规律进行编排，使每组输出代码具有其特定的含义。,类型,二-十进制编码器(BCD码编码器),优先编码器,1二-十进制编码器,(1)功能：将十进制数字09分别编码成4位BCD码。,32,这种编码器由10个输入端代表10个不同数字，4个输出端代表相应BCD代码。结构框图如下：,(2)结构框图,第七章 中规模通用集成电路及其应用,注意：二-十进制编码器的输入信号是互斥的，即任何时候只允许一个输入端为有效信号。,最常见的有8421码编码器，例如，按键式8421码编码器。,33,2优先编码器,(1)功能：识别输入信号的优先级别，选中优先级别最高的一个进行编码，实现优先权管理。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,优先编码器是数字系统中实现优先权管理的一个重要逻辑部件。它与上述二-十进制编码器的最大区别是，优先编码器的各个输入不是互斥的，它允许多个输入端同时为有效信号。优先编码器的每个输入具有不同的优先级别，当多个输入信号有效时，它能识别输入信号的优先级别，并对其中优先级别最高的一个进行编码，产生相应的输出代码。,(2)典型芯片：MSI优先编码器74LS148。,34,多路选择器和多路分配器是数字系统中常用的中规模集成电路。其基本功能是完成对多路数据的选择与分配、在公共传输线上实现多路数据的分时传送。此外，还可完成数据的并串转换、序列信号产生等多种逻辑功能以及实现各种逻辑函数功能。,多路选择器(Multiplexer)又称数据选择器或多路开关，常用MUX表示。它是一种多路输入、单路输出的组合逻辑电路。,一、多路选择器,第七章 中规模通用集成电路及其应用,7.2.3 多路选择器和多路分配器,35,1逻辑特性,(1)逻辑功能：从多路输入中选中某一路送至输出端，输出对输入的选择受选择控制量控制。通常，一个具有2n路输入和一路输出的多路选择器有n个选择控制变量，控制变量的每种取值组合对应选中一路输入送至输出。,(2)构成思想,多路选择器的构成思想相当于一个单刀多掷开关，即,第七章 中规模通用集成电路及其应用,36,第七章 中规模通用集成电路及其应用,由选择控制信号（或称为地址）决定选择哪路数据输出。,如四选一数据选择器：,D0 D1 D2 D3,F,E,37,第七章 中规模通用集成电路及其应用,用四选一数据选择器扩展为八选一的数据选择器,D0 D1 D2 D3,D4 D5 D6 D7,A0,A1,38,2典型芯片,常见的MSI多路选择器有4路选择器、8路选择器和16路选择器。,(1)四路数据选择器74153,图(a)、(b)是型号为74153的双4路选择器的管脚排列图和逻辑符号。该芯片中有两个4路选择器。其中，D0D3为数据输入端；A1、A0为选择控制端；Y为输出端；G为使能端。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,39,(2)四路数据选择器74153的功能表,(3)74153的输出函数表达式,式中，mi为选择变量A1、A0组成的最小项，Di为i端的输入数据，取值等于0或1。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,40,类似地，可以写出2n路选择器的输出表达式为,式中，mi为选择控制变量An-1，An-2，A1，A0组成的最小项；Di为2n路输入中的第i路数据输入，取值0或1。,3应用举例,多路选择器除完成对多路数据进行选择的基本功能外，在逻辑设计中主要用来实现各种逻辑函数功能。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,41,例 用多路选择器实现以下逻辑函数的功能：F(A,B,C)=m(2,3,5,6),解 由于给定函数为一个三变量函数故可采用8路数据选择器实现其功能，假定采用8路数据选择器74152实现。方案：将变量A、B、C依次作为8路数据选择器的选择变量，令8路数据选择器的 D0=D1=D4=D7=0，而D2=D3=D5=D6=1即可。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,42,用8路选择器实现给定函数的逻辑电路图，如下图所示。,上述方案给出了用具有n个选择控制变量的多路选择器实现n个变量函数的一般方法。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,43,例 假定采用4路数据选择器实现逻辑函数 F(A,B,C)=m(2,3,5,6),解 首先从函数的3个变量中任选2个作为选择控制变量，然后再确定选择器的数据输入。假定选A、B与选择控制端A1、A0相连，则可将函数F的表达式表示成如下形式：,第七章 中规模通用集成电路及其应用,44,显然，要使4路选择器的输出W与函数F相等，只需、。据此，可作出用4路选择器74153实现给定函数功能的逻辑电路图。,据此，可作出实现给定函数功能的逻辑电路如下图所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,45,例 用4路选择器实现4变量逻辑函数 F(A,B,C,D)=m(0,2,3,7,8,9,10,13)的逻辑功能。,解 用4路选择器实现该函数时，应从函数的4个变量中选出2个作为MUX的选择控制变量。原则上讲，这种选择是任意的，但选择合适时可使设计简化。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,46,选用变量A和B作为选择控制变量,第七章 中规模通用集成电路及其应用,47,选用变量C和D作为选择控制变量,由上述可见，用n个选择控制变量的MUX实现n+2个以上变量的函数时，MUX的数据输入函数Di一般是2个或2个以上变量的函数。函数Di的复杂程度与选择控制变量的确定相关，只有通过对各种方案的比较，才能从中得到最简单而且经济的方案。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,48,第七章 中规模通用集成电路及其应用,例7.11：用8路数据选择器和3-8译码器构造一个3位二进制数等值比较器。,ABC,X Y Z,1 0,F,49,二、多路分配器,多路分配器(Demultiplexer)又称数据分配器，常用DEMUX表示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,多路分配器的结构与多路选择器正好相反，它是一种单输入、多输出组合逻辑部件，由选择控制变量决定输入从哪一路输出。如图所示为4路分配器的逻辑符号。,50,图中，D为数据输入端，A1、A0为选择控制输入端，f0 f3为数据输出端。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,51,四路分配器的功能如下表所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,52,第七章 中规模通用集成电路及其应用,可以用译码器实现数据分配的功能：,例如用2-4译码器实现四路数据分配器,A B,D,F3 F2 F1 F0,53,第七章 中规模通用集成电路及其应用,数据分配器的应用,例如：数据分配器与数据选择器联合使用，可以实现多路数据分时传送。,D0.D7,F0.F7,A B C,54,7.3 常用中规模时序逻辑电路,第七章 中规模通用集成电路及其应用,数字系统中最典型的时序逻辑电路是计数器和寄存器。,7.3.1 计数器,广义地说，计数器是一种能在输入信号作用下依次通过预定状态的时序逻辑电路。,1什么是计数器？,就常用的集成电路计数产品而言，可以对其定义如下：计数器：是一种对输入脉冲进行计数的时序逻辑电路，被计数的脉冲信号称作“计数脉冲”。,计数器在运行时，所经历的状态是周期性的，总是在有限个状态中循环，通常将一次循环所包含的状态总数称为计数器的“模”。,55,2计数器的种类,计数器的种类很多，通常有不同的分类方法。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,同步计数器,异步计数器,二进制计数器,十进制计数器,任意进制计数器,加法计数器,减法计数器,可逆计数器,56,3功能,第七章 中规模通用集成电路及其应用,一般具有计数、保存、清除、预置等功能。,4常用集成同步计数器,74161：四位二进制同步加法计数器,74191：单时钟四位二进制同步可逆计数器,74190：单时钟十进制同步可逆计数器,74193：双时钟四位二进制可逆计数器,74192：双时钟十进制同步可逆计数器,57,（1）74193的管脚排列图及逻辑符号,5.典型芯片-四位二进制同步可逆计数器74193,74193管脚排列图及逻辑符号分别如图(a)、(b)所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,58,（2）引脚功能,第七章 中规模通用集成电路及其应用,59,（3）功能表,表中，CLR为高电平，计数器清“0”；为低电平，计数器预置D、C、B、A输入值；计数脉冲由CPU 端输入时，累加计数；计数脉冲由CPD端输入时，累减计数。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,60,（4）使用74193可以构成任意进制的计数器,例7.12 使用74193构成模10的加法计数器。,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,当1010时，使QDQCQBQA清零。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,1010,当1010时，使QDQCQBQA置零。,61,第七章 中规模通用集成电路及其应用,1,&,0,0 0 0 0,&,方案1：,方案2：,思考：模10减法计数器。,62,第七章 中规模通用集成电路及其应用,例7.13 使用74193构成模12减法计数器。,0000,0001,0010,0011,0100,0111,1000,1001,解：设计数器的初始状态为QDQCQBQA=0000，变化序列如下：,0110,0101,1010,63,第七章 中规模通用集成电路及其应用,1 0 1 1,cp,1,0,&,64,第七章 中规模通用集成电路及其应用,使用计数器的进位输出或借位输出脉冲作为计数脉冲，将多个四位计数器进行级联，即可构成模大于16的计数器。,例如，将两片74193进行级联，即可构成一个模为256的减法计数器，亦可构成模为256的加法计数器。,1,CP,1,Q3 Q2 Q1 Q0,Q7 Q6 Q5 Q4,1,CP,1,1,1,Q3 Q2 Q1 Q0,Q7 Q6 Q5 Q4,65,例7.14 使用74193构成模（147）10加法计数器。,解：计数规律,147=(1001 0011)2,当D7D6D5D4D3D2D1D0=(10010011)2时，清0。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,66,第七章 中规模通用集成电路及其应用,当D7D6D5D4D3D2D1D0=(10010011)2时，置0。,1,D3 D2 D1 D0,D7 D6 D5 D4,1,CP,0 0 0 0,0 0 0 0,&,CLR=0,67,6.集成异步计数器,第七章 中规模通用集成电路及其应用,74290：二-五-十进制加法计数器,74293：双时钟二进制加法计数器,74290芯片的引脚及逻辑符号如下图：,68,第七章 中规模通用集成电路及其应用,（1）74290的功能表,异步清零,异步置9,计数,69,第七章 中规模通用集成电路及其应用,计数功能,模2计数器,模5计数器,模10计数器,70,（2）使用74290可以构成任意进制的计数器,例7.15 用集成异步计数器74290设计一个模8加法计数器。,当QDQCQB=100时，使QDQCQBQA清零。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,0000,0001,0010,0011,0111,0110,0100,0101,1000,71,寄存器：数字系统中用来存放数据或运算结果的一种常用逻辑部件。,功能：中规模集成电路寄存器除了具有接收数据、保存数据和传送数据等基本功能外，通常还具有左、右移位，串、并输入，串、并输出以及预置、清零等多种功能，属于多功能寄存器。,7.3.2 寄存器,第七章 中规模通用集成电路及其应用,数码寄存器（基本寄存器）,锁存器,移位寄存器,左移,右移,双向移位寄存器,72,第七章 中规模通用集成电路及其应用,1.左移移位寄存器,分析：（QDQCQBQA)=1011,需要在四个时钟脉冲下将1011输入。,QD QC QB QA DSL CP,0 0 0 0 1 1,0 0 0 1 0 2,0 0 1 0 1 3,0 1 0 1 1 4,1 0 1 1,73,第七章 中规模通用集成电路及其应用,同步时钟方程,CPD=CPC=CPB=CPA=CP,激励方程,DA=DSL，DB=QA，DC=QB，DD=QC,设计：,QD QC QB QA,cp,DSL,74,2.右移移位寄存器,DA=QB，DB=QC，DC=QD，DD=DSR,第七章 中规模通用集成电路及其应用,DSR,QD QC QB QA,cp,75,3.双向移位寄存器,第七章 中规模通用集成电路及其应用,将左移和右移结合在一起，用变量x进行控制。,当x=0，左移,DA=DSL，DB=QA，DC=QB，DD=QC,当x=1时，右移,DA=QB，DB=QC，DC=QD，DD=DSR,次态方程可写成：,76,（1）74194的管脚排列图和逻辑符号,74194共有10个输入，4个输出。,中规模集成电路寄存器的种类很多，例如，74194型是一种常用的4位双向移位寄存器。,4、典型芯片,第七章 中规模通用集成电路及其应用,77,（2）引脚功能,第七章 中规模通用集成电路及其应用,78,（3）功能表,从功能表可知，双向移位寄存器在S1S0和 的控制下可完成数据的并行输入（S1S0=11）、右移串行输入（S1S0=01），左移串行输入（S1S0=10）、保持（S1S0=00）和清除（=0）等五种功能。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,79,5.移位寄存器的应用,第七章 中规模通用集成电路及其应用,（1）串并转化,D3 D2 D1 D0,D3 D2 D1 D0,+5,cp,0,1,D,80,第七章 中规模通用集成电路及其应用,（2）数字彩灯控制器,振荡器,驱动电路,数字彩灯,振荡器：产生移位脉冲，推动程控信号发生器产生变化。,程控信号发生器输出的状态信号通过驱动电路控制彩灯闪烁。,如，Q=1，彩灯亮；Q=0，彩灯灭。,81,第七章 中规模通用集成电路及其应用,左移环形工作方式,0010,0100,1000,0000,0001,（a）S1S0=10,（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（Q3Q2Q1DSL）n,（d）画图,（c）DSL=Q3+Q2+Q2,82,第七章 中规模通用集成电路及其应用,右移环形工作方式,0100,0010,0001,0000,1000,（a）S1S0=01,（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（DSRQ4Q3Q2）n,（d）画图,（c）DSR=Q4+Q3+Q2,83,第七章 中规模通用集成电路及其应用,左移扭环工作方式,0011,0000,0001,（a）S1S0=10,（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（Q3Q2Q1DSL）n,（c）DSL=？,（d）画图,0111,1111,1110,1100,1000,84,第七章 中规模通用集成电路及其应用,右移扭环工作方式,1100,0000,1000,（a）S1S0=01,（b）（Q4Q3Q2Q1）n+1=（DSRQ4Q3Q2）n,（c）DSR=？,（d）画图,1110,1111,0111,0011,0001,85,第七章 中规模通用集成电路及其应用,单灯追逐工作方式,0010,0000,0001,0101,1010,左移,0100,0000,1000,1010,0101,右移,86,第七章 中规模通用集成电路及其应用,双灯追逐工作方式,0011,0000,0001,0110,左移,1100,1001,1100,0000,1000,0110,右移,0011,1001,87,例7.17 用一片74194和适当的逻辑门构成产生序列为01110100的序列发生器,第七章 中规模通用集成电路及其应用,（3）计数器和序列发生器等,解：序列信号发生器可由移位寄存器和反馈电路构成。其结构框图如下：,移位寄存器,反馈逻辑电路,序列输出,移位脉冲,88,假定序列发生器产生的序列周期为Tp，移位寄存器的级数为n，应满足2nTp。本例中Tp=8，故n3。选择n=3。,令QDQCQB的初态为100，从QB产生输出。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,89,7.4.1 集成定时器555及其应用,集成定时器555是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在一起的中规模集成电路。常用的集成定时器有5G555(TTL电路)和CC7555(CMOS电路)等。下面以5G555为例说明其功能和应用。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,7.4 常用中规模信号产生与变换电路,信号产生与变换电路常用于产生各种宽度、幅值的脉冲信号，对信号进行变换、整形以及完成模拟信号与数字信号之间的转换等。最常用的有555、AD、DA等中规模集成电路。,90,一、5G555的电路结构与逻辑功能,1电路结构,(1)结构图和管脚排列图,第七章 中规模通用集成电路及其应用,(2)组成,集成定时器5G555由电阻分压器、电压比较器、基本R-S触发器、放电三极管和输出缓冲器五部分组成。,91,25G555的逻辑功能,(1)外接控制电压时，5G555的逻辑功能,当CO端外接控制电压时，根据各部分电路的功能，可归纳出5G555的逻辑功能如下表所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,92,(2)不外接控制电压时，5G555的逻辑功能,当CO端不外接控制电压时，5G555的逻辑功能如下表所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,93,二、5G555的应用举例,由于5G555具有电源范围宽、定时精度高、使用方法灵活、带负载能力强等特点，所以它在脉冲信号产生、定时与整形等方面的应用非常广泛。,1用5G555构成多谐振荡器,多谐振荡器又称矩形波发生器，它有两个暂稳态，电路一旦起振，两个暂稳态就交替变化，输出矩形脉冲信号。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,94,95,96,97,98,矩形波振荡频率f的近似计算公式为,矩形波的占空比Q的近似计算公式为,第七章 中规模通用集成电路及其应用,99,2用5G555构成施密特触发器,(1)施密特触发器,施密特触发器是一种特殊的双稳态时序电路，与一般的双稳态触发器相比，它具有如下两个特点：,施密特触发器属于电平触发，对于缓慢变化的信号同样适用。只要输入信号电平达到相应的触发电平，输出信号就会发生突变，从一个稳态翻转到另一个稳态，并且稳态的维持依赖于外加触发输入信号。,对于正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平。这一特性称为滞后特性或回差特性。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,100,101,(2)5G555构成的施密特触发器,用5G555构成的施密特触发器原理图及其传输特性分别如图(a)、(b)所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,在图(a)中，将5G555的TH端和 端连接在一起作为信号输入端，OUT作为输出端，便构成了一个施密特反相器。,102,ui从0开始逐渐升高,第七章 中规模通用集成电路及其应用,103,由以上分析可知，该电路的回差电压为 UT=UT+-UT-=,第七章 中规模通用集成电路及其应用,ui从高于 逐渐下降,传输特性如图(b)中的 defa。,104,7.4.2 集成D/A转换器,数字系统只能处理数字信号。但在工业过程控制、智能化仪器仪表和数字通信等领域，数字系统处理的对象往往是模拟信号。例如，在生产过程控制中对温度、压力、流量等物理量进行控制时，经过传感器获取的电信号都是模拟信号。这些模拟信号必须变换成数字信号才能由数字系统加工、运算。另一方面，数字系统输出的数字信号，有时又必须变换成模拟信号才能去控制执行机构。因此，在实际应用中，必须解决模拟信号与数字信号之间的转换问题。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,105,D/A转换器：把数字信号转换成模拟信号的器件称为数/模转换器，简称D/A转换器或DAC(Digital to Analog Converter)；,A/D转换器：把模拟信号转换成数字信号的器件称为模/数转换器，简称A/D转换器或ADC(Analog to Digital Converter)。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,为了解决模拟信号与数字信号之间的转换问题，提供了如下两类器件：,106,107,图(a)给出了一个4位D/A转换器的示意框图，其转换特性曲线如图(b)所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,图中，设输出模拟量的满刻度值为Am，则当数字量为 0001，电路输出最小模拟量。推广到一般情况，n 位输入的D/A转换器所能转换输出的最小模拟量。,108,2主要参数,衡量D/A转换器性能的主要参数有分辨率、非线性度、绝对精度和建立时间。,(1)分辨率,由于分辨率决定于数字量的位数，所以有时也用输入数字量的位数表示，如分辨率为8位、10位等。,分辨率是指最小模拟量输出与最大模拟量输出之比。对于一个n位D/A转换器，其分辨率为 分辨率=,第七章 中规模通用集成电路及其应用,109,(2)非线性误差,具有理想转换特性的D/A转换器，每两个相邻数字量对应的模拟量之差都为 ALSB。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。,(3)绝对精度,绝对精度是指在输入端加对应满刻度数字量时，输出的实际值与理想值之差。一般该值应低于。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,建立时间是指从送入数字信号起，到输出模拟量达到稳定值止所需要的时间。它反映了电路的转换速度。,(4)建立时间,110,1按网络结构分类,根据电阻网络结构的不同，D/A转换器可分成权电阻网络D/A转换器、R-2R正梯形电阻网络D/A转换器和R-2R倒梯形电阻网络D/A转换器等几类。,2按电子开关分类,根据电子开关的不同,可分成CMOS电子开关D/A转换器和双极型电子开关D/A转换器。双极型电子开关比CMOS电子开关的开关速度高。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,二、D/A转换器的类型,目前，集成D/A转换器有很多类型和不同的分类方法。从电路结构来看，各类集成D/A转换器至少都包括电阻网络和电子开关两个基本组成部分。,111,3按输出模拟信号的类型分类,根据输出模拟信号的类型，D/A转换器可分为电流型和电压型两种。常用的D/A转换器大部分是电流型，当需要将模拟电流转换成模拟电压时，通常在输出端外加运算放大器。,随着集成电路技术的发展,D/A转换器在电路结构、性能等方面都有很大变化。从只能实现数字量到模拟电流转换的D/A转换器,发展到能与微处理器完全兼容、具有输入数据锁存功能的D/A转换器,进一步又出现了带有参考电压源和输出放大器的D/A转换器，大大提高了D/A转换器综合性能。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,112,三、典型芯片-集成D/A转换器DAC0832,DAC0832是用CMOS工艺制作的8位D/A转换器,采用20引脚双列直插式封装。,1主要性能,分辨率：8位；,转换时间：1s；,缓冲能力：双缓冲；,输出信号类型：电流型。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,常用的D/A转换器有8位、10位、12位、16位等种类，每种又有不同的型号。,113,2结构框图和管脚排列图,DAC0832的内部结构框图和管脚排列图分别如图(a)、图(b)所示。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,114,7.4.3 集成A/D转换器,通常，A/D转换的过程包括采样、保持和量化、编码两大步骤。,采样：是指周期地获取模拟信号的瞬时值，从而得到一系列时间上离散的脉冲采样值。,保持：是指在两次采样之间将前一次采样值保存下来，使其在量化编码期间不发生变化。,采样保持电路一般由采样模拟开关、保持电容和运算放大器等几个部分组成。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,115,经采样保持得到的信号值依然是模拟量，而不是数字量。任何一个数字量的大小，都是以某个最小数字量单位的整数倍来表示的。,量化：将采样保持电路输出的模拟电压转化为最小数字量单位整数倍的转化过程称为量化。所取的最小数量单位叫做量化单位，其大小等于数字量的最低有效位所代表的模拟电压大小，记作ULSB。,编码：把量化的结果用代码(如二进制数码、BCD码等)表示出来，称为编码。,A/D转换过程中的量化和编码是由A/D转换器实现的。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,116,一、A/D转换器的类型,A/D转换器的类型很多，根据转换方法的不同，最常用的A/D转换器有如下几种类型。,1并行比较型A/D转换器,并行比较型A/D转换器由电阻分压器、电压比较器、数码寄存器及编码器4个部分组成。优点：转换速度快。其转换时间只受电路传输延迟时间的限制，最快能达到低于20ns。缺点：随着输出二进制位数的增加,器件数目按几何级数增加。一个n位的转换器，需要2n-1个比较器。例如，n=8时，需要 28-1=255个比较器。因此，制造高分辨率的集成并行A/D转换器受到一定限制。适用于要求转换速度高、但分辨率较低的场合。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,117,2逐次比较型A/D转换器,逐次比较型A/D转换器是集成ADC芯片中使用最广泛的一种类型。它由电压比较器、逻辑控制器、D/A转换器及数码寄存器组成。特点：转换速度较快，且输出代码的位数多，精度高。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,3双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器是一种间接A/D转换器。由积分器、检零比较器、时钟控制门和计数器等几部分组成。工作原理：把输入的模拟电压转换成一个与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲进行计数，其结果就是正比于输入模拟信号的数字量输出。优点：精度高、抗干扰能力强；缺点:速度较慢.广泛用于对速度要求不高的数字化仪表。,118,二、A/D转换器的主要技术参数,1分辨率,分辨率是指输出数字量变化一个最小单位(最低位的变化)对应输入模拟量需要变化的量。输出位数越多，分辨率越高。通常以输出二进制码的位数表示分辨率。,2相对精度,相对精度是指实际转换值偏离理想特性的误差。通常以数字量最低位所代表的模拟输入值来衡量，如相对精度不超过。,第七章 中规模通用集成电路及其应用,3转换时间,转换时间是指A/D转换器从接到转换命令起到输出稳定的数字量为止所需要的时间。,119,三、集成A/D转换器典型芯片-ADC0809,常用的集成A/D转换器有8位、10位、12位、16位等，每种又可分为不同的型号。（详见教材相关内容）,第七章 中规模通用集成电路及其应用,120,