常用中大规模数字集成电路.ppt

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1、1,第十二章 常用中、大规模数字集成电路,主要内容,集成555定时器的应用。,数模(D A)和模数(AD)转换。,存储器。,CMOS集成电路广泛应用。,数字集成电路按照集成度分类,2,12-1 集成555定时器,电压比较器 C1和C1,用于脉冲波形产生与变换电路 广泛应用。,电阻分压器,一.集成555定时器的电路组成,基本RS触发器,放电三极管V,四部分组成,3,电阻分压器,电压比较器 C1和C2,将TH、TR输入端电压与UR1、UR2进行比较,使基本RS触发器置1或置0。,CO端外加控制电压：改变参考电压UR1、UR2的数值。,4,基本RS触发器,Q端即为定时器的输出端uo。,5,管脚6 T

2、H,管脚2 TR,管脚5 CO,管脚排列图,高电平触发端,低电平触发端,电压控制端,管脚7 D 放电端,管脚3 uO 输出端,管脚4 直接置零端,管脚8 UCC 电源端,管脚1 GND 接地端,6,集成555定时器功能表,7,二.应用电路举例,(一)单稳态触发器 基本脉冲单元电路。,第一.该电路只有一个稳态。如无外加触发信号，它将保持该稳态不变。,第三.暂稳态的持续时间由电路本身的参数确定，与外加触发信号无关。,第二.在外加触发信号作用下，电路会从稳态转换为暂稳态。然后经过确定的时间，电路将自动返回原来的稳态。,8,+,电路组成,9,TR端（2管脚）平时保持高电平。外加触发信号uI为负脉冲,使

3、定时器转入暂稳态。,工作原理,注意按照功能表了解工作原理。,10,(一)稳态 TR端是高电平,uI(13)UCC,比较器C2输出“1”。刚刚接通电源，UCC 通过R为C充电，当uC略高于(23)UCC时,即TH端电压(23)UCC,比较器C1输,11,出“0”,将基本RS触发器置0,Q=0,定时器输出uo是低电平。同时,Q=1，放电三极管V饱和导通，使电容放电，uC 0。比较器C1、C2输出均为“1”，定时器输出uo保持低电平稳态。,12,13,（二）暂稳态,TR端加入负脉冲，uI(13)UCC。因电容端电压不能突变，TH端电压仍为低电平(23)UCC。根据功能表,TH(UCC)23、TR(U

4、CC)13，定时器输出uo跳变为高电平，三极管V截止，电路进入暂稳态。,14,放电三极管V截止，电源通过R为C充电，uC按指数规律上升。当uC略大于(23)UCC时，根据功能表,定时器输出uO为低电平，三极管V饱和导通，使电容器C放电。电路自动返回稳态，并在输出端产生一正脉冲信号。,15,输出正脉冲信号的宽度（暂稳态持续时间）,TW=1.1RC,16,单稳态触发器的应用,定时作用,17,(二)多谐振荡器 矩形波信号发生器,不需要外加信号,就能够自行产生矩形脉冲信号。,18,工作原理 注意参阅功能表（表12-1）,该电路只有两个暂稳态。,第一个暂稳态 电容C的充电过程。,刚刚接通电源,电容C的初

5、始电压uc=0，使得TH、TR电位，输出uo为高电平，三极管V截止。,19,电容C经R1、R2充电，uc按指数规律上升。,第二个暂稳态 电容C的放电过程。,当电容充电到uc(TH和TR端电位)时,输出uo将跳变为低电平,三极管V饱和导通,电容C经R2和三极管V放电,uc按指数规律降低。当降低到uc,20,时，输出uo立即跳变为高电平，三极管V截止，电路返回第一个暂稳态。,电路重复以上过程，在输出端得到矩形脉冲波。,改变R1、R2和C的数值就可以得到不同频率、不同宽度的矩形脉冲波。,21,多谐振荡器应用举例,光电报警器,光电二极管无光照时，呈现高电阻，相当于断开，电路复位端（管脚4）经电阻R3接

6、地，相当于接低电平，定时器复位，电路停振，扬声器不发声。,当有光照时，光电二极管呈现极低电阻，电路复位端（管脚4）接通正电源+UCC，振荡器振荡，扬声器发声。,元件参数 电位器R1(050k)R2=1kC=0.06F,振荡频率 数百Hz至10kHz连续可调。,22,(三)施密特触发器,功能 将连续变化的电信号变换为矩形波。,用途 电压比较、脉冲鉴幅、信号整形等。,23,电路组成,uO,0.01F,TH和TR连在一起作为信号uI输入端,24,uI增加到,uI(23)Ucc,输出uo立即降为低电平。这是电路工作状态的第一次翻转，实现这一翻转的输入信号uI电平称为上限阈值电平U+,U+=(23)Uc

7、c,25,uI减小到,uI(13)Ucc,输出uo立即升为高电平。这是电路工作状态的第二次翻转，实现这一翻转的输入信号uI的电平称为下限阈值电平U-,U-=(13)Ucc,26,回差 施密特触发器工作状态的转换不仅与输入信号的电平有关,还与输入信号的变化方向有关。,回差电压,应用举例 整形与鉴幅作用。,27,12-2 数模和模数转换,为此，首先需要把工程实际产生的模拟信号转换为数字信号，送入数字系统和数字计算机。,28,大规模集成电路,最后，还需要把数字系统和数字计算机产生的数字信号转换为模拟信号，才能够实现对生产过程的检测与控制。,AD 与DA的应用方框图,29,DA转换原理,阶梯 数字量,

8、坡道 模拟量,模拟量(A)与数字量(D)之间有确定的对应关系,是可以相互转换的。,以过街天桥为例 一边是阶梯,一边是坡道。,阶梯和坡道能够表示同一物理量(高度),表明,模拟量与数字量之间的转换,30,A-D、D A转换存在转换误差。,数字量的位数越多(台阶数越多)转换误差越小。,31,一.数-模转换器(DA转换器-DAC),功能:将输入的数字信号转换成模拟信号。,DA转换器输入的是数字信号,输出的是与之成正比的模拟信号(模拟电压或模拟电流)。,（一）DA转换器的工作原理,数字信号 一组二进制数码,可以表示成按“权”的展开式 对应的十进制数。,例如二进制数码 1101(8-4-2-1BCD码),

9、二进制数码按“权”的展开式,32,将输入数字量的每一位二进制数码的1按照它们的“权”值转换成相应的模拟量，再将代表各位的模拟量相加。最后得到与输入数字量成正比的模拟量。,DA转换器的工作原理,DA转换器输出的模拟量与输入的数字量成正比。,DA转换器的电路就是按照上述工作原理组成的。,33,（二）DA转换器输出模拟电压与输入数字量之间 的对应关系,当输入N位二进制数码全0时，输出模拟电压是0V。,当输入N位二进制数码全1时，输出模拟电压是最大值（满刻度值）用UFSR表示。,输入N位二进制数码,共有 种组态，它可以把输出模拟电压分割成 个间隔(台阶)。一个间隔就是该DA转换器所能分辨出的最小模拟电

10、压。,34,以输入4位二进制数码为例,共有 种组态，,输出模拟电压满刻度值UFSR=5V。,则DA转换器能够分辨出的最小模拟电压是,形成15个间隔(台阶)。,35,四位数字量与模拟电压(05V)对应关系,36,四位数字量与模拟电压(05V)的对应关系表,37,(续上表),输出模拟电压满刻度值不变(仍是5V),则输入数字量的位数越多,DA转换器能分辨出的模拟电压能力就越强,转换精度就越高。,38,例如8位DA位转换器能够分辨出的最小模拟电压,(三)DA转换器的主要技术指标,1.分辨率,分辨率表示DA转换器分辨最小模拟电压的能力。,39,分辨率由输入数字量的二进制码的位数决定。,DA转换器的输出满

11、刻度电压值一定,输入数字量的二进制码的位数越多,分辨率越小,转换精度越高。,N位DA转换器的分辨率是,因此，分辨率可以直接用输入数字量二进制码的位数表示,如8位、10位DA转换器等。,40,2.转换误差,表示DA转换器输出电压的实际值与理论值之差。,用最低有效位对应的输出模拟电压ULSB的倍数表示。,例如某DA转换器的转换误差是(12)LSB,就表明其输出模拟电压的绝对误差等于ULSB2。,例如某8 位DA转换器的满刻度电压值UFSR=5V，转换误差是(12)LSB，转换误差的数值,3.转换时间,表示DA转换器的工作速度,该值越小，转换器工作速度越高，性能越好。,转换时间为s数量级,最短的仅为

12、0.1s。,41,（四）集成DA转换器举例(选讲),DAC 0832 CMOS单片集成电路,管脚排列图,IOUT1、IOUT2：模拟电流输出端,DI0DI0：8位数字量的输入端,Rf b：运放反馈信号输入端,UCC：电源输入端(UCC=15V),URFE：基准电源输入端。取值范围(-10+10V),DGND：数字部分接地端,AGND：模拟部分接地端,42,5个信号控制输入端,43,44,45,数据输入时序图,46,二.模-数转换器(AD转换器-ADC),(一)AD转换器的主要技术指标,1.分辨率,例如输入模拟电压的满量程值是5V，则8位AD转换器能够分辨出的最小模拟电压,用输出2进制码的位数表

13、示,AD转换器输出N位2进制码 个二进制数对输入模拟量进行量化。反映了转换器对输入模拟量的分辨能力。,将输入的模拟信号转换为数字信号。,47,输出数字量最低位变化一次,对应输入模拟量变化,例如：10位AD转换器能够分辨出的最小模拟电压,显然，AD转换器输出二进制数码位数越多，分辨率就越高,2.转换精度,表示AD转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的差值,转换精度用最低有效位LSB的倍数表示，例如相对精度1LSB。说明其相对精度不大于最低有效位的数值。,表明了该AD转换器所能分辨出的最小模拟电压。,0.01953V,48,（二）集成AD转换器举例,3.转换速度,完成一次AD转换所需要的时间。

14、,49,CLK和CLKR:时钟脉冲端,定时元件:R和C,振荡频率,UIN(+):UIN(-):被转换的信号自该二端加入,DB7DB0:8位数字信号输入端,50,12-3 存储器,存储二进制数码（表示信息,如程序、数据、表格、资料等）的逻辑部件称为存储器。,大规模集成电路 集成度高、容量大、体积小、功耗低。,分类：只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。,一.只读存储器(ROM),半导体存储器。,51,ROM用于存储固定的专用程序及表格等。,（一）ROM的基本结构,地址译码器 根据地址输入信号确定每一位二进制数码在存储矩阵中的位置，以便根据需要读出。,存储矩阵 存放二进制数码的地方。,输

15、出缓冲器 由三态门组成,以实现对输出的三态控制,并提高存储器的带负载能力。,52,存储矩阵,ROM原理电路 存储四个4位二进制码。,53,2线4线译码器,存储矩阵,54,存储矩阵,55,因为生产厂家已根据需要事先已将二极管接入相应存储单元,表示确定的信息,不能更改。因此使用时只能读出，不能写入。,（二）ROM的基本工作原理,56,57,存储内容,58,（三）可编程只读存储器（PROM）,（四）可擦除可编程只读存储器（EPROM）,产品举例 INTER 2716 EPROM 存储容量=20488,59,二.随机存取存储器(RAM),(一)RAM的基本结构,(一)RAM的基本结构 组成框图,60,RAM由以下三部分组成,第一部分 地址译码器,61,地址译码器工作原理,位于输出高电平的字选线X与位线Y的交叉点处的存储单元即被选中,并与读写控制电路接通,实现读或写操作。,62,第二部分 存储矩阵,在每一字选线与位线的交叉点处形成一个存储单元,存储矩阵就是由这些存储单元构成的整体。,第三部分 读写操作控制电路,63,(二)RAM存储单元,64,按照触发器所用器件的不同,RAM分为晶体管RAM和MOS管两种类型。前者读、写速度快、但集成度低；后者集成度高，在大容量存储器中广泛使用。,按照触发器工作方式的不同分为静态和动态两大类。,