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1、第第11章章 大规模集成电路大规模集成电路 本章介绍了模本章介绍了模数转换器（数转换器（A/D）、数）、数模转换器（模转换器（D/A）第第11章第章第1课课 在本次课中，在本次课中，我们将介绍数我们将介绍数模转换器、模转换器、模模数转换器。数转换器。一、模一、模数与数数与数模转换器的引入模转换器的引入模拟量模拟量 常见的非电物理量（如常见的非电物理量（如压力、温度、流量）等，压力、温度、流量）等，可以通过相应的传感器变可以通过相应的传感器变换为随时间连续变化的电换为随时间连续变化的电信号。称为信号。称为模拟量模拟量 模模数转换器数转换器 如果要将这些模拟量送到数字如果要将这些模拟量送到数字系统
2、中进行处理，必须先将这系统中进行处理，必须先将这些模拟量转换成数字量，实现些模拟量转换成数字量，实现这一功能的电路称为这一功能的电路称为模模数转数转换器换器。简称。简称ADC或或A/D转换器转换器 在生产实际中，往往还需要将经过数字系统分析处理后在生产实际中，往往还需要将经过数字系统分析处理后的结果（数字量）变换为相应的模拟量，实现这一功能的的结果（数字量）变换为相应的模拟量，实现这一功能的电路称为电路称为数数模转换器模转换器，简称，简称DAC或或D/A转换器转换器二、数二、数模转换器的基本原理模转换器的基本原理1、转换特性、转换特性 可以将数可以将数模转换器看成是模转换器看成是一个译码器，它
3、是将输入的二一个译码器，它是将输入的二进制数字信号进制数字信号D（或称为编码（或称为编码信号）转换（翻译）成模拟信信号）转换（翻译）成模拟信号，并以电压或电流的形式输号，并以电压或电流的形式输出（如右图）出（如右图）相邻两个编码信号转换出来相邻两个编码信号转换出来的数值是不连续的值，它们之的数值是不连续的值，它们之间的差值由最低码位所代表的间的差值由最低码位所代表的位权来确定。（右图为位权来确定。（右图为1/8满满值）值）上图上图 所示为所示为3位二进制输位二进制输入时的数入时的数模转换特性。模转换特性。它表示了它表示了3位二进制代码的位二进制代码的数字信号经过数数字信号经过数模转换模转换器后
4、的输出模拟（电压）器后的输出模拟（电压）信号的对应关系信号的对应关系 转换转换精度常用分辨率和精度常用分辨率和转换误转换误差来描述。差来描述。转换转换器所器所能分辨出的能分辨出的最小最小电压电压与最大与最大输输出出电压电压之比之比称称为为分辨率分辨率，n位位D/A转换转换器分辨率器分辨率为为1/（2n-1）。分辨率。分辨率为为D/A转换转换器的理器的理论论精度，其精度，其实际转换误实际转换误差差还还与其它与其它实际实际因素有关。因素有关。增加数字编码信号增加数字编码信号的位数，可以使相邻的位数，可以使相邻两个编码信号转换输两个编码信号转换输出的差值减小。出的差值减小。输入信号位数越多，输输入信
5、号位数越多，输出的模拟信号越接近连续出的模拟信号越接近连续的模拟信号，从而转换精的模拟信号，从而转换精度就越高度就越高分辨率分辨率=ULSB/UOMAX=1/（2n-1）记住我！实战：P416 11-1、2、3 转转换原换原理方理方框图框图如右如右 先将需要转换的数字信号以并行或串行的方式存贮在数字先将需要转换的数字信号以并行或串行的方式存贮在数字寄存器中，然后由寄存器并行输出的每一位数字信号驱动寄存器中，然后由寄存器并行输出的每一位数字信号驱动一个数字位模拟开关，又通过模拟开关将参考电压按位权一个数字位模拟开关，又通过模拟开关将参考电压按位权关系加到电阻解码网络，完成转换关系加到电阻解码网络
6、，完成转换2、转换原理、转换原理3、理、理论转换论转换公式公式 设设D/A系系统转换统转换比例系数比例系数为为1（大多数情况下均（大多数情况下均为为1）上式是上式是D/A转换器的通用计算公式，转换器的通用计算公式，式中，式中，UREF为为参考参考电电源；源；记住我！【例例1】已已知知一一个个4位位权权电电阻阻DAC输输入入的的4位位二二进进制制数数码码为为D3D2D1D0=1011，参参考考电电源源UREF=-8V，转换转换比例系数比例系数为为1。求。求转换转换后的模后的模拟拟信号信号电压电压UO。三、三、D/A转换器的芯片实例转换器的芯片实例 数数模模转换转换器集成芯片种器集成芯片种类较类较
7、多，下多，下面面简简要介要介绍绍十位倒十位倒T形形电电阻网阻网络络数数模模转换转换器器AD7520的功能的功能AD7520内部结构图倒T形电阻网络D/A电路结构 倒T形电阻网络D/A工作原理模拟开关Si由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si则将电阻2R接地。根据运算放大器线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均将连“地”（地或虚地）。这样，流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。分析R-2R电阻网络可以发现，从每个节点向左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数
8、倍递减。设由基准电压源提供的总电流为I(I=VREF/R)，则流入各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8和I/16。于是可得总电流 i =VREF/R(D0/24+D1/23+D2/22+D3/21)=VREF/(R24)(Di2i)故Uo=I *Rf=VREF/24(Di2i)i=0,1,2,3 右所示右所示为为十位数十位数模模转换转换器器AD7520的的管脚管脚图图由于由于AD7520内部反内部反馈馈电电阻阻RF=R，所以，左，所以，左图图的的转换转换关系如上关系如上 它采用它采用CMOS型模型模拟拟开关，内部没有运开关，内部没有运算放大器；算放大器；UDD为为CMOS开
9、关工作开关工作电电源，源，UREF为转换为转换器器的参考的参考电压电压，IOUT1、IOUT2分分别对应别对应外接外接运算放大器的反相端运算放大器的反相端及同相端及同相端 AD7520的典型接法如图的典型接法如图 四、模四、模数转换器的一般过程数转换器的一般过程 在模在模数转换器中，因为输入的模拟信号在时间数转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的量，而输出的数字信号是离散的，所上是连续的量，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的以进行转换时必须在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样，然后再将这些采样值转换为输出模拟信号采样，然后再将这些采样值转换为输出的数
10、字量的数字量 因此，一般模因此，一般模数转换器的转换过程需要经过采数转换器的转换过程需要经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成样、保持、量化、编码四个步骤才能完成 1、采样、采样 所所谓谓采采样样，是指将一个，是指将一个连连续变续变化的模化的模拟拟量量转换为时间转换为时间上离散的模上离散的模拟拟量。量。uI为输为输入模入模拟拟量，量，CPS为为采采样样脉脉冲，冲，uI*为为采采样样后的后的输输出信号。出信号。为为了了能能保保证证采采样样输输出出信信号号uI*能能恢恢复复成成原原信信号号，采采样样脉脉冲冲的的频频率率fS应应满满足（足（采采样样定理定理）fS=2fIM2、采样、采样保持电路保
11、持电路 每次将采每次将采样电压转换为样电压转换为相相应应的数字量都需要一定的的数字量都需要一定的时间时间，所以在每次采所以在每次采样样以后，必以后，必须须将将采采样电压样电压uI*保持保持（解释解释）一一段段时间时间。（a a）图中的）图中的N沟道沟道MOS管管TN作为采样开关用；作为采样开关用；C作为保持作为保持信号用，故称为保持电容；运算放大器用作缓冲放大器。信号用，故称为保持电容；运算放大器用作缓冲放大器。当采样脉冲当采样脉冲CPS到来，在到来，在tw时间内时间内TN管导通，运算放大器的管导通，运算放大器的输出输出uI*=uC=uI（解释解释）。当采样脉冲当采样脉冲CPS结束时，结束时，
12、MOS管截止。由于电容的作用，电管截止。由于电容的作用，电路将保持采样信号一定的时间，故（路将保持采样信号一定的时间，故（a a）图为采样）图为采样保持电路保持电路可类似分析（可类似分析（b b）图）图实际电路中常使用集成采样实际电路中常使用集成采样保持电路，它保持电路，它具有更好的性能。具有更好的性能。图图示电路是单片集成采样示电路是单片集成采样保持电路保持电路LF198LF198的的典型电路联接典型电路联接 3、量化和编码、量化和编码 在用数字量表示采在用数字量表示采样电压时样电压时，必，必须须将它化成将它化成这这个最小数量个最小数量单单位的整数倍，位的整数倍，这这个个转转化化过过程称程称
13、为为量化量化。所。所规规定的最小数定的最小数单单位称位称为为量化量化单单位位，用用表示。表示。将量化的数将量化的数值值用二用二进进制代制代码码表示，称表示，称为为编码编码4、电平量化的两种方式、电平量化的两种方式通常在划分量化等级时有两种方法通常在划分量化等级时有两种方法 只舍不入只舍不入法，其法，其量化量化单位单位为为 式中，式中，UIM为输为输入模入模拟拟信号的最大信号的最大值值，n为为输输出数字的位数出数字的位数 四舍五入四舍五入法，其法，其量化量化单位单位为为 式中，式中，UIM、n含含义义同上同上 记住我！实战：P417 11-6、7五、模五、模数转换器的类型数转换器的类型模模数转换
14、器一般分为两大类：直接法、间接法数转换器一般分为两大类：直接法、间接法 1、直接法、直接法 所谓直接法是指，模所谓直接法是指，模数数转换器将输入的模拟电压直转换器将输入的模拟电压直接转换为输出的数字量，而接转换为输出的数字量，而不需要经过中间变量。不需要经过中间变量。间接法工作速度低，但转换精度高，抗干扰能力强。常用间接法工作速度低，但转换精度高，抗干扰能力强。常用的有电压的有电压时间变换型和电压时间变换型和电压频率变换型两种频率变换型两种直接法工作速度快，调整方便。但转换精度一般比间接法低。直接法工作速度快，调整方便。但转换精度一般比间接法低。常用的有并联比较型和反馈比较型两种常用的有并联比
15、较型和反馈比较型两种2、间接法、间接法 所谓间接法是指，模所谓间接法是指，模数转换器数转换器将输入的模拟电压转换为中间变将输入的模拟电压转换为中间变量（一般是时间量（一般是时间T或者频率或者频率f）然）然后再将中间量转换为数字量后再将中间量转换为数字量在模在模数转换器中，数转换器中，也是用分辨率和转换也是用分辨率和转换误差来描述转换精度误差来描述转换精度2、模、模数转换器的转换精度及速度数转换器的转换精度及速度 模模数转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不数转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型的模同类型的模数的转换器速度相差很大。数的转换器速度相差很大。并联型模并联型模数转
16、换器的转换速度最高，数转换器的转换速度最高，8位输出单片集成模位输出单片集成模数转换器的转换时间一般不超过数转换器的转换时间一般不超过50ns。逐次逼近型模。逐次逼近型模数数的转换器次之，的转换器次之，8位输出单片集成模位输出单片集成模数转换器的转换时间数转换器的转换时间一般在一般在1050s之间。之间。间接型转换器的转换速度要低得多间接型转换器的转换速度要低得多分辨率以输出二进制或十进制数分辨率以输出二进制或十进制数字的位数来表示，它说明模字的位数来表示，它说明模数数转换器对输入信号的分辨能力转换器对输入信号的分辨能力 六、模六、模数转换器的实例数转换器的实例IN0IN7：八路模拟量输入端；
17、：八路模拟量输入端；A，B，C：八八路路模模拟拟量量输输入入选选择择控控制制端；端；ALE：地址锁存输入端，可加正脉冲；地址锁存输入端，可加正脉冲；D0D7：八路数字量输出端；：八路数字量输出端；EOC：转换结束输出端，高电平有效；转换结束输出端，高电平有效；EOUT：输出允许端，高电平有效；：输出允许端，高电平有效；START：转转换换启启动动信信号号输输入入端端，可可加加正脉冲；正脉冲；CP：外外部部时时钟钟输输入入端端，典典型型频频率率为为640kHz；UREF（-），UREF（+）：转转换换器器参参考考电源输入端；电源输入端；u ADC0809应用实例应用实例实实现现A/D转转换换的的
18、过过程程如如下：下：在在UL端端加加一一个个具具有有一一定定时间宽度的正脉冲时间宽度的正脉冲（解释解释）在在ALE端端加加一一个个正正脉脉冲冲，选择选择IN0进入进入A/D转换器转换器 延时一个时钟信号延时一个时钟信号在在START端端加加一一个个正正脉冲，启动脉冲，启动A/D转换器转换器反反复复查查询询EOC状状态态，直直到到EOC=1 令令 EOUT=1，读读 取取D0D7 第第11章第章第2课课 在本次课中，在本次课中，我们将介绍存储器、我们将介绍存储器、PLD等等大规模集成电路及其进行电子电路设计的大规模集成电路及其进行电子电路设计的一般方法。一般方法。谈到存储器，读者不免联想起触发器
19、和寄存器。谈到存储器，读者不免联想起触发器和寄存器。触发器具有两个稳定状态，可以存储一位二进制数。触发器具有两个稳定状态，可以存储一位二进制数。寄存器由触发器组成，寄存器由触发器组成，n位并行寄存器可存储位并行寄存器可存储n位二进位二进制数。制数。触发器、寄存器均具有存储功能，但它们不是存储器。触发器、寄存器均具有存储功能，但它们不是存储器。一、概述一、概述 还有一些设备人们也把它称为存储器，如硬盘、软盘、还有一些设备人们也把它称为存储器，如硬盘、软盘、光盘等。这些设备具有存储大量数据或信号的存储特光盘等。这些设备具有存储大量数据或信号的存储特点，但它的存储单元不属于电气部件，不可与电气设点，
20、但它的存储单元不属于电气部件，不可与电气设备直接联接，需要接口电路，因而不是备直接联接，需要接口电路，因而不是电工电子技电工电子技术术课程研究的内容。课程研究的内容。存储器是计算机的五大部件之一，是用于存储存储器是计算机的五大部件之一，是用于存储大量数大量数据或信号据或信号的的半导体器件半导体器件存储器应采用专门的电路结构，以满足大量数据存储存储器应采用专门的电路结构，以满足大量数据存储的要求的要求。从集成工艺的角度，存储器可分为从集成工艺的角度，存储器可分为MOS存储器和双存储器和双极型存储器。极型存储器。从读写方式的角度，存储器可分为只读存储器从读写方式的角度，存储器可分为只读存储器（RO
21、M）、随机存储器（）、随机存储器（RAM）。）。ROM从字面意思上看只可读，但现在的从字面意思上看只可读，但现在的ROM芯片芯片均可写，按信息的写入方式分为：均可写，按信息的写入方式分为：固定固定ROM：可编程可编程ROM（简称（简称PROM）可擦可编程可擦可编程ROM（简称（简称EPROM）可电改写可电改写ROM（简称（简称EEPROM）RAM可方便地读写数据，但当电源去掉后所存的信可方便地读写数据，但当电源去掉后所存的信息立即消失。目前常用的息立即消失。目前常用的RAM有有SRAM、DRAM。二、二、存储器的电路结构存储器的电路结构（1）存储矩阵（由存储矩阵（由基本存储单元（可存基本存储单
22、元（可存储储n位二进制数据）位二进制数据）构成的存储阵列）构成的存储阵列）对存储器的一次读只对存储器的一次读只能读出存储器所存储能读出存储器所存储的大量数据中的一个的大量数据中的一个数据。应通过地址译数据。应通过地址译码器选择对应的存储码器选择对应的存储单元。单元。将数据写入存储单元需要时间，读将数据写入存储单元需要时间，读出数据也需要一定的时间，可通过出数据也需要一定的时间，可通过输入输出缓冲器完成。输入输出缓冲器完成。存储器由存储矩阵、存储器由存储矩阵、地址译码器、地址译码器、I/O缓冲器构成。常用下面两个参数来描述存储器的存储容量常用下面两个参数来描述存储器的存储容量存储器的字数存储器的
23、字数通常把存储器的每个输出代码叫一个通常把存储器的每个输出代码叫一个“字字”。存储器。存储器所具有的地址线的根数所具有的地址线的根数m反映了存储器的字数。存储反映了存储器的字数。存储器的字数反映了存储器的存储单元的多少。器的字数反映了存储器的存储单元的多少。显然，具有显然，具有m根地址线的存储器的字数为根地址线的存储器的字数为2m。存储器的位数存储器的位数存储器每个输出存储器每个输出“字字”所具有的二进制位数称为存储器所具有的二进制位数称为存储器的位数。存储器所具有的数据线的根数的位数。存储器所具有的数据线的根数n反映了存储反映了存储器的位数器的位数上面两个参数常用上面两个参数常用“字数字数位
24、数位数”形式来表示。形式来表示。如如8位位8K存储器表示存储器的字数为存储器表示存储器的字数为8K，位数为，位数为8位，位，记为记为“8K8”。三、芯片实例三、芯片实例1、RAM2、ROM集成芯片集成芯片简简要要说说明如下：明如下：u具有具有11根地址根地址线线A10 A0、8根数据根数据线线D7 D0；u输输出使能控制端（当出使能控制端（当=0时时，存，存储单储单元内容允元内容允许输许输出）出）；u片片选选控制（当控制（当=0时时，芯，芯片工作）；片工作）；u专专用用设备设备擦除、擦除、专专用用设备设备写入写入四、四、存储器的扩展存储器的扩展 当使用一片当使用一片RAM器件不能满足对存储容量
25、的要求器件不能满足对存储容量的要求时，可以将若干片时，可以将若干片RAM组合起来，连接成一个容量组合起来，连接成一个容量更大的更大的RAM 如果每一片如果每一片RAM中的字数已经够用，而每个字的中的字数已经够用，而每个字的位数不够用时，可以采用位扩展法，将多片位数不够用时，可以采用位扩展法，将多片RAM组组合成位数更多的合成位数更多的RAM存储器存储器 当当使使用用一一片片RAM器器件件不不能能满满足足对对存存储储容容量量的的要要求求时时，可可以以将将若若干干片片RAM组组合合起起来来，连连接接成成一一个个容容量量更大的更大的RAM。【例例1】请请用用2114实实现现一一个个“1K16”的的存
26、存储储系系统统（解答解答）【例例2】请用请用2114实现一个实现一个“2K4”的存储系统（的存储系统（解答解答）继续学习继续学习下一个例题下一个例题五、用五、用 ROM实现组合逻辑函数实现组合逻辑函数 可用可用ROM实现组实现组合逻辑电路合逻辑电路有一个有一个44 ROM阵阵列的存储数据如右列的存储数据如右 这种方法称为采这种方法称为采用大规模器件设计用大规模器件设计组合逻辑电路。组合逻辑电路。将地址将地址单单元用地址元用地址线线A1A0表示，可得到如上表所表示，可得到如上表所示的真示的真值值表。表。如果将地址端如果将地址端A1、A0作作为输为输入入变变量，将量，将D3、D2、D1、D0作作为
27、输为输出出变变量，上表量，上表对应对应四个两四个两变变量的量的逻逻辑辑函数。函数。可通过修改存储器内容实现任意的两变量函数。可通过修改存储器内容实现任意的两变量函数。【例例3】请用请用44 ROM阵列实现下面的函数。阵列实现下面的函数。44 ROM有两个地址有两个地址输输入端入端A1、A0和四个数据和四个数据输输出端出端D3D0，可令：可令：A=A1、B=A0、Y3=D3、Y2=D2、Y1=D1、Y0=D0 将将“0100”、“1010”、“1010”、“0011”四个数据写四个数据写入入ROM的前四个单元即可的前四个单元即可 可通过可通过几个例题几个例题来理解用大规模器件设计组合逻辑电路的方
28、法来理解用大规模器件设计组合逻辑电路的方法 六、其它类型可编程逻辑器件六、其它类型可编程逻辑器件1、可编程逻辑器件的引入、可编程逻辑器件的引入 如果从逻辑功能的特点上将数字集成电路分类，则可以分为如果从逻辑功能的特点上将数字集成电路分类，则可以分为通用型和专用型两类。通用型和专用型两类。中、小规模器件均为通用型数字集成电路，可组成各种复杂中、小规模器件均为通用型数字集成电路，可组成各种复杂的数字系统。的数字系统。可以将自己设计的数字系统做成一片大规模集成电路，这种可以将自己设计的数字系统做成一片大规模集成电路，这种为某种专门用途设计的集成电路叫做专用集成电路。为某种专门用途设计的集成电路叫做专
29、用集成电路。将会大幅提高成本，延长设计、生产周期，产生一个很大的将会大幅提高成本，延长设计、生产周期，产生一个很大的矛盾，在很大程度上限制了它的应用矛盾，在很大程度上限制了它的应用 可编程逻辑器件（简称可编程逻辑器件（简称PLD）是上个世纪）是上个世纪80年代蓬勃发展起年代蓬勃发展起来的数字集成电路，用户可根据实际应用需要，按某种规定方来的数字集成电路，用户可根据实际应用需要，按某种规定方式改变式改变PLD器件内部的结构，从而获得所需要的逻辑功能。器件内部的结构，从而获得所需要的逻辑功能。显然，显然，PROM、EPROM均是一种可编程逻辑器件均是一种可编程逻辑器件 PLD器件有多种类型，除前面
30、介绍的器件有多种类型，除前面介绍的PROM、EPROM外，外，常用的常用的PLD产品主要有：产品主要有：FPLA（现场可编程逻辑阵列）、（现场可编程逻辑阵列）、PAL（可编程阵列逻辑）、（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）、（通用阵列逻辑）、FPGA（现场可编程门阵列）及（现场可编程门阵列）及EPLD（可擦除的可编程逻辑器件）等。（可擦除的可编程逻辑器件）等。其中其中FPGA和和EPLD的集成度比较高，有时又把这两种器的集成度比较高，有时又把这两种器件称为高密度件称为高密度PLD。伴随着伴随着PLD的发展，其设计手段的自动化程度也日益提高，的发展，其设计手段的自动化程度也日益提高，新一代
31、的在系统可编程（新一代的在系统可编程（ISP）器件的编程就更加简单，只须）器件的编程就更加简单，只须将计算机运行产生的编程数据直接写入将计算机运行产生的编程数据直接写入PLD即可。即可。黑点黑点“”表示该点为固定联表示该点为固定联接点，出厂时已做好，用接点，出厂时已做好，用户不能修改；叉点户不能修改；叉点“”表示表示该点为用户编程点，芯片该点为用户编程点，芯片出厂时该点也是接通的，出厂时该点也是接通的，用户可根据需要继续保持用户可根据需要继续保持接通或将其断开；既无黑接通或将其断开；既无黑点点“”也无叉点也无叉点“”表示该表示该点是断开的点是断开的2、PLD电路中门电路的惯用画法电路中门电路的
32、惯用画法图中，（图中，（a）图表示）图表示Y=AC，（，（b）图表示）图表示Y=A+B，（c）图是互补输出的缓冲器）图是互补输出的缓冲器 3、PLD实例实例由一个与逻辑阵列、一个或逻辑阵列和输出缓冲器组成由一个与逻辑阵列、一个或逻辑阵列和输出缓冲器组成 图图示示FPLA由一个与逻辑阵列、一个或逻辑阵列和由一个与逻辑阵列、一个或逻辑阵列和输出缓冲器组成，与输出缓冲器组成，与ROM结构相似，但编程方式更结构相似，但编程方式更灵活灵活可通过可通过一个例子一个例子来理解来理解 通过上面的例题，我们看到，利用通过上面的例题，我们看到，利用FPLA设计组合设计组合电路，较用电路，较用EPROM设计组合电路更为方便设计组合电路更为方便