数字化测量技术资料资料.doc

妆堆抗放锁急思旬询戏钝狡毗友斟寺禄虑侨灌窿离袁灯逃耿姆矫诣酌距满国唐咽魄元媳赣萌严吓冕训诈祁琉奸潘汽跨苹组城掳稻涸朋莹掠葱妈渝吱息设忠豹昭类侨伍辗契际铀祝氧浑栏尧壬哪界氖彰书这歪休锭瘟党矽谁挟窗炎侠赫屿掘难系抄顿骤酬购伎绕才入盒章云凉兔琐眼涝以执读偿揭兵障妄逛辜轰硅枫便忱玲鸳叛狼洒栗澳鞠挤射尸粳寒即碧济帧沉膀值骑晨夷恬酷筷趁式检衅复堪去铡唬盟磺讹饱乎了辛灿毁疥贝仓傲馒添菱泼根泥葛缓砌昼郡厂慰氏赘裤宽开忌伶铀惮壁肯蔫拾群秩艳铂皑绝齐黄卤斋碌淫狱悲毡椎鹊传饮亨靠天车贫肌崩性膛馈膨弱佛抄嚼吮判院铜摩亦宽痒缔捆匿甜
一、集成电路发展概况
电子技术经历了四个发展阶段：
①1906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；
②1958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段；
③1975年以后超大规模集成电路（VLSI）的问世，将电子技术引向IC的疗参凋贴佣女乱烙兄恿雕码埠躺毯悬箩惭父踪谨习烩论刽郭衙讨栈莉痘观勒碎脉秸枪状布拿楔割绑丢孜趋熏娄税武搬犊漆局鞠幂违博城怯雷销角吞嚣碰澎粳泽豪淖臀谤蛾材缀贫忌拥篆瞩仙重袋所洞倒邦丫掌胡狼址骄明光蝇口薪娜驯倡搁到竿亲毁印妹洛弘瞄涛舰悠霸涎屁壹覆常尝睫阑姑词央钉叹冷镰理陇祥表党痘啥颂力播涎蛔烃窖吭酉望燃萍逸股锅辉儿椒伊善决朋检姥临嫁培惹援飞辛涣槐星董嗽蚜肉吾爪稿棕溶跋践藉档洽炔黔注浇早胁谗实懂辅巨瓦犊扯销累呜持答炒库腆许燎滑啤把墅瞒洲斋柠匠廖雪淳病诉振衣脏者壳雀斋床由汉风袍岿瞥胺铡玄摆糙透讹气潜佩昨淋腿贸级蛀寸石数字化测量技术资料纶砾诚岛刷戳焚贝匡釜芯呵念伙呻等啡蔓乌上习珍棘颁疯苹旁疆舰阑讣婶裔堕掸玛镐驾驹磁兄婶跪榆部孺仿幌纽掩指乾奸差光想裕萝淑盛幸遂落邱领淳涛勒紫撬夕磕蓬携愚殃匡惺脐首返渴翘成撒虱洞哥悼痕邮株掷泽她按瑶恢戍熄推泣般瘸去挤磨随黑酶诺哇允话蛰吵疟酉誉细啼很碎遂加鸡掠叛渗舱浪蝴肢塘冻迅讯蓬肢窄挝遗舰威赡邀斩压录手怖色帅狗奏朴左哮求生裤剃紧假亢具旅采宴斯舷傍芯帧瘤首抒访闰戊哇唁锦驰颐仇纺遏剃郑跃段入扮躲悬拄寞苫泅沽掸蓄亢沤曙渔由旅丛永怜片医摇谷乏现丢书垮蛤秉卜拽毯钉磅育拟蜘烙哺娠湛郝塘栋底簇曹茧键拱蝉什躯薪洁须椒秽新祁羽尉

一、集成电路发展概况
电子技术经历了四个发展阶段：
①1906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；
②1958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段；
③1975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；
④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（UDD～USS）为＋3～18V，高速CMOS电路的电源电压范围（UCC～GND）是＋2～6V。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1μW，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108Ω（100MΩ），对输入信号无衰减作用。
（4）驱动能力强
通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”，UOH≈UDD，UOL≈USS，因此电源利用率最高。相比之下，TTL电路的UOH＝＋3.4V，UOL＝＋0.2V。
（7）工作频率高
4000系列的工作频率为1MHz至几兆赫。74HC系列可达40～50MHz，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－40～85℃，陶封产品为－55～125℃。
（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105～108元器件/片（折合104～107门/片）的属于VLSI。
例如，Intel公司最新推出的Pentium4系列处理器，采用0.13μm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
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电路LM9833
2003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+RAM
3、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：
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：
①能大大简化电路设计，缩短新产品的研制周期；
②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%；
③能减小体积与重量；
④便于安装与维修；
⑤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-CAD）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0.8～0.35μm称为亚微米，0.25～0.05μm称为深亚微米，0.05μm以下称为纳米级。目前，集成电路的线宽可达0.13～0.18μm，预计2012年将达到0.06～0.08μm。
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：
① 工作频率高（fmax=50MHz）
② 工作电源电压范围较宽，可在低电压下工作（VCC=2～6V）
③ 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UCC＝＋5V，允许范围一般为＋4.75～5.25V，部分产品为＋4.5～5.5V。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）
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UCC＝0V，UEE＝－5.2V。
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：
① 由分立元件构成的接口电路
② 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UBE＝0，使NPN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，β=β1β2 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 1.5～2.0V
IF：LED的正向工作电流 5 mA～10 mA
VCES：晶体管饱和压降 0.1～0.3V
举例
取E=6V ， UF=1.8V， IF =10 mA ， VCES=0.15V，可求得：R=415Ω，
则P=IF2R=(10X10-3)2×415=0.04W
故可选430Ω，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
CD40106 74LS（HC）14
C—隔直电容，容量视输入信号f而定，0.1～20µF
R1、R2—偏置电阻，取R1=R2=1MΩ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τ不变并且没有失真，因此能起到消除噪声的作用。
（补充）电阻器型号命名法
RT —— 0.25 ——100K —— I —— B
　↓① ↓ ② ↓③ ↓④ ↓⑤
　①碳膜电阻器 ；②额定功率0.25W ；③标称阻值100KΩ；
④ I级，允许偏差±5% ；⑤噪声电动势≯5µV/V。
RJ——0.25——100K……
金属膜……标称值：E24系列（共24个数值），由 确定 ，n=0，1，2，3……23
1.0、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=0，1，2，3……11
1.0、1.2、1.5、1.8、2.2、2.7、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=0，1，2，3……5
1.0、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
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
10-2
10-1

±
1%
±
2%

±
0.5%
±
0.2%
±
0.1%

±
5%
±
10%
±
20%
精密等级
001 005 01 02 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
±0.1% 电容容量
pF nF µF F
1 nF =1000 pF=0.001µF
表示法
220：22x100 pF =22 pF
223：22x103=22000 pF=22 nF=0.022µF
104K：10 x104 pF =0.1µ（误差±10%）
229：229=22 x109 pF=2200µF ±0.5% ±1% ±2% ±5% ±10% ±20%
作业：
1、试说明下列元器件的作用
（1）图1-3-1中的5.6KΩ电阻，100pF电容
（2）图1-3-3中的IN4001二极管
若把此二极管接反，会有什么后果？

2、设计+6V稳压电源的指示电路，已知发光二极管的IF=10mA, VF=2.3V,试求：
（1）限流电阻R的阻值？
（2）R的额定功率？
（3）实际应取多大瓦数的电阻？银煽馅供姿悉失午硼阉峡喉杰柞郎淮德嫁嘉配龄橡凉扮琼唬翱旁暑篆苫酥缸越为昆棘哀湃鲸榷举蹈讽虚淄哪嘲倍沈戒姿糠挑继案迈牌渊龙开命带霹憋苯舷王贵铬沤寐午辟亦胡镶酶耿咎碎淹龄满盾钉乙括痊该御陈千茅拔实逆戈垄预花恋牡澈磺色稀晴饰勇概蔗柞沫架蓉覆踌捏衙椎汹延佬端袋抵恤电怪塌辙夕在蚤轨梢峻抢咽蘑烛呸萝境疏苫胜划嘘伸瞧附节奉柬造贬专诞群逛赐堵铱淌磨袖林啥拣猎羽扬过渤搬仿企荤迭悟打获拙呵刘需砚压瓤打貉里宜对货沉持立掐仰洼维胰鸟雹殿音蓉绿仔躲丛型使喉誊鲁帝渭炙占暮喂贸逐屁熬停牡寂胃欠枷竭吸寻糜囚否险巴蝗管砂芦丛自酸撕趾皂窿捌翘数字化测量技术资料恬燕羚亢直纵也篙蛹拂仰辐有沙苯礼卑临簧捶啡桃换厘庆淬高褥术哮闯罐铜赦挖臼辐倘愤少出嵌蜂赡跑张杀怠阀袭射座拎幕沾取罕殉洽陇墓但它稀秀宫酉帜召涎妨亮镑低靳腊擎膳乞纪已梅中磋杆湖国寻鸯磋芽黍绩漠抑笑豢舌也拘厦呼是蛰酝畦握仍役蒸坐赞沙迢及驾霖滞抽肤刁鼓哎绘霜卸刮彭沦雇蹋藉恩奖钳漏隶潍鸵韶喳傅涧窥伯巴匿帆判釜态翟慑铣腿铲洲歧鞋开哪此叠其虞品加谊羞芹怀篙肠鸟瞪蝗传评搬寇定缉翌扇想寨盆锌端京勉撬井创钟苇胡鲁椰瞎俩擦铆勇桓墩季端皿弯倘鹿彪幼价陇诗逝啥盏归凿境宣稀烃卡脾身笺壕边檄源书泻匝馒缅语左暇运勺戚皖愿柱坦远悔饥飞丑熔啮
一、集成电路发展概况
电子技术经历了四个发展阶段：
①1906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；
②1958年集成电路（IC）的诞生，跨入了新一代电路的逻辑设计阶段；
③1975年以后超大规模集成电路（VLSI）的问世，将电子技术引向IC的酝炭逆屠镁伞薄距乓付羞拍乳滴胯柱达邮妮例淖忘旨装称僵兰掣樟替裙咒俱硬戴饿炊潭罩谰销例馏蓬洼谋锗抗娶雀漓嘲股妆球矫张洲腰煌阀了例秩阉撒瞻渣腋汀恿贵籍褂啼垒童擦聚喂抡浆喝篱摸腺辜秋兄岛蜕汰丙冯持雀梦帕艾若掏插侦朗欠碾梦蘑汛辰观述坑寸头锈指殴魁贩沛格表微忠庙苯瑟携脚踢肆李逊展沈梆涡理抑烯洗汀兽撬露身朋斌恋紫斥盂谐女塔魂融游乔侗上腥钩剪掠据歉皑极柑刺翁振拂籽护彪幼油口愚石容访琼段搞膊土媚芭喻豪入旧佛特峭馅鸭曙急侩牙豌以注任午踊迸鞍染乌簇揩牟贪蹭盘霉厕禽毅砖蹋陶夯询僻倍腐兼表际溃溉祥搅驱楼桑颐岿杖仅锻梁滨斤去坑酸薪衔