数字化测量技术讲述.doc

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公司必威体育精装版推出的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5?位A/D转换器 中国台湾地区承永资讯科技公司必威体育精装版推出的ES51966、ES51999型4?位/5?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，