任務5.1數/模轉換器(D/A轉換器)

任務5.2模/數轉換器(A/D轉換器)

任務5.3半導體存儲器

任務5.4數字電壓表的設計

任務5.1數/模轉換器(D/A轉換器)5.1.1概述數/模轉換器是將數字量轉換為相應的模擬電量(電流或電壓)的轉換電路,也稱D/A轉換器,簡稱DAC。模/數轉換器則是將模擬電量轉換為數字量,也稱A/D轉換器,簡稱ADC。數/模轉換器和模/數轉換器是模擬系統和數字系統的接口電路。無論是工業生產過程控制,還是辦公室文書文檔的管理、企業管理,乃至通信、生物工程、醫療、家用電器等各方面,大量的處理都是借助于數字計算機來完成的。計算機只能接收和處理數字信號,也只能輸出數字信號,而上述工作中要處理的很多都是模擬量。在用計算機處理之前,必須把這些模擬量(如工業過程中的溫度、壓力、流量,或通信系統中的語言、圖像、文字等物理量)轉換成數字量,才能進行處理;而計算機處理后的數字量也必須再還原成相應的模擬量,才能實現對模擬系統的控制。數字音像信號如果不還原成模擬音像信號就不能被人們的視覺和聽覺系統所接收。因此,數/模轉換器和模/數轉換器是數字電子技術中的重要組成部分。D/A轉換器的種類很多,常用的有倒T型電阻網絡D/A轉換器和權電流型D/A轉換器。5.1.2R2R倒T型電阻網絡D/A轉換器1.電路結構圖51所示為一個4位的R2R倒T型電阻網絡D/A轉換器原理圖。它主要由電阻網絡、電子模擬開關和求和運算放大器三部分組成。R2R倒T型電阻網絡D/A轉換電路的核心是求和運算放大器,求和運算放大器構成一個電流電壓變換器,將流過各2R支路的電流相加,并轉換成與輸入數字量成正比的模擬電壓輸出。2.工作原理在R2R倒T型電阻網絡D/A轉換電路中,各位電子模擬開關S在輸入的數字量D=1時,合向位置1,將相應的2R支路連接到求和運算放大器的虛地端;在D=0時,合向位置0,將相應的2R支路連接到地。因此,各2R支路的上端都等效為接地,所以無論開關的狀態如何,各支路的電流大小不變,開關的狀態僅僅決定電流是流向求和運算放大器的虛地端還是流向地端。由圖51還可以看出,從電路的A、B、C節點向左看去,各節點對地的等效電阻均為2R,故基準電壓VREF輸出的電流恒為I=VREF/R,并且每經過一個2R電阻,電流就被分流一半,因此從輸入數字信號的高位到低位,流過4個2R電阻的電流分別為I3=I/2,I2=I3/2=I/4,I1=I2/2=I/8,I0=I1/2=I/16。所以流入求和運算放大器反相端的電流為因此反相求和運算電路的輸出電壓為可見,輸出模擬電壓正比于數字量的輸入。

推廣到n位,D/A轉換器的輸出為由式(53)可看出:輸出模擬電壓uO與輸入數字量成正比,從而實現了D/A轉換。由于倒T型電阻網絡D/A轉換器中各支路的電流恒定不變,直接流入運算放大器的反相輸入端,它們之間不存在傳輸時間差,因而提高了轉換速度,所以,倒T型電阻網絡D/A轉換器的應用非常廣泛。5.1.3權電流型D/A轉換器在R2R倒T型電阻網絡D/A轉換器中,各支路電流的值會受到電子開關導通電阻的影響,不可避免會產生一些誤差。

如果各支路電流采用恒流源,由于電流源的電流恒定,幾乎與電子開關導通電阻的大小無關,這樣可以提高轉換的精度。1.電路結構圖52所示為4位權電流型D/A轉換器。

它由權電流恒流源、運算放大器和電子模擬開關等組成。

電子模擬開關的狀態由外部輸入數據D控制,當D=1時,開關S合向1,恒流源連接到運算放大器的反相輸入端;當D=0時,恒流源接地。2.工作原理設電子開關S0~S3都接1,由圖52可得輸出模擬電壓uO為由式(54)可看出:輸出模擬電壓uO與輸入數字量成正比,從而實現了D/A轉換。5.1.4D/A轉換器的主要參數1.分辨率分辨率是說明D/A轉換器輸出最小電壓的能力。

它是指D/A轉換器模擬輸出所產生的最小輸出電壓ULSB(對應的輸入數字量僅最低位為1)與最大輸出電壓UFSR(對應的輸入數字量各有效位全為1)之比,即其中,n表示輸入數字量的位數。

可見,分辨率與D/A轉換器的位數有關,位數n越大,能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小,即分辨最小輸出電壓的能力也就越強。2.轉換精度轉換精度是指D/A轉換器實際輸出的模擬電壓值與理論輸出模擬電壓值之間的最大誤差。

顯然,這個差值越小,電路的轉換精度越高。

但轉換精度是一個綜合指標,包括零點誤差、增益誤差等,不僅與D/A轉換器中元件參數的精度有關,還與環境溫度、求和運算放大器的溫度漂移以及轉換器的位數有關。

故而要獲得較高精度的D/A轉換結果,一定要正確選用合適的D/A轉換器的位數,同時還要選用低漂移高精度的求和運算放大器。一般情況下要求D/A轉換器的誤差小于ULSB/2。3.轉換時間轉換時間是指D/A轉換器從輸入數字信號開始到輸出模擬電壓或電流達到穩定值時所用的時間。

它是反映D/A轉換器工作速度的指標。

轉換時間越小,工作速度就越高。任務5.2模/數轉換器(A/D轉換器)5.2.1A/D轉換器的基本原理A/D轉換器是模擬系統到數字系統的接口電路。A/D轉換器在進行轉換期間,要求輸入的模擬電壓保持不變,但在A/D轉換器中,因為輸入的模擬信號在時間上是連續的,而輸出的數字信號是離散的,所以進行轉換時只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號進行采樣,然后再把這些采樣值轉化為輸出的數字量,一般來說,A/D轉換過程分為采樣

保持和量化與編碼兩步完成。1.采樣

保持采樣是周期性地獲取模擬信號樣值的過程,即將時間上連續變化的模擬信號轉換為時間上離散、幅度上等于采樣時間內模擬信號大小的模擬信號,即將連續信號轉換為一系列等間隔的脈沖。

采樣電路實質上是一個受采樣脈沖控制的電子開關,如圖53(a)所示,其工作波形如圖53(b)所示。

圖中,ui為模擬輸入信號;us為采樣脈沖;uo為采樣后的輸出信號。在采樣脈沖us有效期(高電平tW期間)內,采樣開關S閉合接通,使輸出電壓等于輸入電壓,即uo=ui;在采樣脈沖us無效期(低電平Ts-tW期間)內,采樣開關S斷開,使輸出電壓等于0,即uo=0。

因此,每經過一個采樣周期,在輸出端便得到輸入信號的一個采樣值。

當us按照一定頻率fS變化時,輸入的模擬信號就被采樣為一系列的樣值脈沖。

當然采樣頻率fS越高,在時間一定的情況下采樣到的樣值脈沖越多,因此輸出脈沖的包絡線就越接近于輸入的模擬信號。為了能不失真地恢復原模擬信號,采樣頻率fS應不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率f1max

的兩倍,這就是采樣定理,即A/D轉換器把采樣信號轉換成數字信號需要一定的時間,所以在每次采樣結束后都需要將這個斷續的脈沖信號保持一定時間以便進行轉換。

圖54(a)所示是一種常見的采樣

保持電路,它由采樣開關、保持電容和緩沖放大器組成。在圖54(a)中,利用場效應管V做采樣開關。

在采樣脈沖us為高電平的tW期間,開關V接通,輸入模擬信號ui向電容C充電,由于C很小,充電很快,使電容C上的電壓uC跟隨ui變化,即在tW期間,uC=ui。

在采樣脈沖us為低電平,即Ts-tW期間,開關V斷開,因電容的漏電很小且運算放大器的輸入阻抗又很高,所以電容C上的電壓可保持到下一個采樣脈沖到來為止。

運算放大器構成電壓跟隨器,具有緩沖作用,以減小負載對保持電容的影響。

在輸入一連串采樣脈沖后,輸出電壓uo波形如圖54(b)所示。2.量化與編碼輸入的模擬信號經采樣

保持電路后,得到的是階梯形模擬信號,它們是連續模擬信號在給定時刻上的瞬時值,但仍然不是數字信號。

必須進一步將階梯形模擬信號的幅度等分成n級,并給每級規定一個基準電平值,然后將階梯電平分別歸并到最鄰近的基準電平上。

數字量最小單位所對應的最小量值叫作量化單位Δ。

將采樣

保持電路的輸出電壓歸化為量化單位Δ的整數倍的過程叫作量化。

用二進制代碼來表示各個量化電平的過程,叫作編碼。

對采樣值進行表示時,使用的比特數越多,表示就越精確。為了方便理解,圖55用4個電平對模擬波形進行量化。

這里需要使用兩個比特,每個量化電平在縱軸上表示為一個2比特的編碼,每個取樣間隔都在橫軸上標明。

使用4個量化電平(2比特)進行量化編碼后的波形如圖55(b)所示。

圖中原始的模擬波形作為參考。

很容易看出,只用兩個比特表示采樣值時,量化誤差大。圖56顯示了對相同波形使用16個量化電平(4比特)的情形。

使用16個量化電平(4比特)進行量化編碼后的波形如圖56(b)所示。

很容易看出,與圖55(b)中僅使用4個量化電平的情況相比,使用16個量化電平所得到的結果更接近于原始波形。

這表明量化比特數越多,精度越高。目前A/D轉換器的種類雖然很多,但從轉換過程來看,可以歸結成兩大類:一類是直接A/D轉換器,另一類是間接A/D轉換器。

在直接A/D轉換器中,輸入模擬信號不需要中間變量就直接被轉換成相應的數字信號輸出,如逐次逼近型A/D轉換器和并聯比較型A/D轉換器等,其特點是工作速度高,轉換精度容易保證,調準也比較方便。

而在間接A/D轉換器中,輸入模擬信號先被轉換成某種中間變量(如時間、頻率等),再將中間變量轉換為最后的數字量,如單次積分型A/D轉換器、雙積分型A/D轉換器等,其特點是工作速度較低,但轉換精度可以做得較高,且抗干擾性能強,一般在測試儀表中用得較多。下面以最常用的兩種A/D轉換器(并聯比較型A/D轉換器、雙積分型A/D轉換器)為例,介紹A/D轉換器的基本工作原理。5.2.2并聯比較型A/D轉換器圖57所示為一個3位并聯比較型A/D轉換器的原理圖。

它由基準電壓、電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和代碼轉換器組成。

其中電阻分壓器把基準電壓按量化電平劃分,各個不同等級的量化電平分別加在相應比較器的反相輸入端,作為比較器C1~C7的參考電壓,輸入模擬電壓同時加到各比較器的同相輸入端,根據輸入電壓ui的大小,各比較器輸出的狀態不同,它們經寄存器送到代碼轉換電路,完成二進制編碼,輸出3位二進制數,從而實現了模擬量到數字量的轉換。

表51是3位并聯比較型A/D轉換器的真值表。并聯比較型A/D轉換器的轉換速度極快,是各種A/D轉換器中速度最快的一種,但它的電路復雜,所用比較器和觸發器數量多,所以這種A/D轉換器成本高、價格貴,一般場合較少使用,多用于要求轉換速度很高的情況。5.2.3雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器是一種電壓—時間變換型ADC。

它的轉換原理是把輸入電壓先轉換成與之成正比的時間間隔Δt,然后利用計數器在Δt時間內對一已知的恒定頻率fc的脈沖進行計數。

可以看出當fc為定值時,計數值N與Δt成正比,從而把輸入電壓轉換成與之成正比的數字量。圖58是雙積分型A/D轉換器原理圖,它由積分器、比較器、時鐘控制門G、n位二進制計數器和定時器組成。雙積分型A/D轉換器在一次轉換過程中要進行兩次積分。

第一次積分器對模擬輸入電壓+ui進行定時積分,第二次積分器對恒定基準電壓-UREF進行定值積分,二者具有不同的斜率,故稱為雙斜積分(簡稱為雙積分)型A/D轉換器。首先控制信號提供清零脈沖CR,n位二進制計數器和定時器清零。S2瞬間閉合,積分電容放電。第二次積分稱為比較積分,積分器對基準電壓-UREF進行反向積分,計數器從0開始重新計數。

由于在采樣結束時,電容已充有電壓uO1,所以此時積分器輸出電壓為也就是說,積分器輸出電壓從UO1開始按直線規律增加,如圖59所示。

當積分電壓上升至零時,對應的時刻為t2,比較階段結束,計數器停止計數。

此時式(58)為若令比較階段的時間間隔為Δt,即Δt=t2-t1。

由式(57)和式(59)可得由此可見,比較階段的時間間隔Δt正比于輸入模擬電壓ui,而與積分的時間常數RC無關。

圖59中虛線表示了不同ui時的Δt。第二次積分結束時,計數器的數值為為雙積分型A/D轉換器的轉換結果。雙積分型A/D轉換器具有極強的抗50Hz工頻干擾的優點,但它的轉換速度較慢,完成一次A/D轉換一般需幾十毫秒以上。

較慢的轉換速度對數字測量儀表來說一般無關緊要,因為儀表的精度是關鍵,而速度一般不要求很快。

可是在自動化設備中(如巡回檢測、數字遙測等),一個A/D轉換器需對多路模擬信號進行轉換,如果一次A/D轉換需幾十到幾百毫秒,則太費時,這是雙積分型A/D轉換器的美中不足之處。5.2.4A/D轉換器的主要參數1.分辨率分辨率是指A/D轉換器輸出數字量的最低位(LSB)變化一個數碼時,對應輸入模擬電壓的變化量,它是衡量A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。

分辨率也可用A/D轉換器的位數表示,位數越多,能分辨的最小模擬電壓值就越小,分辨能力也越高。

例如:最大輸出電壓為5V的10位A/D轉換器的分辨率為而同樣輸出電壓的8位A/D轉換器的分辨率為2.轉換精度轉換精度是指A/D轉換器實際輸出數字量與理論輸出數字量之間的最大差值,通常用最低有效位LSB的倍數來表示。

3.轉換時間轉換時間是指A/D轉換器完成一次轉換所需要的時間,即從轉換開始到輸出端出現穩定的數字信號所需要的時間。

轉換時間越短意味著A/D轉換器的轉換速度越快。

并聯比較型A/D轉換器速度最高,為數十納秒;雙積分型A/D轉換器速度最慢,為數十毫秒。5.2.5集成A/D轉換器及其應用ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模/數轉換的器件。

其內部有一個8通道多路開關,可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號,只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。1.主要特性(1)8路8位A/D轉換器,即分辨率8位。(2)具有轉換起停控制端。(3)轉換時間為100μs。(4)單個+5V電源供電。(5)模擬輸入電壓范圍為0~+5V,不需零點和滿刻度校準。(6)工作溫度范圍為-40~+85℃。(7)低功耗,約15mW。2.外部特性(引腳功能)ADC0809芯片有28個引腳,采用雙列直插式封裝,如圖510所示。

下面說明各引腳功能。VCC:電源端,+5V。GND:接地端。IN0~IN7:8路模擬量輸入端。D0~D7:8位數字量輸出端。A0、A1、A2:3位地址輸入端,用于選通8路模擬輸入IN0~IN7中的一路。ALE:地址鎖存允許信號,輸入高電平有效。START:A/D轉換啟動脈沖輸入端,輸入一個正脈沖(至少100ns寬)使其啟動(脈沖上升沿使ADC0809復位,下降沿啟動A/D轉換)。EOC:A/D轉換結束信號,當A/D轉換結束時,此端輸出一個高電平(轉換期間一直為低電平)。OE:數據輸出允許信號,輸入高電平有效。

當A/D轉換結束時,此端輸入一個高電平才能打開輸出三態門,輸出數字量。CLOCK:時鐘脈沖輸入端。

要求時鐘頻率不高于640kHz。UREF(+)、UREF(-):基準電壓,一般直接接供電電源。3.ADC0809的工作原理首先,輸入3位地址并使ALE=1,將地址存入地址鎖存器中。

此地址經譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位,下降沿啟動A/D轉換之后,EOC輸出信號變低,指示轉換正在進行。

直到A/D轉換完成,EOC變為高電平,指示A/D轉換結束,結果數據已存入鎖存器,這個信號可用作中斷申請。

當OE輸入高電平時,輸出三態門打開,轉換結果的數字量輸出到數據總線上。任務5.3半導體存儲器半導體存儲器以其存儲容量大、體積小、功耗低、存取速度快、使用壽命長等特點,已廣泛應用于數字系統。

根據用途不同,存儲器分為兩大類。

一類是只讀存儲器ROM,用于存放永久性的、不變的數據,如常數、表格、程序等,這種存儲器在斷電后數據不會丟失。

像計算機中的自檢程序、初始化程序便是固化在ROM中的,在計算機接通電源后,首先運行它,對計算機硬件系統進行自檢和初始化,自檢通過后,裝入操作系統,計算機才能正常工作。另一類是隨機存取存儲器RAM,用于存放一些臨時性的數據或中間結果,需要經常改變存儲內容。

這種存儲器斷電后,數據將全部丟失。

如計算機中的內存,就是這一類存儲器。ROM和RAM同是用于存儲數據,但性能不同,兩者的結構也完全不同。ROM主要由與陣列、或陣列和輸入、輸出緩沖級等電路構成,它是一種大規模的組合邏輯電路;而RAM是由譯碼器、存儲器和讀/寫控制電路組成的,它屬于大規模時序邏輯電路。5.3.1只讀存儲器(ROM)只讀存儲器用于存放固定不變的信息,它在正常工作時,只能按給定地址讀出信息,而不能寫入信息,故稱為只讀存儲器,簡稱ROM。ROM的優點是存儲信息可靠,不會丟失,即使斷電,數據也不會丟失。1.掩膜只讀存儲器掩膜只讀存儲器,又稱固定ROM,這種ROM在制造時,生產廠家利用掩膜技術把信息寫入存儲器中,使用時用戶無法更改。

掩膜只讀存儲器的缺點是信息寫入必須由芯片制造商完成,因此當生產批量小時,成本高;不能更新存儲器的內容,要更新只能換新的ROM。

掩膜只讀存儲器可分為二極管ROM、雙極型三極管ROM和MOS管ROM三種類型。

下面主要以二極管掩膜只讀存儲器為例介紹ROM的結構和工作原理。2)讀數讀數主要是根據地址碼將指定存儲單元中的數據讀出來。

例如,當地址碼A1A0=00時,只有字線W0為高電平,其他字線均為低電平,故只有與字線W0相連接的2個二極管導通,此時,輸出D3D2D1D0=0101;同理可知,當A1A0=01、10、11時,輸出D3D2D1D0依次為0010、1011和1101。

由此可知,所謂存儲信息1,就是指在字線和位線的交叉處接有二極管。

所謂存儲信息0,就是指在字線和位線的交叉處沒有二極管。

所以字線與位線的交叉點稱為存儲單元。

讀取信息時,字線為高電平,與之相連的二極管導通,對應的位線輸出高電平1,沒有二極管的位線輸出低電平0。

圖512可用圖513的簡化陣列圖來表示,字線和位線交叉處的圓點“·”代表二極管(或MOS管、雙極型三極管),表示存儲1,沒有圓點的表示存儲0。交叉點的數目,即存儲器中存儲單元的數量,稱為存儲容量。

常用存儲單元的數量表示存儲器的容量,寫成“字數×位數”=存儲容量,對于圖512來說,其存儲容量為4×4。2.可編程只讀存儲器(PROM)用戶可直接寫入信息的只讀存儲器,稱為可編程只讀存儲器,簡稱PROM,其使用更加靈活方便,通用性更強,能較好地滿足電子技術發展的需要。

向芯片寫入信息的過程稱為對存儲器芯片編程。PROM是在掩膜只讀存儲器的基礎上發展來的,其存儲單元的結構仍然是用二極管、晶體管作為受控開關,不同的是在等效開關電路中串接了一個熔絲,如圖514所示。

在PROM中,每個字線和位線的交叉點都接有一個這樣的熔絲,在沒有編程前,熔絲都是連通的,所有存儲單元都相當于存儲了1。

在用戶編程時,只需按自己的要求,借助于一定的編程工具,將不需要連接的開關元件上串聯的熔絲燒斷,這樣相當于該存儲單元改寫為0。

由于熔絲燒斷后不可恢復,故這種可編程的存儲器只能進行一次編程。

存儲器芯片經編程后,只能讀出,不能再寫入。3.可擦除可編程只讀存儲器由于PROM只能進行一次編程,所以萬一出錯,芯片只有報廢,這使用戶承擔了一定的風險。

可擦除可編程只讀存儲器克服了這個缺點,它允許對芯片進行反復改寫,即可以把寫入的信息擦除,再重新寫入信息。

因此這種芯片用于開發新產品,或對設計進行修改都是很方便、經濟的,并且降低了用戶的風險。

芯片寫入信息后,在使用時,仍然是只讀出,不再寫入,故仍稱為只讀存儲器。根據對芯片內容擦除方式的不同,可擦除可編程只讀存儲器有以下三種類型。1)紫外線擦除方式(EPROM)EPROM的存儲單元結構是用具有浮柵和控制柵疊在一起的特殊疊柵結構的MOS管替代熔絲開關,這種疊柵MOS管又稱為SIMOS管。

它在專用的編程器下,用幅度較大的編程脈沖作用后,使浮柵中注入電荷,成為永久導通態,相當于熔絲接通,存儲信息1。

若將它置于專用的紫外線擦除器中受強紫外線照射后,可消除浮柵中的電荷,成為永久截止態,相當于熔絲斷開,從而擦除信息1,而成為存儲了信息0。

這種電寫入、紫外線擦除的只讀存儲器芯片上的石英窗口,就是供紫外線擦除芯片用的。

在向EPROM芯片寫入信息后,一定要用不透光膠紙將石英窗口密封,以免丟失芯片內的信息。

芯片寫好后,數據可保持10年左右。2)電擦除可編程方式(EEPROM,也寫作E2PROM)E2PROM存儲單元的結構類似于EPROM,只是E2PROM的浮柵上在靠近漏極處增加了一個隧道二極管,利用它由編程脈沖控制向浮柵注入電荷或消除電荷,使它成為導通態或截止態,從而實現電寫入信息和電擦除信息。E2PROM可以對存儲單元逐個擦除改寫,因此它的擦除與改寫可以邊擦除邊寫入一次完成,速度比EPROM快得多,可重復改寫的次數也比EPROM多,E2PROM芯片寫入數據后,可保持10年以上時間。3)快閃存儲器(FlashMemory)快閃存儲器是一種近年來發展起來的電可擦除可編程只讀存儲器,它的存儲單元結構類似于E2PROM,只是它是在浮柵靠源極處有一個隧道二極管,并且工藝更先進,使它具有更低的編程電壓和更快的讀寫速度。

編程時向浮柵注入電子相當于寫入1,消除浮柵中的電子相當于寫入0。

快閃存儲器芯片內部設置有升壓電路,無須專用編程器就可以進行擦寫操作,且具有速度快、壽命長(可以重復改寫的次數達10萬次以上)等優點,因而廣泛應用于需要隨時讀寫數據的移動設備中作存儲器。4.PROM的應用可編程存儲器除了用于存儲數據,還可以用于實現組合邏輯設計。通常PROM的地址譯碼器是一個全譯碼器,并且是不可編程的與陣列,又稱為固定與陣列,它可以產生對應于地址碼的全部最小項。

而存儲矩陣為可

編

程

的

或

陣

列,因

此PROM可方便地實現與

或邏輯功能。

而所有的組合邏輯函數都可變換為標準與

或式,所以都可以用PROM來實現,只要PROM有足夠的地址線和數據輸出線就行了。

實現的方法就是把邏輯變量從地址線輸入,把邏輯函數值寫入相應的存儲單元中,而數據輸出端就是函數輸出端。5.3.2隨機存取存儲器(RAM)隨機存取存儲器也稱隨機讀/寫存儲器,可以在任意時刻對任意選中的存儲單元進行信息的存入(寫)或取出(讀)操作。

它可用于存放二進制信息,如數據、程序指令和運算的中間結果。1.RAM的基本結構RAM的結構示意圖如圖516所示,它由行地址譯碼器、存儲矩陣和讀/寫控制電路三個部分組成。

從圖中可以看出,RAM電路中有地址線、控制線和數據線三類信號線。存儲矩陣由許多個存儲單元排列成n行、m列的矩陣組成,共有n×m個存儲單元,每個存儲單元可以存儲1位二進制數(1或0),存儲器中存儲單元的數量又稱為存儲容量。

圖517給出了RAM的存儲單元與輸入/輸出的原理結構圖,地址譯碼器分為行地址譯碼器和列地址譯碼器。

在給定地址碼后,行地址譯碼器輸出線(稱為行選線,用X表示,又稱字線)中有一條為有效電平,它選中一行存儲單元,同時列地址譯碼器的輸出線(稱為列選線,用Y表示,又稱位線)中也有一條為有效電平,它選中一列(或幾列)存儲單元,這兩條輸出線(行與列)交叉點處的存儲單元便被選中(可以是1位,或幾位),這些被選中的存儲單元由讀/寫控制電路控制,與輸入/輸出端接通,實現對這些單元的讀或寫操作。2.RAM的存儲單元1)靜態存儲單元靜態存儲單元由CMOS觸發器和門控管組成,它的工作狀態受行、列譯碼輸出的行選擇線和列選擇線控制。

當靜態存儲單元被選通時,其中的門控管導通,這時可通過讀/寫控制電路對選通的靜態存儲單元進行讀/寫操作。

對于沒有被選通的靜態存儲單元,由于門控管截止,靜態存儲單元被封鎖,不能進行讀/寫操作。靜態隨機存取存儲器(SRAM)的優點是在不斷電情況下,可長期保存二進制信息,讀/寫控制電路簡單,存取速度快;缺點是存儲容量小,靜態功耗大,適用于小容量存儲器。2)動態存儲單元動態存儲單元是利用MOS管柵極電容的存儲效應組成的,由于柵極電容的容量很小,且存在漏電,因此柵極電容上存儲的信息不可能長期保存。

為防止信息丟失,必須定時給柵極電容補充電荷,這種補充電荷的過程稱為刷新。動態存儲單元的工作受行選擇線和列選擇線控制。

當動態存儲單元被選通時,門控管導通,這時可對動態存儲單元進行寫操作和讀操作,并對該存儲單元進行一次刷新。

對于沒有被選通的動態存儲單元,由于門控管截止,因此不能進行讀/寫操作。動態隨機存取存儲器(DRAM)的優點是存儲單元電路簡單、集成度高、功耗低,在大容量存儲器中采用較多;缺點是外圍電路較復雜。3.RAM的擴展一片RAM的存儲容量是一定的。

在數字系統或計算機中,單個芯片往往不能滿足存儲容量的需求,我們可以將若干個存儲器芯片組合起來,擴展成大容量的存儲器,從而滿足使用要求。RAM的擴展有位擴展和字擴展兩種,也可以同時擴展位、字以滿足對容量的需求。2)RAM的字擴展若一片RAM的位數已夠用,而字數不夠用,則采用字擴展的方法來擴展存儲器的字數。

字擴展通常用外加譯碼器控制芯片的片選輸入信號CS來實現。若字數和位

數

都

不

夠

用,則

可

對

字

數

和

位

數

同

時

進

行

擴

展,便

組

成

了

大

容

量

的

存儲器。任務5.4數字電壓表的設計5.4.1數字電壓表的構成數字電壓表是將被測模擬量轉換為數字量,并進行實時數字顯示的一個簡單的電路系統。

該系統選用了MC14433———3位半A/D轉換器、MC1413七路達林頓驅動器陣列、CD4511七段鎖存/譯碼/驅動器、MC1403能隙基準電源和共陰極LED發光數碼管。

其中各部分的功能如下:(1)3位半A/D轉換器(MC14433):將輸入的模擬信號轉換成數字信號。(2)驅動器(MC1413):驅動顯示器的a,b,c,d,e,f,g七個發光段,驅動發光數碼管(LED)進行顯示。(3)譯碼器(CD4511):將二

十進制(BCD)碼轉換成七段信號。(4)基準電源(MC1403):提供精密電壓,供A/D轉換器作參考電壓。(5)顯示器(共陰極LED發光數碼管):將譯碼器輸出的七段信號進行數字顯示,讀出A/D轉換結果。3位半數字電壓表中的3位半是指十進制數0000~1999。

其中,3位是指個位、十位、百位,其數字范圍均為0~9;半位是指千位數,它不能從0變化到9,而只能由0變到1,即二值狀態,所以稱為半位。

數字電壓表原理框圖如圖519所示。5.4.2主要元器件介紹1)3位半A/D轉換器MC14433在數字儀表中,MC14433電路是一個低功耗3位半雙積分型A/D轉換器。

和其他典型的雙積分型A/D轉換器類似,MC14433A/D轉換器由積分器、比較器、計數器和控制電路組成。

使用MC14433時只要外接兩個電阻(分別是片內RC振蕩器外接電阻和積分電阻RI)和兩個電容(分別是積分電容CI和自動調零補償電容C0)就能執行3位半的A/D轉換。MC14433采用24引線雙列直插式封裝,外引線排列,可參考如圖520所示的引腳標注。圖520中各主要引腳功能說明如下:(1)1腳:GNDA,模擬地,是高阻輸入端,作為輸入被測電壓VX和基準電壓VREF的參考點。(2)2腳:VREF,外接基準電壓輸入端。(3)3腳:VI,被測電壓輸入端。(4)4腳:R1,外接積分電阻端。(5)5腳:R1/C1,外接積分元件電阻和電容的公共接點。(6)6腳,C1,外接積分電容端,積分波形由該端輸出。(7)7和8腳:C01和C02,外接失調補償電容端。

推薦外接失調補償電容取0.1μF。(8)9腳:DU,實時輸出控制端,主要控制轉換結果的輸出。

若在雙積分放電周期即階段5開始前,在DU端輸入一正脈沖,則該周期轉換結果將被送入輸出鎖存器并經多路開關輸出,否則輸出端繼續輸出鎖存器中原來的轉換結果。

若該端通過一電阻和EOC短接,則每次轉換的結果都將被輸出。(9)10腳:CPI(CLKI),時鐘信號輸入端。(10)11腳:CPO(CLKO),時鐘信號輸出端。(11)12腳:VEE,負電源端,模擬電路部分的負電源,一般取-5V。(12)13腳:GNDD,數字地端。(13)14腳:EOC,轉換周期結束標志輸出端,每一A/D轉換周期結束,EOC端輸出一正脈沖,其脈沖寬度為時鐘信號周期的1/2。(14)15腳:OR,過量程標志輸出端,輸出低電平,正常量程OR為高電平。(15)16~19腳:對應為DS4~DS1,分別是多路調制選通脈沖信號個位、十位、百位和千位輸出端,當DS端輸出高電平時,表示此刻Q0~Q3輸出的BCD代碼是該對應位上的數據。(16)20~23腳:對應為Q0~Q3,分別是A/D轉換結果數據輸出BCD代碼的最低位(LSB)、次低位、次高位和最高位輸出端。(17)24腳:VDD,整個電路的正電源端。2)七段鎖存/譯碼/驅動器CD4511CD4511是用于將二

十進制代碼(BCD)轉換成七段顯示信號的專用標準譯碼器,它由4位鎖存器、7段譯碼電路和驅動器三部分組成。

其引腳介紹及功能表見項目6。3)七路達林頓驅動器陣列MC1413MC1413采用NPN達林頓復合晶體管的結構,因此具有很高的電流增益和輸入阻抗,可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號,并把電壓信號轉換成足夠大的電流信號驅動各種負載。

該電路內含有7個集電極開路反相器。MC1413電路結構引腳圖如圖521所示,它采用16引腳的雙列直插式封裝,每一驅動器輸出端均接有一釋放電感負載能量的續流二極管。4)高精度低漂移能隙基準電源MC1403MC1403采用8條引線雙列直插標準封裝,如圖522所示。MC1403的輸出電壓的溫度系數為零,即輸出電壓與溫度無關。

該電路的特點是:①

溫度系數小;②

噪聲小;③

輸入電壓范圍大,穩定性能好,當輸入電壓從+4.5V變化到+15V時,輸

出

電

壓

值

變

化

量

小

于3mV;④

輸

出

電

壓

值

準

確

度

較

高,在2.475~2.525V以內;⑤

壓差小,適用于低壓電源;⑥

負載能力小,該電源最大輸出電流為10mA。5.4.3電路工作過程基準電源MC1403的輸出接A/D轉換器MC14433的VREF輸入端,為MC14433提供精準的參考電壓。

被測輸入電壓Vx經MC14433進行A/D轉換,轉換后的數字信號采用多路調制方式輸出BCD碼,經譯碼后送給4個LED七段數碼管。4個數碼管a~g段分別并聯在一起,達林頓驅動器陣列MC1413的4個輸出端Q1~Q4分別接4個數碼管的陰極,為數碼管提供導電通路。MC1413接收A/D轉換器MC14433輸出的位選通信號DS4~DS1,使Q0~Q3輪流為低電平,從而控制千位、百位、十位和個位4個數碼管輪流工作,實現掃描顯示。

由于選通的重復頻率較高,一個4位數的顯示周期僅為1.2ms,因此可以看到4個數碼管“同時”顯示3位半十進制數碼。5.4.4電路原理圖用MC14433等元器件設計的數字電壓表的電路原理圖如圖523所示。

其元器件清單如表53所示。5.4.5安裝與調試(1)根據圖523所示的電路原理圖,自行繪制數字電壓表的安裝布線圖。(2)將元器件進行檢測,排查不合格產品。

按照布線圖將元器件安裝在萬能板上,連接導線,焊接好電路。(3)電路調試。①

基準電源的調試。

用萬用表檢查MC1403的2腳輸出是否為2.5V,然后調整1kΩ電位器,使其輸出電壓為2.0V。②

檢查自動調零功能。

將輸入端Vx接地,LED數碼管應顯示0000,如果不是,應檢測電源的正負電壓。③

調整線性度誤差。

用電阻、電位器構成一個簡單的輸入電壓Vx調節電路,調節電位器,輸出數碼將相應變化。

調節電位器,用數字萬用表測量輸入電壓Vx,使Vx=1.000V,這時4位LED數碼管的指示值不一定是1.000,應調整基準電源電壓VREF,使指示值和標準值的誤差不大于5LSB。④

檢查自動極性轉換功能。

改變輸入電壓Vx的極性,使Vx=-1.000V,觀察數碼管的“-”是否顯示。

同上法校正電路。⑤

檢查超量程溢出功能。

調節Vx值,當Vx為2V,或|Vx|>VREF時,觀察LED數碼管的顯示情況,此時OR端應為低電平。

項

目

小

結(1)D/A轉換器的功能是將數字信號轉換成與之成正比的模擬信號,通常由基準電壓源、電阻網絡、模擬電子開關和運算放大器組成。

常用的D/A轉換器有倒T形電阻網絡D/A轉換器和權電流型D/A轉換器,而權電流型D/A轉換器的轉換速度和轉換精度都比較高。

目前在雙極型集成D/A轉換器中多半采用權電流型的轉換電路。(2)A/D轉換要經過取樣、保持、量化與編碼四個步驟。

本項目主要討論了并聯比較型和雙積分型兩種A/D轉換器的工作原理。

并聯比較型A/D轉換器轉換速度最高,一般只用在超高速的場合;雙積分型A/D轉換器可獲得較高的精度,并具有較強的抗干擾能力,故在目前的數字儀表中應用較多。(3)半導體存儲器主要分為隨機存取存儲器RAM和只讀存儲器ROM兩大類,它是數字電路中重要的組成部分。(4)只讀存儲器ROM主要用來存放固定信息,它具有非易失性,一般只能讀出,ROM中的數據必須由專用的儀器寫入。

根據制造工藝來分,ROM分為二極管ROM、雙極型三極

管ROM和MOS管ROM;根

據

編

程

方

法

的

不

同,ROM分

為

固

定ROM、PROM、EPROM、EEPROM等,而可編程只讀存儲器EPROM、EEPROM更為常見,但可編程ROM要用專用編程器進行編程。(5)隨機存取存儲器RAM主要用來存儲暫存的信息,它具有易失性,可以讀取任何被選中的存儲單元的內容,也可以將數據寫入任意指定的存儲單元。RAM分為SRAM和DRAM兩種:SRAM靠觸發器來存儲信息,在不停電的情況下其數據可長期保持;DRAM靠存儲電容來存儲信息,DRAM必須動態刷新。任務6.1項目實訓的一般方法和步驟

任務6.2總體設計方案及工作原理

任務6.3單元電路設計

任務6.4安裝與調試任務6.1項目實訓的一般方法和步驟“數字電子技術項目實訓”的任務是讓學生通過解決實際問題,鞏固和運用“數字電子技術”課程中所學的理論知識和實踐技能,基本掌握常用數字電路的一般設計方法,提高設計能力和實踐技能,提高自學和解決實際問題的能力,鍛煉獨立思考和創新精神,有助于提高全面素質,為畢業設計及今后從事電子電路設計、研制電子產品打下一定的基礎。項目實訓的一般設計方法和步驟如圖61所示。

但電路種類很多,設計方法和步驟也會因不同情況而異,設計時應根據實際情況靈活掌握。

下面對項目實訓的主要環節做簡要說明。6.1.1任務書任務書是進行項目實訓的依據。

任務書一般寫有以下內容:(1)課題名稱;(2)主要技術指標和要求;(3)提供的元器件、實驗器材;(4)參考資料。6.1.2總體方案的選擇設計原理電路的第一步是選擇總體方案。

所謂總體方案,是指針對任務書提出的任務、要求和條件,從全局著眼,用具有一定功能的若干單元電路構成的一個整體,來實現各項性能指標。

顯然,符合要求的總體方案通常不止一個,設計時應當廣開思路,提出若干種不同的方案,然后逐一分析每一個方案的可行性和優缺點,再加以比較,擇優選用。

上述過程如圖62所示。

此外,在選擇過程中,常用框圖表示各方案的基本原理。

框圖一般不必畫得太詳細,只要能說明方案的基本原理即可。6.1.3單元電路的設計選定總體方案后,便可畫出詳細框圖,設計單元電路。

單元電路的設計方法如下:(1)設計單元電路的第一步,是根據設計要求和已選定的總體方案的原理框圖,明確對各單元電路的要求,必要時應詳細擬定出主要單元電路的性能指標。

可以用簡略的文字標出主要技術指標,關鍵問題要做必要的文字說明。(2)擬定出對各單元電路的要求后,應全面檢查一遍,確認無誤后便可按照一定的順序設計各單元電路的結構形式,選擇元器件和計算參數等。

設計的順序可以按信號流程的方向逐一設計各單元電路,也可以按先難后易或先易后難的順序設計各單元電路。應當選擇哪種形式的電路作為所要設計的單元電路呢?最簡單的辦法是從學過的和所了解的電路中選擇一個合適的電路。

在條件許可時,應查閱各種資料,這樣既可以豐富知識,開闊眼界,而且可能找到更好的電路。

例如電路更簡單、成本更低等。6.1.4元器件的選擇和參數的計算1.元器件的選擇由于數字集成電路的功能和種類相當多,以至于單元電路的設計變得像“點菜譜”那樣容易。

從某種意義上講,數字電路的設計就是選擇最合適的元器件,并把它們組合起來。因此,在設計過程中,經常遇到選擇元器件的問題,不僅在設計單元電路和總體電路及計算參數時要考慮選哪些元器件合適,而且在提出方案、分析和比較方案的優缺點時,也要考慮到用哪些元器件以及它們的性能和價格如何等。

由此可見,選擇元器件是多么重要。那么,怎樣選擇元器件呢?其實只要弄清楚“需要什么”和“有什么”兩個問題。所謂“需要什么”,是指項目實訓所選擇的方案,需要什么樣的元器件。

即每個元器件應具有哪些功能和什么樣的性能指標。所謂“有什么”,是指有哪些元器件,哪些實驗室有,哪些在市場上可以買到,它們的性能各是什么,價格如何,體積多大等。

電子元器件種類繁多,而且新產品不斷涌現,這就需要我們經常關心元器件的信息和新動向,多查資料。元器件的選擇可以從以下幾點來考慮:(1)應熟悉集成電路有哪些種類,最好能夠熟悉若干種典型產品的型號、性能及價格等,以便設計時能及時提出方案,較快地設計出單元電路。(2)同一功能的數字集成電路,例如與非門,可能既有TTL產品,又有CMOS產品。而TTL中有肖特基、低功耗肖特基和先進低功耗肖特基等不同的產品,CMOS數字器件也有普通型和高速型兩種不同的產品。

究竟選哪種產品好呢?在一般情況下可參考表61。

對于某些具體問題究竟是選用TTL器件好,還是選用CMOS器件好,設計時應根據它們各自情況和特點靈活選用。(3)CMOS器件可以與TTL器件混合使用在同一電路中,前者的電源電壓盡量用+5V,以便兩者的高、低電平兼容。

但與用+15V供電的情況相比,用+5V供電時CMOS器件的某些性能較差,例如抗干擾的容限小,傳輸延遲時間長等。

因此,必要時CMOS器件仍需要用+15V電源供電,在這種情況下,CMOS器件與TTL器件之間應加電平轉換電路。(4)電阻器和電容器是兩種常用的分立元件,它們的種類很多,性能各異。

阻值相同、類型不同的兩種電阻器或容量相同、類型不同的兩種電容器用在同一個電路中的同一個位置,可能效果大不一樣。

此外,價格和體積也可能相差很大。

因此,設計時應當熟悉各種常用電阻器和電容器的主要性能及特點,以便設計時根據電路對它們的要求,作出正確的選擇。2.參數的計算在設計電路的過程中,常需要計算某些參數。

計算參數的方法主要在于正確運用分析方法,弄清電路原理和用好計算公式。

但設計中計算參數與做習題有所不同,習題中通常將大多數參數值作為已知量給出,只要求一兩個參數值,而且答案一般是唯一的。

而設計時,除了對電路性能指標的要求外,通常沒有其他已知參數,幾乎全部由設計者自己選擇和計算,而且理論上滿足要求的參數值一般不是唯一的,給設計者提供了選擇的自由,即可根據價格、體積和貨源等具體情況靈活選擇。

也就是說,設計中的計算參數包括“選擇”和“計算”兩個方面。6.1.5總體電路的畫法設計好單元電路后,應畫出總體電路圖。

總體電路圖不僅是進行實驗和印刷電路板等工藝設計的主要依據,而且在生產調試和維修時也離不開它,因此總體電路圖具有重要作用。在畫正式的總體電路圖前可先畫出總體電路草圖。

這樣可以檢查各單元電路之間的相互連線和配合是否有問題,各單元電路分別畫在什么位置等。總體電路圖畫得好,不僅自己看起來方便,而且別人容易看懂,便于進行技術交流。怎樣才能畫好總體電路圖呢?一般說來,主要應注意以下幾點:(1)畫圖時應注意信號的流向,通常從輸入端或信號源畫起,從左至右或由上至下按信號的流向依次畫出各單元電路。

但不要把電路圖畫成很長的窄條,必要時可以按信號流向的主通道依次把各單元電路排列成類似字母“U”的形狀,它開口可以朝左,也可以朝其他方向。(2)盡量把總體電路圖畫在同一張圖紙上。

如果電路比較復雜,一張圖紙畫不下,則應把主電路畫在同一張圖紙上,而把一些比較獨立或次要的部分(例如直流穩壓電源)畫在另一張或幾張圖紙上,并用恰當的方式說明各圖紙上電路連線的關系。(3)電路圖中所有連線都要表示清楚,各元器件之間的絕大多數連線應在圖上直接畫出。

連線通常畫成水平線或豎線,一般不畫斜線。

互通連線的交叉線,應在交叉處用圓點標出。

還應注意盡量使連線短些,少拐彎。

有的可用符號表示,例如地線常用“⊥”表示,集成電路器件的電源一般只要標出電源電壓的數值(例+5V)即可;有的可采用簡便畫法。

總之,以清晰明了、容易看懂為原則,但也要注意電路圖的緊湊和協調,稀密恰當,避免出現有的地方畫得很密,有的地方空出一大塊。(4)電路圖中的中大規模集成電路器件,通常用方框表示。

在方框中標出它的型號,在方框的邊線兩側標出每根連線的功能名稱和管腳號。(5)集成電路器件的管腳較多,有些管腳的連線是可以選擇的。

例如,用四2輸入與非門74LS00時,可以有許多種接法,遇到這種情況,畫原理電路圖時通常不標管腳號。

這樣做可以在實驗布線或設計印刷電路板時有較多的靈活性,為合理布線提供了方便。

而布線時應隨時把實際接線的管腳號填寫在原理電路圖上,以便以后調試或維修。6.1.6審圖在畫出總體電路圖,并計算出全部參數以后,至少應進行一次全面審查。

這是因為在設計的原理電路中存在一些問題是難免的,經過審圖,可以發現和解決一部分或大部分問題,為實驗打下較好的基礎。

在審圖時應注意以下幾點:(1)先從全局出發,檢查總體方案是否合適,有無問題,再審查各單元電路的原理是否正確,電路形式是否合適。(2)檢查各單元電路之間的電平、時序等配合有無問題。(3)檢查電路圖中有無煩瑣之處,是否可以簡化。(4)根據圖中所標出的各元器件的型號、參數值等,驗算能否達到性能指標。(5)要特別注意檢查電路圖中各元器件工作是否安全(尤其是CMOS器件),以免實驗時損壞。6.1.7實驗項目實訓的實驗過程包括電路的安裝與調試。

電路的安裝與調試在電子工程技術中占有重要位置,是把理論付諸實踐的過程,也是對理論設計進行檢驗、修改,使之更加完善的過程。

實際上,任何一個好的設計方案都是安裝、調試后經過多次修改才得到的。1.安裝安裝之前,一定要對元器件進行測試,參數的性能指標應滿足要求,并留有余量。

要準確識別各元器件的引腳,了解各元器件的使用注意事項,以免出錯,造成人為故障,甚至損壞元器件。

設計的電路一般是安裝在實驗箱上,為此,還必須熟悉實驗箱的性能特點和使用方法。

安裝步驟一般如下:1)計算電路中主要元器件的數量電路安裝之前要計算電路中使用的元器件的數量,在滿足電路要求的情況下,盡量節省元器件的數目,選擇便宜的產品,以降低成本。2)合理安排主要元器件的位置計算元器件的數量之后,下一步要合理安排主要元器件的布局。

這樣才不至于造成因先安裝的電路占的面積過大而給后面電路的安裝造成麻煩,甚至使后面的電路安裝不下只好拆掉重新布局。3)依據調試先后順序連接電路電路的安裝順序應該按調試的順序進行。

調試一般采用先分塊調試,再整個電路聯調的方法,因此,安裝也要逐步進行。在安裝的同時應記錄下所用元器件的引腳號碼,目的是為檢查電路和調試提供方便。如果電路中同時使用多片相同型號的集成電路,則要標明每一片對應電路中的位置。4)檢查電路接線是否正確電路安裝完畢后不要急于通電,先要認真檢查電路接線是否正確,包括錯線(連線一端正確,另一端錯誤)、少線(安裝時漏掉的線)和多線(連線的兩端在電路圖上都是不存在)。多線一般是因接線時看錯,或在改接線時忘記去掉原來的連線造成的,而檢查時又不易被發現。

檢查連線的方法有兩種:一種是按照設計的電路圖檢查安裝的線路,即把電路圖上的連線按一定順序在安裝好的線路中逐一對應檢查,這種方法容易找出錯線和少線。

另一種是按照實際線路來對照電路原理圖,把每一個元器件引腳連線的去向依次查清,檢查每個去處在電路圖上是否都存在。

不論用什么方法檢查,一定要在電路圖上把查過的線作出標記,還要檢查每個元器件引腳的使用端數是否與圖紙上的相符。

檢查完連線后,再直觀檢查電源、地線、信號線、元器件引腳之間有無短路,連線處有無接觸不良,二極管、三極管和電解電容等引腳有無錯接。2.調試調試包括測試和調整兩個方面。

測試是在安裝后對電路的參數及工作狀態進行測量,調整是指在測試的基礎上對電路的參數進行修正,使之滿足設計要求。調試的方法有兩種:第一種是邊安裝邊調試的方法,也就是把復雜的電路按原理框圖上的功能塊進行安裝和調試,在分塊調試的基礎上逐步擴大安裝和調試的范圍,最后完成整機調試。

對于新設計的電路,一般采用這種方法,以便及時發現問題并加以解決。

另一種方法是在整個電路安裝完畢后,實行一次性調試。

這種方法一般適用于定型產品和需要相互配合才能運行的產品。具體調試可按下列步驟進行:1)通電觀察把經過精確測量的電源電壓加入電路(先關斷電源開關,待接通連線之后再打開電源開關),電源通電之后不要急于測量數據和觀察結果,首先要觀察有無異常現象等,包括有無冒煙,是否聞到異常氣味,手摸元器件是否發燙,電源是否有短路現象等。

如果出現異常,應立即關斷電源,待排除故障后方可重新通電。

然后再測量各元器件引腳電源電壓,而不只是測量各路總電源電壓,以保證元器件正常工作。2)分塊調試分塊調試是把電路按功能分成不同的部分,把每部分看作一個模塊進行調試。

在分塊調試的過程中逐漸擴大調試范圍,最后實現整機調試。

比較理想的調試順序是按照信號的方向進行,這樣可以把前面調試過的輸出信號作為后一級的輸入信號,為最后的聯調創造條件。3)整機聯調在分塊調試過程中,因逐步擴大了調試范圍,實際上已經完成了某些局部聯調工作。下面先要做好各功能塊之間接口電路的調試工作,再把全部電路接通,就可以實現整機聯調。

即把各種測量儀器及電路本身的顯示部分提供的信息與設計指標逐一對比,找出問題,然后進一步修改電路的參數,直到完全符合設計要求為止。4)系統精度的測量系統精度是設計電路時很重要的一個指標。

如果是測量電路,被測元器件本身應該是由精度高于測量電路的儀器進行測試,然后才能作為標準元器件接入電路校準精度。

例如,電容量測量電路,校準精度時所用的電容不能以標稱值計算,而要經過高精度的電容表測量其準確值后,才可作為校準電容。5)注意事項(1)調試之前先要熟悉各種儀器的使用方法,并仔細加以檢查,避免由于儀器使用不當或出現故障時做出錯誤判斷。(2)測量用的儀器的地線和被測電路的地線應連在一起。

只有使儀器和電路之間建立一個公共參考點,測量結果才是正確的。(3)調試過程中,發現器件或接線有問題需要更換或修改時,應該先關斷電源,待更換完畢并經認真檢查后才可重新通電。安裝調試自始至終要有嚴謹的科學作風。

出現故障時要認真查找故障原因,仔細作出判斷,切不可一遇故障解決不了就拆掉線路重新安裝。

因為重新安裝的線路仍然會存在各種問題,況且原理上的問題不是重新安裝就能解決的。6.1.8設計總結調試成功后需要寫出一份總結報告,按照統一的格式寫出設計說明書。

編寫設計說明書,能提高編制科技報告或技術資料的能力,同時也能使設計從理論上進一步得到總結和提高。

總結報告應包括以下內容:(1)題目名稱;(2)設計任務和要求;(3)總體設計方案框圖,并說明各部分的工作原理;(4)單元電路的設計和元器件的選擇;(5)計算各元器件的主要參數,并標在圖中適當的位置;(6)畫出完整的電路圖和必要的波形圖,并說明主要工作原理;(7)安裝調試步驟;(8)畫出總體電路圖,列出元器件明細表;(9)整理性能測試數據,并分析是否滿足要求,提出改進意見;(10)有哪些收獲和體會。下面以簡易數顯式電容計為例說明項目實訓的方法和步驟。任務6.2總體設計方案及工作原理6.2.1電容計設計任務及要求數顯式電容計具有測量速度快、讀數方便等優點,正在逐步取代傳統的電容測試方法。

試設計一個簡易數顯式電容計,其主要指標如下:(1)測量范圍為1~999nF。(2)用三位LED數碼管顯示測量結果。(3)具有超量程指示。(4)能自動地進行連續測量。

測量周期為4秒,測量結果保持2秒左右。(5)提供的主要器材包括:①NE556定時器(雙定時器)、MC14553(三位BCD計數)、CD4511(BCD七段顯示譯碼器)、CD4001(四2輸入或非門)各一塊。

②

共陰結構LED數碼管、三極管、二極管、阻容元件等。

③

直流穩壓電源、雙蹤示波器。6.2.2電容計總體設計方案及工作原理簡易數顯式電容計的總體設計方案框圖如圖63所示,它由CT轉換電路、振蕩器、控制電路、計數器、顯示譯碼電路和超量程指示電路六部分組成。圖63中各模塊電路的功能如下:(1)CT轉換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉換成脈沖信號,使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。

單穩態觸發器有定時時間正比于定時電容C的關系,因此可以用單穩態觸發器實現此功能。(2)多諧振蕩器產生周期性矩形脈沖,讓計數器在CT轉換期間計數。

如果Cx大,則Tx大,那么在Tx期間計數器計的脈沖數就多,而計到的脈沖數多,就代表Cx大。

只要調整好振蕩器的振蕩頻率,可以使計數器計到的脈沖數(用十進制表示)就是被測電容的電容量(nF)數。(3)計數器是三位十進制計數器。(4)顯示譯碼電路用于把計數器計到的脈沖數用十進制數字顯示出來。(5)超量程指示電路的作用是當計數器計到的脈沖數超過999時,產生一個指示信號,即代表被測電容的電容量超過了999nF,此時顯示器的讀數已不是Cx的值。(6)控制電路的作用是產生控制各部分電路正常工作的時序信號。

該電路用下降沿觸發CT轉換電路(單穩態電路),用上升沿使計數器清零和超量程指示電路復位。

測量過程的時序圖如圖64所示。(7)設計時采用CMOS集成電路,電源電壓用+6V。任務6.3單元電路設計6.3.1CT轉換電路的設計CT轉換電路的作用是把被測電容的電容量Cx轉換成脈沖信號,使脈沖信號的寬度Tx正比于Cx。

單穩態觸發器有定時時間正比于定時電容的關系,即tW≈1.1RC,因此,在這里CT轉換電路采用單穩態觸發器。用NE556其中的一個555定時器構成的單穩態電路如圖65所示,圖中R2和Cx為定時電阻、電容。CT轉換電路波形如圖66所示,圖中Tx≈1.1R2Cx。在電路中加入了由C1和R1組成的微分電路,這樣單穩態電路只要靠輸入VI1

的下降沿觸發,定時時間與VI1

的低電平寬度無關?？紤]到定時精度和測量速度,設定測量范圍內Tx的時間為0.1ms~0.1s,由于電路測量電容的范圍為1~999nF,則可通過計算取R2=91kΩ。6.3.2多諧振蕩器的設計多諧振蕩器用NE556中的另一個555定時器構成,電路如圖67所示。多諧振蕩器的振蕩周期為

在Tx內計數器計到的脈沖數N為根據設計要求,N就是被測電容Cx的電容量(nF)數,則得即振蕩器的振蕩頻率約為10kHz。6.3.3計數電路的設計1.計數器的選用計數器采用MC14553,它是三位BCD加法計數器,集成電路引腳圖如圖68所示,其功能表如表62所示。2.MC14553功能說明MC14553集成電路由三個同步級聯的下降沿觸發的BCD計數器、三個鎖存器以及分配鎖存器的多路選擇器組成。

此外,還有時鐘輸入端的整形電路、分配多路選擇器的時序掃描電

路

和

振

蕩

器

電

路,以

及

用

于

顯

示

控

制

的

數

據

選

擇

輸

出

組成。MC14553的主要引腳功能如下:(1)3腳和4腳CIA、CIB

為內部振蕩器的外接電容端子。

振蕩器提供多路數據選擇器的低頻掃描時鐘脈沖,振蕩器的振蕩頻率取決于連接在3腳和4腳的外接電容的大小,若需外部時鐘,也可以從4腳處引入。(2)2、1、15腳

為顯示驅動掃描時序輸出,低電平有效。

振蕩器產生的掃描時鐘信號與三個位選擇輸出信號的時序關系如圖69所示。(3)5、6、7、9腳QD、QC、QB、QA為8421BCD碼輸出端,QD為最高位。(4)13腳R為復位端,高電平有效。(5)11腳INH為時鐘禁止端,當INH為1時,禁止時鐘脈沖“CL”輸入BCD計數器,計數器保持禁止前的最后計數狀態。(6)10腳LE為鎖存器的鎖存允許端,當LE為1時,鎖存器呈鎖存狀態,保持原有鎖存器內的信息。

若需將鎖存器內的信息清除,則在鎖存器LE端加0電平。(7)14腳OF為計數器溢出輸出端,計數器每逢輸入第1000個時鐘脈沖的上升沿時,溢出輸出端OF輸出一個完整的脈沖,該脈沖結束于上述條件下輸入時鐘的下降沿。3.計數器電路的連接根據CT轉換電路在轉換期間的輸出是高電平,以及要用來控制計數器計數,可從表62灰色的三行中看出,將CT轉換電路的輸出加到12腳CL端,計數脈沖從11腳INH端引入,所以與多諧振蕩器輸出相連。13腳計數器復位端R,與控制電路輸出相連。14腳計數器溢出輸出端OF,