第11章 数据的存储、采集与转换

第11章数据的存储、采集与转换*11.1半导体存储器*11.2采样和保持电路11.3数模转换电路11.4模数转换电路半导体存储器分类：按功能只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）按元件双极型存储器:速度快，功耗大。MOS型存储器：速度较慢，功耗小，集成度高。顺序存取存储器（sAM）*11.1半导体存储器11.1.1.1ROM的电路结构图11-1ROM的结构图ROM矩阵的容量=字数×位数=2n×M11.1.1只读存储器ROM11.1.1.2ROM的工作原理W0～W3四条字线表达式为010WAA=110WAA=210WAA=310WAA=输出D3D2D1D0与地址译码器输出端字线W0～W3的逻辑关系为312DWW=+2123D=++1012D=++03DW=把W0～W3与输入地址码A1A0关系代入有31010DAAAA=+2101010DAAAAAA=++1101010DAAAAAA=++010DAA=在绘制中、大规模集成电路的逻辑图时,为了方便起见常用如图11-3所示的简化画法,有二极管的存储单元用一黑点表示。例11-1用简化的ROM存储矩阵设计全加器。解：首先列出真值表逻辑函数表达式1111iiiiiiiiiiiiiSABCABCABCABC----=+++1111iiiiiiiiiiiiiCABCABCABCABC----=+++存储器的简化矩阵阵列图如图所示。由双极型晶体管和MOS型场效应管构成的存储矩阵分别如图所示。一次编程只读存储器PROM结构示意图11.1.2.1RAM的基本结构和工作原理11.1.2随机存取存储器(RAM)1．存储矩阵存储矩阵：由存储单元(即位)构成，一个存储单元存储一位二进制数码“1”或“0”。存储器是以字为单位进行存储的。存储容量—存储器含存储单元的总个(位)数。2．地址译码存储容量=字数（word）位数（bit）地址译码电路的功能是实现字的选择，每输入一组地址码就选择出一个字，只能对选择出的这个字进行读操作或写操作。3．读/写控制电路与片选控制电路读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。当R/W=1时，执行读操作，R/W=0时，执行写操作。4．片选控制当CS=0时，选中该片RAM工作，CS=1时该片RAM不工作。如图所示电路是一个1024×4位RAM的实例—2l14的结构框图。11.1.2.2RAM容量的扩展1．位扩展（字长扩展）地址线、读/写控制线、片选线并联输入/输出线分开使用如用2片10244位RAM扩展为10248位RAM2．字扩展（地址扩展）字数的扩展可利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入端CS来实现。如将10244的RAM扩展为4K×4位的RAM采样和保持电路的任务是当输入信号变化较快时，要求输出信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样，在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态，如图所示电路为采样保持电路的原理图和输出波形,采样保持电路由运算放大器、保持电容C和开关S组成。*11.2采样和保持电路合理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimax如图所示电路是集成采样—保持电路LF198的电路原理图及符号。模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；传感器模拟控制模拟信号数字计算机数字控制数字信号ADCDAC将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)11.3数模转换电路一个n位二进制数可表示为1210nnDdddd--=其最高位到最低的权依此为12102,2,2,2nn--×数–模转换（D/A转换器）的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思想。11.3.1D/A转换器的基本原理11.3.2倒T形电阻网络D/A转换器10101010RRR2R2R2R2RRFS0S3S2S1d3d0d1d2URuoA∞－++2RLSBMSBI3I2I1I0IΣURURURRRR2R2R2R2RUR2RRFuo∞－++I3I2I1I010101010RRR2R2R2R2RRFS0S3S2S1d3d0d1d2URuoA∞－++2RLSBMSBI3I2I1I0IΣRRFuo∞－++IΣU16842RRRRUUUUUURURURRRR2R2R2R2RUR2RRFuo∞－++I3I2I1I0RRFuo∞－++IΣURUI16842RRRRUUUUU）（43221212121RURFoRIu）（00112233422222ddddRRUFR输出电压）（40312232222ddddRRUFR）（40312232222ddddRUR总电流当RF=R时,上式可表示为如果是n位D/A转换器,当RF=R时,输出模拟电压值可表示为）（00112233422222ddddUuRo）（003322112....2222ddddUunnnnnnnRo）（032121....814121ddddUunnnnRo例设R10VU，试分别求出二进制数1010和1111相对应的模拟输出量。解：（1）当数字量为1010时o1234101010V6.25V2222U（2）当数字量为1111时o1234111110V9.375V2222U显然，输出模拟量与输入数字量成正比AD7524是CMOS单片低功耗8位并行D/A转换器。VDD：供电电压正端；GND：接地端；UREF：为基准电源端；RF：反馈电阻端；D0～D7：为输入数据端；OUT1、OUT2电阻网络的电流输出端；：为片选端；:为写入控制端.11.3.3集成D/A转换器WRCS11.3.4D/A转换器的主要参数1、分辨率用输入二进制数的有效位数表示。分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。也可以用D/A转换器的最小输出电压（1）与最大输出电压（所有位为1）的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：001.010231121102、转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。3．转换时间（输出建立时间）从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为转换时间（输出建立时间）。11.4.1A/D转换器的基本原理A/D转换器的基本原理框图如图所示，11.4模数转换电路为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。两种近似量化方法：去尾法和四舍五入法。逐次比较型A/D转换器原理框图如图所示，是由顺序脉冲发生器，逐次逼近寄存器，D/A转换器和电压比较器等几部分组成。输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器逐次逼进？其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重待测重量Wx，故保留砝码总重仍待测重量Wx，故保留砝码总重待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克结论逐次比较型A/D转换器电路如图所示。输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。11.4.3集成A/D转换器1．分辨率A/D转换器的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效为LSB所对应的输入模拟电压的变化量。例如输入模拟电压的变化范围为0～10V，输出为10位数码，则分辨率为10109.772121nUmVD==--2．转换误差转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。3．转换时间转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。11.4.4A/D转换器的主要技术指标教学要求1、了解D/A、A/D转换的功能、类型和指标;2、了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。