数字化测量技术

数字化测量技术数字化测量技术

河北科技大学信息科学与工程学院数字化测量技术省级精品课

绪论绪论


1 研究领域

数字化测量技术所涉及领域非常广泛，主要包括各种通用及专业数字 IC 、数字接口电路、数据采集系统、数字式仪器仪表（含智能仪器）和实时的测控系统。

2 开设本课程的目的突出实用性、软硬件结合，侧重于硬件。贯

穿从芯片→电路→整机的思想，重点放在电路设计与应用上。帮助同学们进行数字电路或整机电路的实用设计，解决今后在生产和科研中遇到的一些数字化测量课题。缩短大学生→工程师的距离，为今后独立设计、完成课题研究、科研产品开发打基础。

3 课程特点力求反映：先进性、系统性、实用性。其前导课程包括：数电、模电、电子测量技术、

传感器等。说明：本课程与微机的关系

① 广义上讲：它包括微机，而且微机也离不开它。例如：显示器、驱动器、电源等。

② 狭义上讲：二者各有侧重，是软、硬结合。 ③ 在有些情况下，单靠微机难以解决的问题，它

却可迎刃而解。

4 教材一直使用我校电子系老师自编的教材。

《实用数字化测量技术》（ 1991 ）→ 《新编实用数字化测量技术》（ 1998 ）→ 《数字化测量技术应用》（ 2004 ）→ 《数字化测量技术》（ 2008 ）

1 提倡理论联系实际的好学风精讲、多看、多练课外活动小组、科技协会

2 、加强实践，培养创新能力 4 个实验、 1 周的课程设计（ LED 显示，

亲自编程）、 58 授课学时3 、通过多种渠道，从模仿→设计，提

高综合解决问题的能力。

第一章第一章数字化测量概述数字化测量概述

第一节第一节集成电路发展的新趋势集成电路发展的新趋势


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。

目前，集成电路正进入一个蓬勃发展的新时代。

突出表现为： ① 新技术、新工艺、新产品 ② 对 IC 的认识深化，观念更新

集成电路自 1958 年问世以来，其发展速度惊人。目前，全世界每年生产 6000 多亿块、数万种集成电路。在发展电子信息产业的过程中，无论是增加产量、扩大应用，还是开发新产品、提高性价比，无不依赖于 IC 产业的发展。从电子测量仪器、计算机系统到通信设备，从国防尖端到工业及民用领域，都与 IC密切相关。据报道，在发达国家中一个家庭的家用电器内所用微控制器数量已超过 300 个。目前，世界国民生产总值部分的 70% 以上与 IC 有关。IC 在电子设备中的价值比已从 20 世纪 80 年代的7% ，发展到现在的 30% 以上，而在某些军事装备中已超过 80%。 IC被誉为工业“粮食”和“朝阳”产品，现已成为发展电子信息技术的核心以及衡量综合国力的重要标志。

我国于 1965 年研制成功集成电路。近年来，国家制定了重点发展集成电路的战略方针，我国的IC 产业也获得了飞速发展。 1990 年我国的集成电路产量只有 1.1亿块， 1995 年才增加到3.1亿块，但 2007 年就达到 411.6亿块，比上一年增长 22.6％。在 2003～ 2012 年期间，我国集成电路总产量及预测详见表 1-1-1 。近年来，以“龙芯 2F”等为代表的 64位 CPU芯片，以及万亿次高性能计算机“ KD-50-I”的研制成功，标志着我国集成电路已进入全面发展的新时期。预料到 2012 年将达到 10% 以上，真正成为世界上的 IC 生产大国。

年份 2003 年 2005 年 2007 年 2010 年 2012 年

我国 IC 总产量 / 亿块 148.31 266 411.6 800 1200

国产 IC 占全球产量的份额 /%

1.5 4.5 6 8 ＞ 10

表 1-1-1 2003～ 2012 年我国集成电路总产量及预测

（一） CMOS 电路的迅速崛起（二）单片 IC 和单片系统的广泛应

用（三）电子模块的开发（四） ASIC 的推广

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～US

S）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。

2 、 CMOS 电路十大优点（ 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 。

2 、 CMOS 电路十大优点（ 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。

2 、 CMOS 电路十大优点（ 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。

2 、 CMOS 电路十大优点（ 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。



1 、集成传感器目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集

成化、智能化、网络化、系统化的方向发展单片智能传感器是将传感器、信号调理器、微处理器和接口电路等集成在一个芯片中，

能实现信息检测、信息处理、信息存储和信息输出的新一代传感器。

单片智能传感器是信息技术前沿的尖端产品，它具有全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等显著优点

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。

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。



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。

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。

（一） CMOS 电路的迅速崛起（二）单片 IC 和单片系统的广泛应用（三）电子模块的开发（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 ）。


第二节第二节数字集成电路的分类数字集成电路的分类


第 0 部分第一部分第二部分第三部分第四部分用字母表示器件符合国家标准用字母表示器件的类型器件的系列和

品种代号用字母表示器件的工作温度范围用字母表示器件的封装

符号意义符号意义符号意义符号意义

C符合国家标准

T TTL 电路用阿拉伯数字和字符表示

C 0 ～ 70℃ F 多层陶瓷扁平H HTL 电路 G

－ 25～ 70℃ B 塑料扁平

E ECL 电路 L－ 25～ 85

℃ H 黑瓷扁平

C CMOS 电路 E－ 40～ 85

℃ D 多层陶瓷双列直插

M 存储器 R－ 55～ 85

℃ J 黑瓷双列直插

μ 微型机电路 M－ 55～125℃ P 塑料双列直插装

F 线性放大器 S 塑料单列直插W 稳压器 K 金属菱形B 非线性电路 T 金属圆形J 接口电路 C 陶瓷片状载体

AD A/D转换器 E 塑料片状载体DA D/A转换器 G 网格阵列D 音响、电视电路SC 通信专用电路SS 敏感电路SW 钟表电路

1. CMOS 数字电路2. TTL 数字电路。3. ECL 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


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）


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 ECL 电路有 CE100K、 CE8000 等系列，此外还有超大规模门阵列 ECL 电路。


第三节第三节数字数字 ICIC 的接口电路的接口电路


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

一、 TTL/CMOS 单向电平转换接口二、具有三态输出的双向总线电平转换接口三、 CMOS 电路与晶体管的接口四、利用驱动器阵列作接口五、利用施密特触发器作接口六、利用固态继电器作接口

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。图 1-3-1 TTL/CMOS 单向电平转换接口


74LVX4245 是飞兆（ Fairchild ）公司生产的具有三态输出的 8 位双向总线电平转换收发器。本身带输出使能控制端的双向总线驱动器，5V、 3.3V 电平的驱动电流分别可达24mA、 12mA 。可同时进行两个总线的电平转换，从而实现系统中两个子系统之间的数据传输。

74LVX4245 的两个电源端UCCA和UCCB分别接 A 、B 的电源。

A0～A7为＋ 5V 子系统 A 的输入 /三态输出端口， B0～B7为＋ 3.3V 子系统 B 的输入 /三态输出端口。

OE# 为输出使能端（低电平有效） T/ R# 为接收 /发送控制端，用来控制总线数据的传输方向是从 A→B ，还是从 A←B 。当使能端OE# ＝ 0 （低电平）、发送 /接收控制端 T/

R#＝ 0 时，总线数据是从 A 传输到 B ；当 OE# ＝0 、 T/R# ＝ 1 （接＋ 5V 高电平）时，总线数据是从B 传输到 A 。当OE# ＝ 1 （接＋ 5V 高电平）时， A0～A7、B0～B7端口均呈高阻态。


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。

F CES2

F

E U UR

I

＝

图 1-3-4 CMOS 与晶体管接口驱动LED 的电路


MC1413 （国产型号为 5G1413 ）是七路达林顿驱动器阵列，每一路为集电极开路的反相器（相当于 OC门），其电流放大系数 hFE≈1500倍， ICM≥200mA 。但七路同时工作时，每路的电流应小于 40mA 。每个内部反相器的输出端还接有续流二极管 VD 。

图 1-3-5 MC1413 的应用电路


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。

图 1-3-6 施密特整形电路

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。

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


图 1-3-8 固态继电器的内部电路a ）直流固态继电器 b ）交流固态继电器

典型产品：美国国际整流器公司（ IR ）生产的 16045580（DC-

SSR ，驱动电流 IS＝ 3 ～ 8mA ，负载电压UL≥25V ，负载电流 IL＝ 1A ，导通压降UON＜ 0.6V ）；

SP2210（ AC-SSR， IS＝ 10～ 20mA，UL＝ 24 ～ 250V AC， IL＝ 2A ）。

图 1-3-9 固态继电器的典型应用电路a） DC-SSR b） AC-SSR

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%

2410n

1210n

6 10n

精密等级 001 005 01 02 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ±0.1% ±0.5% ±1% ±2% ±5% ±10% ±20%

色环表示法

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%

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

D F G J K M N P S Z

% ±0.5 ±1 ±2 ±5 ±10 ±20 ±30 ＋ 100－ 10

＋ 50－ 20

＋ 80－ 20

容量误差符号：

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？

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