第第 1111 章 数据的存储、采集与转章 数据的存储、采集与转换换

*11.1*11.1 半导体存储器半导体存储器

*11.2*11.2 采样和保持电路采样和保持电路

11.3 11.3 数模转换电路数模转换电路

11.4 11.4 模数转换电路模数转换电路

半导体存储器分类：半导体存储器分类：

按功能按功能 只读存储器（只读存储器（ ROMROM ））

随机存取存储器（随机存取存储器（ RARAMM ））

按元件按元件双极型存储器双极型存储器 :: 速度快，功耗大。速度快，功耗大。MOSMOS 型存储器：速度较慢，型存储器：速度较慢，功耗小，集成度高。功耗小，集成度高。

顺序存取存储器（ sAM ）

*11.1*11.1 半导体存储器半导体存储器

11.1.1.1 ROM11.1.1.1 ROM 的电路结构的电路结构

图图 11-1 ROM11-1 ROM 的结构图的结构图

ROMROM 矩阵的容量矩阵的容量 == 字数字数 ×× 位数位数 =2=2nn×M×M

11.1.1 11.1.1 只读存储器只读存储器 ROMROM

11.1.1.2 ROM11.1.1.2 ROM 的工作原理的工作原理

W0W0 ～～ W3W3 四条字线四条字线 表达式为表达式为

0 1 0W A A= 1 1 0W A A=

2 1 0W A A= 3 1 0W A A=

输出输出 DD33DD22DD11DD00 与地址译码器输出与地址译码器输出端字线端字线 WW00 ～～ W3W3 的逻辑关系为 的逻辑关系为

3 1 2D W W= +2 1 2 3D W W W= + +

1 0 1 2D W W W= + +0 3D W=

把把 WW00 ～～ W3W3 与输入地址码与输入地址码 AA11AA00 关系代入有关系代入有

3 1 0 1 0D A A A A= + 2 1 0 1 0 1 0D A A A A A A= + +

1 1 0 1 0 1 0D A A A A A A= + +0 1 0D A A=

在绘制中、大规模集成电路的逻辑图时在绘制中、大规模集成电路的逻辑图时 ,, 为了方便为了方便起见常用如图起见常用如图 11-311-3 所示的简化画法所示的简化画法 ,, 有二极管的存有二极管的存储单元用一黑点表示。储单元用一黑点表示。

例例 11-1 11-1 用简化的用简化的 ROMROM 存储矩阵设计全加器。存储矩阵设计全加器。

解： 首先列出真值表解： 首先列出真值表 逻辑函数表达式逻辑函数表达式

11

1 1

i i i ii i i

i ii i i i

S A B C A B C

A B C A B C

--

- -

= +

+ +

1 1

1 1

i ii i i i i

ii i i i i

C A B C A B C

A B C A B C

- -

- -

= +

+ +

存储器的简化矩阵阵列图如图所示。存储器的简化矩阵阵列图如图所示。

由双极型晶体管和由双极型晶体管和 MOSMOS 型场效应管构成的存储矩型场效应管构成的存储矩阵分别如图所示。 阵分别如图所示。

一次编程只读存储器一次编程只读存储器 PROM PROM 结构示意图 结构示意图

11.1.2.1 RAM11.1.2.1 RAM 的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理11.1.2 11.1.2 随机存取存储器随机存取存储器 (RAM)(RAM)

11 ．存储矩阵．存储矩阵存储矩阵：存储矩阵：由由存储单元存储单元 ( 即位 ) 构成，一个存储单元构成，一个存储单元

存储一位二进制数码“存储一位二进制数码“ 1”1” 或“或“ 0”0” 。存储器是以。存储器是以字为单位进行存储的。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。

22 ．地址译码．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。 字进行读操作或写操作。

33 ．读．读 // 写控制电路与片选控制电路写控制电路与片选控制电路

读读 // 写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。 写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。

当当 RR//WW=1=1 时，执行读操作，时，执行读操作， RR//WW=0=0 时，执行写操作。时，执行写操作。

44 ．片选控制．片选控制

当当 CSCS=0=0 时，选中该片时，选中该片 RAMRAM 工作， 工作， CSCS=1=1 时该片时该片

RAMRAM 不工作。不工作。

如图所示电路是一个如图所示电路是一个 1024×41024×4 位位 RAMRAM 的实例—的实例— 2l142l14的结构框图。 的结构框图。

11.1.2.2 RAM11.1.2.2 RAM 容量的扩展容量的扩展11 ．位扩展（字长扩展） ．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 RAM

22 ．字扩展（地址扩展）．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， 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 采样保 持电路由运算放大器、保持电容持电路由运算放大器、保持电容 CC 和开关和开关 SS 组成。组成。

*11.2 *11.2 采样和保持电路采样和保持电路

合理的采样频率由采样定理确定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—保持电路如图所示电路是集成采样—保持电路 LF198LF198 的电路原理图及的电路原理图及符号。符号。

模模数与数数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接模转换器是计算机与外部设备的重要接口口 ,, 也是数字测量和数字控制系统的重要部件。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将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器数转换器(( 简称简称 A/DA/D 转换器或转换器或 ADCADC)) ；；

传感器传感器

模拟控制模拟控制

模模拟拟信信号号

数字计算机数字计算机

数字控制 数字控制

数数字字信信号号

ADCADC

DACDAC

将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器模转换器(( 简称简称 D/AD/A 转换器或转换器或 DACDAC))

11.3 11.3 数模转换电路数模转换电路

一个一个 nn 位二进制数可表示为位二进制数可表示为 1 2 1 0n nD d d d d- -=

其最高位到最低的权依此为其最高位到最低的权依此为 1 2 1 02 ,2 , 2 ,2n n- - ×

数–模数–模转换（转换（ D/AD/A 转换器转换器）的基本思想：）的基本思想： 由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，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，这就是构成模拟量，这就是构成 D/AD/A 转换器的基本思想。转换器的基本思想。

11.3.1 D/A11.3.1 D/A 转换器的基本原理转换器的基本原理

11.3.2 11.3.2 倒倒 TT 形电阻网络形电阻网络 D/AD/A 转转换器换器

1 0 1 0 1 0 1 0

R

R

R

2R

2R

2R

2R

RF

S0

S3

S2

S1

d3

d0

d1

d2

UR

uo

A

∞ －

+ +

2R

LSB

MSB

I3

I2

I1

I0

I

Σ

UR

UR

UR

R

R

R

2R

2R

2R

2R

UR

2R

RF

uo

∞ －

+ +

I3

I2

I1

I0

1 0 1 0 1 0 1 0

R

R

R

2R

2R

2R

2R

RF

S0

S3

S2

S1

d3

d0

d1

d2

UR

uo

A

∞ －

+ +

2R

LSB

MSB

I3

I2

I1

I0

I

Σ

R

RF

uo

∞ －

+ +

IΣ

U

16842RRRR UUUU

U

UR

UR

UR

R

R

R

2R

2R

2R

2R

UR

2R

RF

uo

∞ －

+ +

I3

I2

I1

I0

R

RF

uo

∞ －

+ +

IΣ

U

R

UI

16842RRRR UUUU

U

）（432 2

1

2

1

2

1

2

1

R

U R

Fo RIu

）（ 00

11

22

33

42222

2dddd

R

RU FR

输出电压 输出电压

）（40

31

223

2222

dddd

R

RU FR

）（40

31

223

2222

dddd

R

U R

总电流总电流

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

）（ 00

11

22

33

42222

2dddd

Uu R

o

）（ 00

33

22

11 2....222

2dddd

Uu n

nn

nn

nnR

o

）（ 0321 2

1....

8

1

4

1

2

1ddddUu

nnnnRo

例 设 R 10VU ，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

o 1 2 3 4

1 0 1 010 V 6.25V

2 2 2 2U

（ 2 ）当数字量为 1111 时

o 1 2 3 4

1 1 1 110 V 9.375V

2 2 2 2U

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 .

11.3.311.3.3 集成集成 D/AD/A 转换器转换器

WR

CS

11.3.4 D/A11.3.4 D/A 转换器的主要参数转换器的主要参数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：

001.01023

1

12

110

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。

33 ．转换时间（输出建立时间）．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）。时所需要的时间，称为转换时间（输出建立时间）。

11.4.1 A/D11.4.1 A/D 转换器的基本原理转换器的基本原理A/DA/D 转换器的基本原理框图如图所示，转换器的基本原理框图如图所示，

11.4 11.4 模数转换电路模数转换电路

为将模拟信号转换为数字量，在为将模拟信号转换为数字量，在 A/DA/D 转换过程中，转换过程中，还必须将采样还必须将采样 -- 保持电路的输出电压，按某种近似方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过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是是 A/DA/D 转换器输出的数字量。 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。

逐次比较型逐次比较型 A/DA/D 转换器原理框图如图所示，是由顺序脉冲发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，生器，逐次逼近寄存器， D/AD/A 转换器和电压比较器等几部分转换器和电压比较器等几部分组成。 组成。

输出数字量 输入模拟电压

uo

ui

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

逐次比较型逐次比较型 A/DA/D 转换器电路如图所示。转换器电路如图所示。

输出数字量 输入模拟电压

uo

ui

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。

原原理理框框图图

基基本本原原理理

ADC0804ADC0804 是用是用 CMOSCMOS 集成工艺制成的逐次比较型模数转集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片。 换芯片。

11.4.3 11.4.3 集成集成 A/DA/D 转换器转换器

11 ．分辨率 ．分辨率 A/DA/D 转换器的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效为转换器的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效为LSBLSB 所对应的输入模拟电压的变化量。 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例如输入模拟电压的变化范围为 00 ～～ 10V10V ，输出为，输出为 1010 位数码，位数码，则分辨率为则分辨率为

10

109.77

2 1 2 1n

UmV

D= =

- -22 ．转换误差 ．转换误差

转换误差表示转换误差表示 A/DA/D 转换器实际输出的数字量和理论上的输出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。数字量之间的差别。

3 3 ．．转换时间转换时间转换时间是指转换时间是指 A/DA/D 转换器从转换控制信号到来开始，到输出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。 端得到稳定的数字信号所经过的时间。

11.4.4 A/D11.4.4 A/D 转换器的主要技术转换器的主要技术指标指标

教学要求教学要求11 、了解、了解 D/AD/A 、、 A/DA/D 转换的功能、类型和指标转换的功能、类型和指标 ; ;

22 、了解、了解 D/AD/A 、、 A/DA/D 转换常用芯片的使用方法。转换常用芯片的使用方法。