1、第6章 数据采集系统常用电路第 6 章 数据采集系统常用电路6.1 6.1 多路模拟开多路模拟开关关6.2 6.2 采样采样/保持电保持电路路6.3 6.3 信号放大电信号放大电路路6.6.4 MAX260 4 MAX260 滤波芯滤波芯片片6.5 6.5 存储电存储电路路6.6 6.6 显示电显示电路路6.7 6.7 数字电位器数字电位器第6章 数据采集系统常用电路在计算机数据采集系统中，除了用到第 3 章介绍的各类传感器外，要获取信号并将信号输入计算机处理还需要要用到一系列辅助电路或芯片，如多路模拟开关、采样/保持电路、测量放大电路和芯片、滤波电路和芯片、存储电路和显示电路等。本章将分别介
2、绍这些常用电路和芯片。第6章 数据采集系统常用电路6.1 多路模拟开关多路模拟开关在数据采集系统中，如果有多个独立的或相关的模拟信号需要采集，为使采样/保持器和 A/D 转换器等后续电路可以公用，则可通过多路模拟开关按序切换来实现。但这种系统的速度和精度将有所下降，故适用于对速度和精度要求不高的场合(如工业控制现场)。第6章 数据采集系统常用电路多路转换设计中最令人关心的电气元件是开关器件，一般常用的是机电开关和固体多路开关。机电开关有干簧继电器、湿式水银继电器等。机电开关在通断指标方面具有近似理想的电气特性，但是速度和体积等方面则不够理想。另外，在簧片和连线间还存在有热电势。固体多路开关有双
3、极型晶体管、场效应管，目前集成电路中多用 CMOS 结构，CMOS 集成电路开关体积小、速度快、导通电阻较低。第6章 数据采集系统常用电路电路上常用的模拟开关是 CMOS 模拟开关，目前可供选择的 CMOS 多路模拟开关很多，大多都集成在一个芯片中。各种型号的多路模拟开关，虽然它们型号不同，但功能基本相同，仅是在切换通道数目、接通及断开时的开关电阻、漏电流以及输入电压等参数方面有所差异。多路模拟开关常用的有多输入单输出和单输入多输出两种，数据采集系统中常用多输入单输出多路模拟开关。在数据采集中常用的多路模拟开关集成芯片有 AD 公司的 AD7501 和 AD7503，RCA公司的 CD405
4、以及 MOTA 公司的 MC14051 等。第6章 数据采集系统常用电路6.1.1 AD75011.逻辑结构逻辑结构AD7501 的内部结构如图 6.1 所示。AD7501 由三个地址线 A 0、A 1 和 A 2 的状态及 EN端来选择 8 路通道中的一路，当 EN 端为高电平时模拟开关选通。AD7503 与 AD7501 相比，除了 EN 端的控制逻辑电平相反外，其他部分完全相同。第6章 数据采集系统常用电路图 6.1 AD7501 的内部结构第6章 数据采集系统常用电路2.性能参数性能参数AD7501 的主要性能如下:CMOS 工艺制造。能直接与 TTL/CMOS 接口。单路 8 选 1
5、 模拟多路转换器。具有双向传输能力。标准 16 引脚 DIP 封装。电源:+/-15V。功耗:300 W。开关接通电阻:170(标准)。开关接通时间:0.8 s(标准)。开关断开时间:0.8 s(标准)。第6章 数据采集系统常用电路3.应用应用可以用两片 AD7501 利用 4 位地址线来获得 16 通道的实用线路，如图 6.2 所示。其中选通信号 C=0 时，选通允许，由 A3 的电平来选择两个模拟开关之一。第6章 数据采集系统常用电路图 6.2 用两片 AD5701 实现 16 通道第6章 数据采集系统常用电路6.1.2 CD4051CD4051 是常用的由场效应管组成的单端 8 通路模拟
6、开关，它的原理图如图 6.3 所示。它有 3 根二进制的控制输入端 A、B和 C以及1根禁止输入端 INH(高电平禁止)。片上有二进制译码器，可由 A、B 和 C 共 3 个二进制信号在 8 个通路中选择 1 个。当 INH 为高电平时，无论 A、B 和 C 为何值，8 个通路都不通。第6章 数据采集系统常用电路图 6.3 CD4051 原理图第6章 数据采集系统常用电路CD4051 有很宽的数字和模拟信号电平，数字信号为 315V，模拟信号峰 峰值为15V。当 V DD-V FF=15V，输入范围为 15V 时，其导通电阻为 80;当 V DD-V FF=10V时，其断开时的漏电流为 10p
7、A;静态功耗为 1 W。为了提高抗共模干扰能力，可用差动输入方式。图 6.4 为 16 个通路差动输入时CD4501 的连接方法。若要采样第 15 号通路的模拟信号，则由程序在 CPU 的数据总线上输出 1111，经锁存器后其输出 Q3 Q 0 为 1111，此时只有 2 号、3 号的 INH 为低电平，允许选通。A、B 和 C 端均为 1，X7 路接通，选中第 15 号通路。第6章 数据采集系统常用电路图 6.4 使用 CD4051 时的差动接法第6章 数据采集系统常用电路6.2 采样采样/保持电路保持电路在数据采集系统中，在进行 A/D 转换时使输入信号保持不变的电路称为采样/保持电路。采
8、样/保持电路对数据采集系统的精度具有决定性的影响。第6章 数据采集系统常用电路6.2.1 概念介绍概念介绍采样/保持电路一般有两种运行模式:采样模式和保持模式，它由数字控制输入端来选择。在采样模式中输出随输入变化，增益一般为 1;在保持模式中，电路的输出将保持不变，直到数字控制输入端输入了下一个采样命令为止。采样/保持电路通常由保持电容、逻辑输入控制的开关电路和输入、输出缓冲放大器等组成。如图 6.5 所示为一般采样/保持器的电路原理。第6章 数据采集系统常用电路图 6.5 一般采样/保持器的电路原理第6章 数据采集系统常用电路如图 6.5 所示，在采样模式期间，逻辑输入控制的开关是闭合的，A
9、 1 是高增益放大器，它的输出通过开关给电容器快速充电;在保持模式期间，开关断开，由于运算放大器A 2 的输入阻抗很高，即理想情况下，电容器将保持充电时的最终值不变。有些采样/保持芯片中不包含保持电容，此时保持电容由用户根据需要选择。第6章 数据采集系统常用电路1.性能参数性能参数采样/保持器的主要性能参数介绍如下。1)孔径时间 T P 孔径时间 T P 是指从保持命令发出到开关完全断开所需要的时间。这是开关从闭合状态到断开状态的过渡时间，它将使实际电压值与希望的电压保持值之间产生误差，影响转换精度。第6章 数据采集系统常用电路 2)捕捉时间 T C捕捉时间 T C是指从采样命令发出到采样/保
10、持器的输出由上次保持值达到输入信号的当前值所需的时间。捕捉时间 T C与模式开关的接通时间、电容充电时间常数及保持电容上的电压变化幅度有关。捕捉时间 T C越小，采集系统所允许的采样频率越高。第6章 数据采集系统常用电路 3)保持电压的衰减率在保持模式状态下，由于保持电容的漏电和其他杂散漏电流引起的保持电压衰减的速率称为保持电压的衰减率。并不是所有的数据采集系统都需要采样/保持器。在数据采集系统中，主要根据被采样信号的变化快慢(频率)来决定是否需要采样/保持器。对于缓慢变化信号的采集，如生物医学信号可以不用采样/保持器。对于频率较高的模拟信号，一般要有采样/保持器。第6章 数据采集系统常用电路
11、假若保持命令与 A/D 的转换命令同时发出，那么当输入信号变化缓慢到在孔径时间T P 内输入信号的变化量小于 A/D 转换的分辨力时，采集系统不需要采样/保持器。即当允许输入信号最大变化率(d V/d t)max 与采样/保持器的孔径时间 T P 的乘积量小于 A/D 转换器所能分辨的最小电压(2-n V F，其中 V F 是 A/D 转换的满度值)时，也就是第6章 数据采集系统常用电路此时，采集系统不需要采样/保持器。为了提高允许信号电压的最大变化率，常把保持命令相对于 A/D 转换命令提前 T P 发出，这时式(6.1)变为式中，T P是孔径时间 T P的不定性。由式(6.2)可以看出，此
12、时系统所允许输入信号的最大变化速率与 T P无关，而只与 T P有关，这样大大提高了系统所允许输入信号的最大变化率。第6章 数据采集系统常用电路 2.结构形式结构形式在速度与各通道相位要求不高的场合中，常采用一个多路模拟开关切换模拟输入信号，然后用一只公用的采样/保持器和一只公用的 A/D 变换器完成各通道信号的采样与量化，如图 6.6 所示。这种方式的缺点主要是由于采用了公共的采样/保持器，在完成一次A/D 变换后，要等到下一次采样命令到达，并使保持电容上的电压跟踪到当前输入信号的值后，才能再次启动 A/D 变换器，因而速度慢，易引起各通道间的相位误差。第6章 数据采集系统常用电路图 6.6
13、 多通道公用 S/H 和 A/D第6章 数据采集系统常用电路除了图 6.6 之外，多通道公用 A/D 的另外一种形式如图 6.7 所示。图 6.7 中每一个通道都自备一只采样/保持器，启动采样后，各通道并行地进行采样，然后由多路开关轮流选通并进行 A/D 变换。这种方式可不必考虑采样/保持器的捕捉时间。第6章 数据采集系统常用电路图 6.7 多通道公用 A/D第6章 数据采集系统常用电路对于高速多通道数据采集系统，以及需要各通道同时采集数据的系统，上述多通道公用 A/D 转换器或 S/H 的电路通常不能满足要求。此时通常让每个通道各自具有采样/保持器与 A/D 变换器，如图 6.8 所示。第6
14、章 数据采集系统常用电路图 6.8 多通道分别采用 S/H 和 A/D第6章 数据采集系统常用电路目前使用的采样/保持电路集成芯片很多，如 AD346、AD389、AD9100、AD585、LF198 和 LF398 等，其中又以 AD585 和 LF398 使用最多，下面我们主要探讨 AD585 和LF398 的结构性能和使用情况。第6章 数据采集系统常用电路6.2.2 AD5851.AD585 的结构的结构AD585 是单片采样/保持放大器。该芯片由高性能的运算放大器、低漏电的模拟开关和 FET 集成放大器组成。AD585 片内有保持电容以及匹配电阻，精度高而且应用方便。AD585 封装为
15、 DIP14，其引脚定义如图 6.9 所示。第6章 数据采集系统常用电路图 6.9 AD585 的引脚定义第6章 数据采集系统常用电路 2.AD585 的性能的性能以下是 AD585 的具体性能参数:采样时间:3 s。泄漏速率:1mV/ms 失调电压:3mV。抖动时间:0.5ns。外部温度:-55+125。片内保持电容。片内匹配电阻。电源:12V 或 15V。可表贴。第6章 数据采集系统常用电路3.AD585 的应用的应用由 AD585 组成的增益为 1 的采样/保持电路如图 6.10 所示，该电路实质上是增益为 1的同相放大器。该电路外围元件少，由于片内有保持电容，因此外部电容一般不接，除非
16、有特殊要求。对于要求较高的应用，可以外接 10k 的调零电位器。第6章 数据采集系统常用电路图 6.10 AD585 一倍增益采样/保持电路第6章 数据采集系统常用电路为了进一步说明 AD585 的应用，我们给出 AD585 与 12 位采样芯片 AD578K 的连接电路图，如图 6.11 所示，其中 AD578K 的 27 脚作为 10V 范围输入脚与 AD585 的输出脚相连。AD578K 的 21 脚为采样变换启动命令脚，由高跳低时启动采样。AD578K 的 20 脚为结束采样信号端，在采样期间保持高电平，驱动 AD585 的 12 脚(HOLD)保持信号。第6章 数据采集系统常用电路图
17、 6.11 AD585 与 AD578K 连接电路图第6章 数据采集系统常用电路6.2.3 LF3981.LF398 的结构的结构LF398 是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。与 LF398 结构相同的还有 LF198、LF298 等，它们都是由场效应管构成的，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。LF398 的结构和引脚图如图 6.12 所示。第6章 数据采集系统常用电路由图 6.12 可以看出，LF398 由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。控制电路中 A3 主要起到比较器的作用，其中引脚 7为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考端电
18、压时，输出一个低电平信号驱动开关 S 闭合，此时输入信号经 A1后跟随输出到 A2，再由 A2 的输出端跟随输出，同时向保持电容(接引脚 6 端)充电。而当 8 端的控制逻辑电平低于参考端电压时，A3输出一个高电平信号使开关 S 断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此 A1和 A2是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。第6章 数据采集系统常用电路图 6.12 LF398 的结构和引脚图第6章 数据采集系统常用电路 2.LF398 的性能参数的性能参数LF398 的性能参数如下:反馈型采样/保持放大器。片内无保持电容。采样时间(
19、10V 级，到 0.01%):20 s 增益误差:0.01%。下降率:3mV/s(标准)。失调电压:7mV。保持电容:0.01 F。第6章 数据采集系统常用电路 3.LF398 的应用的应用如图 6.13 所示为 LF398 的典型应用电路图。此时，逻辑控制电压从 8 脚输入，当输入高电平时，LF398 进行采样;当输入低电平时，LF398 保持采样值不变。第6章 数据采集系统常用电路图 6.13 LF398 的典型应用第6章 数据采集系统常用电路如图 6.14 所示为应用了 LF398 的峰值采集电路。当信号处于上升阶段，即 V 1 V 2时，比较器输出为高电平;当信号达到峰值后，即 V 1
20、 V 2 时，比较器电平反转，成为低电平，启动 A/D 即可获得此时的峰值电平。如果给采样/保持放大器一个恒定保持信号，将保持住峰值。第6章 数据采集系统常用电路图 6.14 应用 LF398 的峰值采集电路第6章 数据采集系统常用电路6.3 信号放大电路信号放大电路6.3.1 放大电路原理放大电路原理各种非电量的测量通常由传感器将其转换为电压(或电流)信号，此电压信号一般可能较弱，最小的为 0.1 V，而且动态范围较宽，且往往有很大的共模干扰。因此，在传感器后面大都需要接大器电路，以便与 A/D 转换器所需的电平极性匹配，充分利用 A/D 的精度。同时，信号放大电路还应起阻抗变换作用，隔离后
21、面的负载对传感器的影响，并充分抑制共模干扰。第6章 数据采集系统常用电路由于传感器的输出阻抗一般很高，输出电压幅度很小，再加上工作环境恶劣，因此要求信号放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低失调与漂移、低噪声及高闭环增益稳定性等。本节介绍几种由运算放大器构成的高共模抑制比放大器电路。第6章 数据采集系统常用电路1.同相串联差动放大器同相串联差动放大器图 6.15 为同相串联差动放大器。电路要求两只运算放大器的性能参数基本匹配，且在外接电阻元件对称的情况下(即 R 1=R 4，R 2=R 3)，电路可获得很高的共模抑制比，此外还可以抵消失调及漂移误差电压的作用。第6章 数据采集系统常用电路图
22、6.15 同相串联差动放大器第6章 数据采集系统常用电路该电路的输出电压由叠加原理可得从而求得差模闭环增益为第6章 数据采集系统常用电路2.同相并联差动放大器同相并联差动放大器图 6.16 为同相并联差动放大器。该电路与图 6.15 电路一样，仍具有输入阻抗高、直流效益好、零点漂移小、共模抑制比高等特点，在传感器信号放大中得到广泛应用。由图 6.16 可知:第6章 数据采集系统常用电路图 6.16 同相并联差动放大器第6章 数据采集系统常用电路将 I 代入 U o1、U o2 可得由此可得差模电路的闭环增益为第6章 数据采集系统常用电路该电路若用一可调电位器代替 R 7，则可以调整差模增益的大
23、小。该电路要求 A3 的外接电阻严格匹配，因为 A3 放大的是 A 1、A 2输出之差。电路的失调电压是由 A3引起的，降低 A3 的增益可以减小输出温度漂移。第6章 数据采集系统常用电路6.3.2 AD620 集成仪表放大器集成仪表放大器1.AD620 原理原理AD620 集成仪表放大器的引脚图如图 6.17 所示。其中 1、8 脚要跨接一个电阻 R G 来调整放大倍率，4 和 7 脚需提供正负相等的工作电压，由 2、3 脚输入的电压即可从 6 脚输出放大后的电压值。5 脚是参考基准，如果接地则 6 脚的输出即为与地之间的相对电压。AD620 的放大增益关系式如式(6.8)所示，通过式(6.
24、8)可推算出各种增益所要使用的电阻值 R G。第6章 数据采集系统常用电路图 6.17 AD620 集成仪表放大器的引脚图第6章 数据采集系统常用电路 AD620 的基本特点为精度高、使用简单、低噪声，增益范围为 11000，只需一个电阻即可设定，电源供电范围 2.318V，而且耗电量低，可用电池驱动，方便应用于可携式仪器中。第6章 数据采集系统常用电路 2.AD620 基本放大电路基本放大电路AD620 非常适合压力测量方面的应用，如用于一般压力测量器的电桥电路的信号放大。图 6.18 为基于 AD620 的压力测试电路图。其中由 3k 电阻组成的电桥为压力传感器，产生的差动信号分别接入 A
25、D620 的 3 脚和 2 脚。增益电阻 R G 选为 499，增益值为100。由 AD705 组成跟随电路，使 ADC 的参考地和 AD620 的参考电压固定在 D705 的正输入端。而 AD705 的正输入端的电压为 2V(由 20k 和 10k 电阻产生)。这样由 AD620输出的电压在 2V 上下波动，适于 ADC 采集。第6章 数据采集系统常用电路图 6.18 AD620 压力测试电路第6章 数据采集系统常用电路 AD620 也可以作为心电图测量使用。图 6.19 为AD620 组成的心电图测试电路。图6.19 中 R G 选为 8.25k，增益值为 7。AD620 输出的信号经过
26、0.03Hz 的高通滤波器后，再经 143 倍放大作为输出信号。这样设计是因为心电信号本身含有一定的低频成分，如果直接高增益放大，会造成后电路饱和。由于人体心电信号中含有较强的 50Hz 工频共模干扰，因此 AD620 的使用可以很好地抑制共模干扰。但由于人体左右手的共模干扰有可能相位不一致，因此电路中人体右腿电极通过 C 1 和 R 1、R 2、R 3 接入 AD620 的 1、8 脚，可以更好地同步工频干扰相位。第6章 数据采集系统常用电路图 6.19 AD620 心电图测试电路第6章 数据采集系统常用电路由于 AD620 的耗电量低，电路中电源可用 3V 干电池驱动，因此 AD620 可
27、以应用在许多可携式的医疗设备中。第6章 数据采集系统常用电路6.4 MAX260 滤波芯片滤波芯片信号在被 ADC 采样之前一般要进行滤波，一来为了使其满足采样定理，同时去除信号中的干扰或噪声成分。传统的 RC、LC 等滤波电路可以实现信号的滤波功能，但对元器件的参数精度要求比较高，设计和调试也比较麻烦。美国 Maxim 公司生产的可编程滤波器芯片 MAX260 可以通过编程对各种低频信号实现低通、高通、带通、带阻以及全通滤波处理，且滤波的特性参数，如中心频率、品质因数等，可通过编程进行设置，电路的外围器件也较少。下面介绍MAX260 的功能以及由它构成的滤波器电路。第6章 数据采集系统常用电
28、路MAX260 芯片是 Maxim 公司推出的双二阶通用开关电容有源滤波器，可通过微处理器精确控制滤波器的传递函数(包括设置中心频率、品质因数和工作方式)。它采用 CMOS工艺制造，在不需外部元件的情况下，控制 MAX260 引脚就可以构成各种带通、低通、高通、陷波和全通滤波器。图 6.20 是 MAX260 的引脚封装和内部结构示意图，表 6.1 是MAX260 引脚说明。第6章 数据采集系统常用电路图 6.20 MAX260 封装和内部结构(a)引脚封装;(b)内部结构第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路MAX260 由 2 个二阶滤波器(A 和 B 两部分)、2 个可
29、编程 ROM 及逻辑接口组成。每个滤波器部分又包含 2 个级联的积分器和 1 个加法器。该芯片的主要特性如下:(1)配有滤波器设计软件，可改善滤波特性，带有微处理器接口。(2)可控制 64 个不同的中心频率 f 0、128 个不同的品质因数 Q 及 4 种工作模式。(3)对中心频率 f 0 和品质因数 Q 可独立编程。(4)时钟频率与中心频率比值(f clk/f 0)精度可达到 1%。MAX260 滤波器可设为二阶低通、带通和高通滤波器。第6章 数据采集系统常用电路二阶低通滤波器的传递函数为带通滤波器的传递函数为高通滤波器的传递函数为中心频率为第6章 数据采集系统常用电路MAX260 通过 A
30、 0 A 3 脚、D 0、D 1 脚和 WR 提供对微处理器的接口。通过微处理器接口用户可以对 MAX260 内的储存单元写入特定的数值，实现对滤波器类型、中心频率 f 0和品质因数 Q 的设定。第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路通过对表 6.2 中的 M 0 和 M 1 的设定可以将 MAX260 设定为 4 种不同的工作模式。其中工作方式 1 可实现低通和带通滤波器，信号分别由 LP 和 BP 脚输出。工作方式 2 也可实现低通和带通滤波器，信号分别由 LP 和 BP 脚输出。相对于方式 1，可实现较高的 Q 值和较低的噪声。工作方式 3 可实现高通滤波器，信号由 H
31、P 脚输出;工作方式 4 可实现全通滤波器，信号由 HP 脚输出，以实现信号的群延时补偿，并且可与方式 1 联合使用。另外，MAX260 在程序控制方面还为用户提供了专门的开发工具和编程软件，可以方便地设定芯片的模式和状态。第6章 数据采集系统常用电路6.5 存存 储储 电电 路路存储器是具有记忆功能的部件，用来存放程序和数据，是计算机不可缺少的重要组成部分。记录 1 位二进制信息的最小存储单元称为存储位元(MemoryCell)。从初期的汞、镍延迟线，到目前广泛使用的超大规模集成电路存储芯片，随着计算机的广泛应用和发展，计算机存储器种类不断增加、功能不断增强、容量大幅度提高。第6章 数据采集
32、系统常用电路6.5.1 存储器概述存储器概述1.存储器的分类存储器的分类存储器技术发展很快，不断出现新的存储介质和存储元器件，不仅存取方式多种多样，而且速度差异悬殊，保存信息的方式和手段也是千差万别。可以从下面从四个不同的角度对存储器进行分类。1)按在系统中的作用根据存储器在系统中的作用不同，存储器可分为主存储器、辅助存储器和高速缓冲存储器。第6章 数据采集系统常用电路(1)主存储器:简称主存，用来存放当前运行时所需要的程序和数据，以便向 CPU 快速地提供信息。相对于辅助存储器而言，主存的存取速度快，但容量较小，且价格较高。由于主存设置在主机的内部，故又称“内存储器”。主存容量一般在几百千字
33、节到几百兆字节之间，指令可直接访问。对于主存，从物理结构上看，若干个存储位元组成一个存储单元。一个存储单元可存放一个机器字(Word)或一个字节(Byte)。存放一个机器字的存储单元，称字存储单元。存放一个字节的存储单元，称字节存储单元。第6章 数据采集系统常用电路(2)辅助存储器:简称辅存，用来存放当前暂不参与运行的以及一些永久性保存的程序、数据和文件，在 CPU 需要处理时再成批地同主存交换。其特点是存储容量大、价格低，但存取速度较慢，由于辅存一般在主机的外部，故又称为“外存储器”。同主存相比，辅存容量相当大，通常在几十兆字节(220 B)到几百吉字节(230 B)之间，有的甚至达到几太字
34、节(240 B)，辅存存取速度比主存至少慢两个数量级。第6章 数据采集系统常用电路(3)高速缓冲存储器(Cache):简称缓存，位于主存和 CPU 之间，存放当前正在执行程序的部分程序段或数据，以便向 CPU 快速提供马上要执行的指令或数据。其速度可与CPU 匹配，存取时间在几纳秒到十几纳秒之间，存储容量一般在几千字节到几兆字节之间。第6章 数据采集系统常用电路2)按存储介质根据存储介质的不同，存储器可分为半导体存储器、磁存储器和光盘存储器。(1)半导体存储器:目前应用相当广泛，半导体存储器的种类也很多，可以说几乎每个数据采集系统都带有半导体存储器存放程序和数据。第6章 数据采集系统常用电路(
35、2)磁存储器:用非磁性金属或塑料作基体，在其表面涂敷、电镀、沉积或溅射一层很薄的高导磁率和硬矩磁材料的磁面，用磁层的两种剩磁状态记录信息“1”和“0”。基体和磁层合称为磁记录介质。计算机中目前广泛使用的是磁盘存储器。磁存储器是通过磁记录介质作高速旋转或平移，借助于软磁材料制作的磁头实现读/写。因为它采用机械运动方式，所以存取速度远低于半导体存储器，为 ms 级。磁存储器的存储位元是磁层上非常小的磁化区域，可以小至 20 m2，所以存储容量可以很大，与半导体存储器相比，每位价格低得多，因此广泛用作辅存。第6章 数据采集系统常用电路(3)光盘存储器:和磁存储器类似，光盘存储器也是将用于记录的薄层涂
36、敷在基体上构成记录介质。不同的是光盘存储器基体使用的圆形薄片由热传导率很小、耐热性很强的有机玻璃制成。在记录薄层的表面再涂敷或沉积保护薄层，以保护记录面。光盘存储器是目前辅存中记录密度最高的存储器，存储位元区域可小至 1 m2，存储容量很大且盘片易于更换，但其缺点是存储速度比硬盘低一个数量级。第6章 数据采集系统常用电路 3)按存储方式根据存储方式的不同，存储器可分为随机存取存储器、只读存储器、顺序存取存储器、直接存取存储器。(1)随机存取存储器(RadomAccessMemory，RAM):以存储单元为单位组织信息和提供访问，CPU 通过指令可随机写入或读出信息。所谓“随机”是指对存储器的任
37、何存储单元都可随时访问并且访问所需时间都是相同的，与存储单元所处的物理位置无关。原因是这种存储器对每个存储单元都有唯一的、由电子线路构成的寻址机构。这类存储器的特点是速度快、访问时间是 ns 级，用作 Cache 和主存，目前广泛使用的是半导体存储器。第6章 数据采集系统常用电路(2)只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM):除正常工作时只能随机读出信息、不能随机写入信息外，其他特征均同 RAM。ROM 中的信息是在事先写入的，信息一旦写入后，便可长期保存。目前广泛使用的是半导体大规模集成电路 ROM。根据用户要求不同，写入方式也存在很大差异。依写入方式不同 ROM 又分为两类。第一
38、类是掩膜 ROM(MaskedROM，MROM)，它是在制造时使用掩膜工艺将信息写入存储器，用户不能作任何改动，只能从中读出信息。第二类是可编程 ROM，即 PROM(ProgrammableROM)。生产厂家在制造存储器时，就写入全“1”或全“0”，用户根据自己需要可多次擦除和改写。第6章 数据采集系统常用电路(3)顺序存取存储器(SerialAccessStorage，SAS):该存储器中的信息按文件组织，一个文件可包含若干个数据块，一个数据块又包含若干个字节，它们顺序地记录在存储介质上，存取时以块为单位，只能顺序查找块号，找到后即成块顺序读/写，所以存取时间与信息所处的物理位置关系极大。
39、这类存储器速度慢、容量大、成本低，常作为后援辅存。磁带存储器属于此类存储器。第6章 数据采集系统常用电路(4)直接存取存储器:这种存储器信息的组织与顺序存取存储器相同，存取信息也是以块为单位。它是介于随机存取和顺序存取之间的一种存储器。对信息的存取分两步进行，首先随机指向存储器的一个区域，如磁道和光道，然后对这一部分区域进行顺序存取。磁盘和光盘属于此类存储器。第6章 数据采集系统常用电路 4)按信息的可保存性根据信息的可保存性的不同，存储器可分为挥发性存储器(VolatileMemory)和非挥发性存储器(NonvolatileMemory)。挥发性存储器亦称易失性存储器，这种存储器的特点是断
40、电后信息即丢失。非挥发性存储器亦称非易失性或永久性存储器，这种存储器特点是断电后信息不丢失。半导体随机存取存储器为挥发性存储器，半导体只读存储器、磁存储器和光盘存储器都是非挥发性存储器。第6章 数据采集系统常用电路 2.存储器的性能指标存储器的性能指标1)存储容量存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量。表示方法为:存储容量=存储单元数 每单元二进制位数。2)最大存取时间存储器的存取时间定义为访问一次存储器(对指定单元写入或读出)所需要的时间，这个时间的上限值即为最大存取时间。最大存取时间越短，芯片的工作速度越快。第6章 数据采集系统常用电路 3)可靠性可靠性指存储器对电磁场及温度等变化的抗干
41、扰能力。4)其他指标其他指标如体积、功耗、工作温度范围、成本等也是存储器的重要性能指标。第6章 数据采集系统常用电路6.5.2 半导体存储器半导体存储器半导体存储器可分为 RAM 和 ROM。RAM 即随机读/写存储器，它属于非永久性记忆存储器，用来存放需改变的程序、数据、中间结果及作为堆栈等;ROM 即只读存储器，它属于永久性记忆存储器，用来存放固化系统的设备驱动程序、不变的常数和表格等。第6章 数据采集系统常用电路 1.随机存储器随机存储器 RAM按制造工艺 RAM 可分为双极型和 MOS 型。双极型 RAM 用晶体管组成基本存储电路，其特点是存取速度快，但与 MOS 型相比，集成度低、功
42、耗大、成本高，常用来制造Cache。MOS 型 RAM 用 MOS 管组成基本存储电路，存取速度低于双极型，但集成度高、功耗低、成本低、应用广泛。MOS 型 RAM 又可分为静态(SRAM)和动态(DRAM)两类。SRAM 基本存储单元电路如图 6.21(a)所示;DRAM 基本存储单元电路如图 6.21(b)所示。第6章 数据采集系统常用电路 1)SRAM如图 6.21(a)所示，常用的 SRAM 基本静态存储单元电路由 6 个 MOS 管 Q 1 Q 6 组成。其中 Q 1 和 Q 2 组成一个触发器，Q 3 和 Q 4 为负载管，Q 5 和 Q 6 为控制门。Q 1 截止时，A 点输出高
43、电平。这使 Q 2 导通，B 点输出低电平。B 点的低电平又保证了 Q 1 的截止。可以设定存储电路的这种情况为状态“1”。同样分析可得，如果 Q 1 导通，则 Q 2 截止。A 点输出低电平，B 点输出高电平。设定存储电路的这种情况为状态“0”。第6章 数据采集系统常用电路图 6.21 SRAM 和 DRAM 的基本存储单元(a)SRAM 的基本存储单元;(b)DRAM 的基本存储单元第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路 2)DRAM如图 6.21(b)所示，DRAM 的存储单元电路只用一个管子 Q 和一个电容 C 组成。写入时，字选择线为“1”，Q 管导通，写入信号由数
44、据线存入电容 C 中;读出时，Q 管也导通，电容 C 中的电荷经 Q 管送到数据线。动态 RAM 使用管子少，芯片的位容量大，但在读出时，电容中的电荷损失较多，需用刷新电路进行恢复。3)SRAM 和 DRAM 的共同点(1)断电后记忆内容丢失。(2)既可读亦可写。第6章 数据采集系统常用电路 4)SRAM 和 DRAM 的区别(1)从存放一位信息的基本存储电路来看，SRAM 由六管结构的双稳态电路组成，而DRAM 是由单管组成，是靠分布电容来记忆信息的。(2)SRAM 的内容不会丢失，除非对其改写，DRAM 除了对其进行改写或掉电，若隔相当长时间时，其中的内容会丢失，因此，DRAM 每隔一段时
45、间就需刷新一次，在 70 的情况下，典型的刷新时间间隔为 2ms。(3)DRAM 集成度高，而 SRAM 的集成度低。第6章 数据采集系统常用电路 2.只读存储器只读存储器 ROM只读存储器 ROM 又分为掩膜 ROM、PROM、EPROM、EEPROM。1)掩膜 ROM掩膜 ROM 在出厂时，厂家采用光刻掩膜技术将程序置入其中，用户使用时，只能进行读操作，不能再改写存储器中的信息。掩膜 ROM 的存储单元电路如图 6.22 所示。第6章 数据采集系统常用电路图 6.22 掩膜 ROM 的存储单元电路(a)状态“0”;(b)状态“1 ”第6章 数据采集系统常用电路由图 6.22 看出，掩膜 R
46、OM 基本存储单元电路中 Q 0 是负载管。字线与位线的交叉处为一个存储单元。交叉处有无管子，由掩膜工艺决定。选中字线时，其电平为高。若存储单元有管子，如图 6.22(a)所示，则管子导通，位线输出低电平，即“0”;若存储单元无管子，如图 6.22(b)所示，则位线输出高电平，即“1”。第6章 数据采集系统常用电路 2)PROMPROM 即可编程 ROM。用户可按照自己的需要进行一次且只能进行一次编程(写操作)，一经编程 PROM 就只能执行读出操作了。PROM 的基本存储单元一般是二极管。编程时，通过写入电路可把一些二极管烧断。烧断的二极管表示“1”，没烧断的二极管表示“0”。PROM 一旦
47、编程，就再不能改变。第6章 数据采集系统常用电路 3)EPROMEPROM 即可擦除编程 ROM，是指用户借助特殊手段写入信息(编程)且能用紫外线擦除信息并可重复编程的 ROM。4)EEPROMEEPROM 即 电 可 擦 可 写 ROM。EEPROM 的 基 本 存 储 单 元 与 EPROM 类 似。EEPROM 可用电擦除，不需紫外线，而且写入和擦除电流都很小，可用普通电源供电。EEPROM 的另一个优点是可按字节擦除，把一部分存储单元的内容擦除，而保留另一部分存储单元的内容不变。第6章 数据采集系统常用电路6.5.3 常用存储器常用存储器1.静态静态 RAM(SRAM)1)静态 RAM
48、 的结构和特性随着 CPU 主频不断提高，对存储器存取速度要求也越来越高，因此目前在许多数据采集系统中常常利用静态存储器作为存储器。常用的静态 RAM 芯片有 6116、6264 和62256 等。下面我们以典型产品 62256 为例来说明静态 SRAM 的使用。第6章 数据采集系统常用电路图 6.23 为芯片 62256 的管脚排列及管脚名称，该芯片内部含有 32KB 存储单元。62256 共有 28 条引脚，其中有 15 根地址线，可访问 215=32768(32KB)存储单元;8 根数据线以及 2 根电源线，以及 3 个控制引脚控制对存储器的读/写。第6章 数据采集系统常用电路图 6.2
49、3 62256 的引脚及其定义第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路 2.EPROM1)EPROM 的结构和特性常用的 EPROM 芯片有 2716、2732、2764、27128、27256 和 27512 等。下面以 2716 为例进行讲解。2716 采用 N 通道 FAMOS 工艺。2716 有 21024 个存储单元，每个单元 8 位，共有161024 位。2716 采用 DIP 封装，共 24 个引脚。各引脚的意义如下:第6章 数据采集系统常用电路第6章 数据采集系统常用电路(1)A 0 A 10:地址输入线。
50、(2)D 0 D 7:三态数据总线，读或编程校验时为数据输出线，编程时为数据输入线，维持或编程禁止时呈高阻抗。(3)CE:选片信号输入线，低电平有效。(4)PGM:编程脉冲输入线。(5)OE:读选通信号输入线，低电平有效。(6)V pp:编程电源输入线，该值因芯片型号和制造厂商而异。(7)V CC:主电源输入线，一般为+5V。(8)GND:线路地。第6章 数据采集系统常用电路 2)EPROM 的操作方式EPROM 的主要操作方式有以下 5 种:(1)编程方式:把程序代码(机器指令、常数)固化到 EPROM 中。(2)编程校验方式:读出 EPROM 中的内容，检验编程操作的正确性。(3)读出方式
