数据的存储课件

第第11章章 数据的存储、采集与转换数据的存储、采集与转换*11.1半导体存储器半导体存储器*11.2采样和保持电路采样和保持电路11.3 数模转换电路数模转换电路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：半导体存储器分类：半导体存储器分类：按功能按功能按功能按功能只读存储器（只读存储器（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（随机存取存储器（随机存取存储器（RAMRAM）按元件按元件按元件按元件双极型存储器双极型存储器双极型存储器双极型存储器:速度快，功耗大。速度快，功耗大。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，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。功耗小，集成度高。功耗小，集成度高。顺序存取存储器（顺序存取存储器（sAM）*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的电路结构的电路结构图图图图11-1 ROM11-1 ROM的结构图的结构图的结构图的结构图ROMROM矩阵的容量矩阵的容量矩阵的容量矩阵的容量=字数字数字数字数 位数位数位数位数=2=2n nMM11.1.1 只读存储器只读存储器ROM11.1.1.2 ROM的工作原理的工作原理W0W0W3W3四条字线四条字线四条字线四条字线 表达式为表达式为表达式为表达式为 输出输出输出输出D D3 3D D2 2D D1 1D D0 0与地址译码器输出与地址译码器输出与地址译码器输出与地址译码器输出端字线端字线端字线端字线WW0 0W3W3的逻辑关系为的逻辑关系为的逻辑关系为的逻辑关系为 把把把把WW0 0W3W3与输入地址码与输入地址码与输入地址码与输入地址码A A1 1A A0 0关系代入有关系代入有关系代入有关系代入有在绘制中、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,为了方便为了方便为了方便为了方便起见常用如图起见常用如图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。储单元用一黑点表示。储单元用一黑点表示。例例例例11-1 11-1 用简化的用简化的用简化的用简化的ROMROM存储矩阵设计全加器。存储矩阵设计全加器。存储矩阵设计全加器。存储矩阵设计全加器。解：解：解：解：首先列出真值表首先列出真值表首先列出真值表首先列出真值表逻辑函数表达式逻辑函数表达式逻辑函数表达式逻辑函数表达式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。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。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的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理11.1.2 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)1 1存储矩阵存储矩阵存储矩阵存储矩阵存储矩阵：存储矩阵：存储矩阵：存储矩阵：由由由由存储单元存储单元存储单元存储单元(即即位位)构成，一个存储单元构成，一个存储单元构成，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存储一位二进制数码存储一位二进制数码“1”“1”或或或或“0”“0”。存储器是以。存储器是以。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。字为单位进行存储的。字为单位进行存储的。存储容量存储容量 存储器含存储单元的总个存储器含存储单元的总个(位位)数。数。2 2地址译码地址译码地址译码地址译码存储容量存储容量=字数（字数（word）位数（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。字进行读操作或写操作。字进行读操作或写操作。3 3读读读读/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。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。当当当当R R/WW=1=1时，执行读操作，时，执行读操作，时，执行读操作，时，执行读操作，R R/WW=0=0时，执行写操作。时，执行写操作。时，执行写操作。时，执行写操作。4 4片选控制片选控制片选控制片选控制当当当当CSCS=0=0时，选中该片时，选中该片时，选中该片时，选中该片RAMRAM工作，工作，工作，工作，CSCS=1=1时该片时该片时该片时该片RAMRAM不工作。不工作。不工作。不工作。如图所示电路是一个如图所示电路是一个如图所示电路是一个如图所示电路是一个1024410244位位位位RAMRAM的实例的实例的实例的实例2l142l14的结构框图。的结构框图。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容量的扩展容量的扩展1 1位扩展（字长扩展）位扩展（字长扩展）位扩展（字长扩展）位扩展（字长扩展）地址线、读地址线、读/写控制线、片选线写控制线、片选线并联并联输入输入/输出输出线分开使用线分开使用如用如用 2 片片 1024 4 位位 RAM 扩展为扩展为 1024 8 位位 RAM2 2字扩展（地址扩展）字扩展（地址扩展）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端CS来实现。来实现。如如 将将1024 4的的RAM扩展为扩展为4K4位的位的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，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C C和开关和开关和开关和开关S S组成。组成。组成。组成。*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：设采样信号采样定理：设采样信号S S(t t)的频率为的频率为f fs s，输入模拟信，输入模拟信 I I(t t)的最高频率分量的频率为的最高频率分量的频率为f fimaximax，则则 f fs s 2 2f fimaximax如图所示电路是集成采样如图所示电路是集成采样如图所示电路是集成采样如图所示电路是集成采样保持电路保持电路保持电路保持电路LF198LF198的电路原理图及的电路原理图及的电路原理图及的电路原理图及符号。符号。符号。符号。模模模模 数与数数与数数与数数与数 模转换器是计算机与外部设备的重要模转换器是计算机与外部设备的重要模转换器是计算机与外部设备的重要模转换器是计算机与外部设备的重要接口接口接口接口,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。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 数转换器数转换器数转换器数转换器(简称简称简称简称A/DA/D转换器或转换器或转换器或转换器或ADCADC)；传感器传感器传感器传感器模拟控制模拟控制模拟控制模拟控制模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号数字计算机数字计算机数字计算机数字计算机 数字控制数字控制数字控制数字控制 数数数数字字字字信信信信号号号号ADCADCDACDAC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 模转换器模转换器模转换器模转换器(简称简称简称简称D/AD/A转换器或转换器或转换器或转换器或DACDAC)11.3 数模转换电路数模转换电路一个一个一个一个n n位二进制数可表示为位二进制数可表示为位二进制数可表示为位二进制数可表示为 其最高位到最低的权依此为其最高位到最低的权依此为其最高位到最低的权依此为其最高位到最低的权依此为 数数数数模模模模转换（转换（转换（转换（D/AD/A转换器转换器转换器转换器）的基本思想：）的基本思想：）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由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权权权权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每，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一位代码按其一位代码按其一位代码按其“权权权权”转换成相应的模拟量，然后再转换成相应的模拟量，然后再转换成相应的模拟量，然后再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将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正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，这就是构成比的模拟量，这就是构成比的模拟量，这就是构成比的模拟量，这就是构成D/AD/A转换器的基本思想。转换器的基本思想。转换器的基本思想。转换器的基本思想。11.3.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理11.3.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换转换器器输出电压输出电压输出电压输出电压 总电流总电流总电流总电流当当RF=R时时,上式可表示为上式可表示为 如果是如果是n位位D/A转换器转换器,当当RF=R时时,输出模拟电压值输出模拟电压值可表示为可表示为 例例 设设，试分别求出二进制数，试分别求出二进制数1010和和1111相对应的模拟输出量。相对应的模拟输出量。解：解：（1）当数字量为当数字量为1010时时（2）当数字量为当数字量为1111时时显然，输出模拟量与输入数字量成正比显然，输出模拟量与输入数字量成正比 AD7524是是CMOS单片低功耗单片低功耗8位并行位并行D/A转换器。转换器。VDD：供电电压正端；：供电电压正端；GND：接地端；：接地端；UREF：为基准电源端；：为基准电源端；RF：反馈电阻端；：反馈电阻端；D0D7：为输入数据端；：为输入数据端；OUT1、OUT2 电阻网络的电阻网络的电流输出端；电流输出端；：为片片选端；端；:为写入控制端为写入控制端.11.3.3集成集成D/A转换器转换器11.3.4 D/A转换器的主要参数转换器的主要参数1、分辨率、分辨率 用用输输入入二二进进制制数数的的有有效效位位数数表表示示。分分辨辨率率为为n位位的的D/A转转换换器器中中，输输出出电电压压能能区区分分2n个个不不同同的的输输入入二二进制代码状态，能给出进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。也也可可以以用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压（1）与与最最大大输输出出电电压压（所所有有位位为为1）的的比比值值来来表表示示。10位位D/A转转换换器器的的分辨率为：分辨率为：2、转换精度、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。与理想值之差，即最大静态转换误差。3 3转换时间（输出建立时间）转换时间（输出建立时间）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）。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/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，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 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，还转换过程中，还转换过程中，还转换过程中，还必须将采样必须将采样必须将采样必须将采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式保持电路的输出电压，按某种近似方式保持电路的输出电压，按某种近似方式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归化到相应离散电平上，这一转化过程称为数值量归化到相应离散电平上，这一转化过程称为数值量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化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过化，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程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/DA/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。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，用量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示表示表示表示。两种近似量化方法：两种近似量化方法：去尾法去尾法和和四舍五入法四舍五入法。逐次比较型逐次比较型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，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。组成。组成。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，每个重量分克，每个重量分别为别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论逐次比较型逐次比较型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。转换器电路如图所示。转换器电路如图所示。转转换换开开始始前前先先将将所所有有寄寄存存器器清清零零。开开始始转转换换以以后后，时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1，使使输输出出数数字字为为1000。这这个个数数码码被被D/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压uo，送送到到比比较较器器中中与与ui进进行行比比较较。若若uiuo，说说明明数数字字过过大大了了，故故将将最最高高位位的的1清清除除；若若uiuo，说说明明数数字字还还不不够够大大，应应将将这这一一位位保保留留。然然后后，再再按按同同样样的的方方式式将将次次高高位位置置成成1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1是是否否应应该该保保留留。这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为为止止。比比较较完完毕毕后后，寄寄存存器器中中的的状状态态就就是是所所要求的数字量输出。要求的数字量输出。原原原原理理理理框框框框图图图图基基基基本本本本原原原原理理理理ADC0804ADC0804是用是用是用是用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。换芯片。换芯片。11.4.3 集成集成A/D转换器转换器1 1分辨率分辨率分辨率分辨率 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。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0 010V10V，输出为，输出为，输出为，输出为1010位数码，位数码，位数码，位数码，则分辨率为则分辨率为则分辨率为则分辨率为2 2转换误差转换误差转换误差转换误差 转换误差表示转换误差表示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。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转换时间转换时间是指转换时间是指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。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/D转换器的主要技术转换器的主要技术指标指标p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日