数字集成电路原理篇1
1 概述
频率合成技术是近代无线电技术发展中的一门新技术，也是现代通信系统中的关键技术之一，它通常利用一块晶体或少量晶体组成标准频率源，然后通过合成方法产生各种所需的频率信号。这些频率信号与标准频率源具有相同的频率稳定度和准确度。使用该技术构成的电路在通信设备中称为频率合成器。频率合成器的种类很多，目前普遍采用的是数字式频率合成器。数字式频率合成器由晶体振荡器、固定分频器、鉴相器、滤波器和VCo等组成，晶体振荡器输出的频率信号经固定分频器后得到标准频率，而VCo输出的频率信号经可变分频器分频后得到实际频率信号，两信号在鉴相器中经相位比较产生的环路锁定控制电压将通过滤波器加到VCo上，以对实际频率信号进行控制和校正，直到环路锁定。当所需信号频率较高时，该电路的设计、制作和调试难度较大，通常只能依靠专业厂家来完成，不仅成本高，而且生产周期长。tSa5526芯片是philips公司推出的通用数字频率合成集成电路，它将晶体振荡器、固定分频器、鉴相器、滤波器等电路集成在一块芯片上，其主要特性参数如下：
输入射频信号的频率为：64～1300mHz；
输入射频信号的电平为：－28～3dBm；
输出误差调整电压为：4．5～33V；
具有锁定检测功能；
内置可编程的15bit分频器；
通过程序控制可在512、640和1024中选择基准信号分频比，在外接4mHz晶振时，则可获得3．90625kHz、6．25kHz和7．8125kHz的频率精度；
可选择i2C总线和3总线进行数据传输；
采用单电源供电，电源电压为4．5～5．5V。
2 引脚功能
tSa5526有SSop16和So16两种封装，引脚排列如图1所示，各引脚功能见表1所列。
表1tSa5526的引脚功能
引 脚名 称功 能应 用 说 明
1RF射频信号RF输入通常接本振输出2Vee地 3VCC1电源电压1芯片电源，接+5V4VCC2电源电压2开关控制电源，通常接+12V5BS4电子开关BS4输出pnp三极管oC输出6BS3电子开关BS3输出pnp三极管oC输出7BS2电子开关BS2输出pnp三极管oC输出8VS1电子开关BS1输出pnp三极管oC输出9Cp环路滤波器外接RC滤波网络10Vtune误差控制电压输出通过上拉电阻输出直流电压并加到VCo11Sw总线选择开关接地时选择i2C总线方式；悬空时选择3总线方式12LoCK/aDC锁定标志/aDC输入3总线方式时为锁定标志，低电平有效；i2C总线方式时5为电平aDC输入端13SCL串行时钟下降沿时将SDa输出的数据锁存14SDa串行数据在3总线方式时，18bit、19bit和27bit三种数据可供选择15Ce片选信号高电平有效16XtaL基准振荡输入通常外接4mHz晶体表2写状态数据格式
字节mSB数据字节LSB地址字节（aDB）11000ma1ma0 分频字节（Di1）0n14n13n12n11n10n9n8分频字节2（DB2）n7n6n5n4n3n2n1n0控制字节（CB）1Cpt2t1t0RSaRSB0S电子开字节（BB）空空空空BS4BS3BS2BS13 内部结构和工作原理
tSa5526的内部结构框图如图2所示，它包括射频信号处理单元、基准信号处理单元、相位比较和输出单元以及接口控制单元等四部分。射频信号处理单元对输入的射频小信号进行放大和8分频，再送到15bit可编程分频器，分频比的大小可根据输入射频信号的频率来确定。基准信号处理单元中的基准振荡器通过外接晶体产生基准信号，同时经基准分频器产生基准信号。基准分频器通过编程可选512、640和1024三种分频比。经过分频处理后的两路信号同时加到数字式相位比较器，然后经电荷泵、放大器和驱动三极管后得到误差控制电压输出。接口控制单元用于实现微处理器与该器件的通信，它一方面接收微处理器送来的数据并在内部处理以形成各种控制指令；另一方面将本器件的状态送往微处理器。通过Sw端信号的不同连接，可选择两种串行通信方式：i2C总线方式和3总线方式。
图2
3．1i2C总线方式
a．写状态?R／w＝0?
在写状态时，对tSa5526编程需要四个数据字节，并应在地址字节传输后将数据字节送入芯片。当地址字节?第一字节?传输后，i2C总线的收发会使地址字节和数据字节连在一起，并在一个传输过程中传输完毕。如果地址字节后的第一个数据字节为分频字节或控制字节，则芯片将被部分编程。表2是其数据字节定义。表中，ma1和ma0是可编程地址位，用于控制加到片选端的电压。n14～n0为可编程分频比，其分频比为：
n＝n14×214＋n13×213＋…＋n1×2＋n0
Cp为控制电荷泵电流大小位，Cp为0，对应电流为60μa，Cp为1时，电流为280μa?缺省值?。t2～t0代表测试位。RSa和RSB为基准分频比选择位。0S为可调放大器控制位，0S位为0时，可调放大器接通?缺省值?，0S位为1时断开。BS4～BS1是pnp电子开关控制位，其对应关系是：当BSn为0时，电子开关n接通；当BSn为1时，电子开关n断开。
表3读状态数据格式
字节mSB数 据 字 节LSB地址字节11000ma1ma2R/w=1状态字节poRFLaCpS11a2a1a0表43总线方式数据格式
数据形式D0D3D4D17D18D19D20D21D22D23D24D25D2618位BS4BS1n13n0
19位BS4BS1n14n1n0
27位BS4BS1n14n1n0-Cpt2t1t0RSaRSB0Sb．读状态?R／w＝1?
表3所列为读状态数据格式。当辅助地址位被识别之后，将自动产生一个响应脉冲到SDa线上。SDa线上的数据在SCL时钟信号为高电平时有效，数据字节在SDa线上产生应答信号之后从器件中读出；如果没有主应答信号产生，传输过程就会结束，此时芯片将释放数据线从而使微控制器产生终止条件。当上电时，poR标志被置为1，当检测到数据结束标志时，poR标志被复位?读周期的结束。FL为进入锁存标志，用于表示何时循环建立起来。通过对FL置1或清零可对循环进行控制。aCpS为自动充电电流转换标志，当自动充电电流转换打开且循环锁定时，此标志为0，此时充电电流被强制为低。在其它条件下，aCpS为逻辑1。在i2C总线状态下，内置的a／D转换器可将自动频率微调模拟电平转换成数字量并送往微控制器。
3．23总线方式
在3总线方式下，该器件接收的数据有18位、19位和27位三种，参见表4。在该方式下，当片选引脚Ce由低电平变为高电平时，SCL引脚输入时钟脉冲的下降沿会将SDa引脚上的数据送入数据寄存器，数据的前四位用来控制电子开关的通断，在第五个时钟脉冲的上升沿，这四位数据被送入内部电子开关控制寄存器。如果传输的是18或19位数据字，那么，在片选线上电平由高向低转换时，频率位将被送入频率寄存器。在上电复位状态下，电荷泵电流为280μa，调谐电压输出被关断；而在标准模式下，当aCpS标志为高电位时，测试位t2～t0被置为001，此时将禁止tSa5526输出。当传输的是27位数据字时，在时钟脉冲的第20个上升沿到来时，频率位将被送入频率寄存器，而控制位则在片选引脚Ce从高电平向低电平转换时送入控制寄存器。在这种方式下，基准分频比由RSa和RSB位确定，测试位（t2、t1、t0）、电荷泵控制位Cp、分频比选择位（RSa、RSB）以及0S位只能进行27位的传输。图3所示是3总线方式时的时序图。
表5at89C51内Ram中20H、21H、22H、23H的定义
字节地址D7D6D5D4D3D2D1D020HBS4BS3BS2BS1n14n13n12n1121Hn10n9n8n7n6n5n4n322Hn2n1n01100023H010000004 应用
tSa5526在某航空电子设备检查仪中的应用电路如图4所示，图中，单片机与tSa5526采用3总线方式进行通信。p1．0与SCL引脚相连，用于串行时钟输出。p1．1与SDa引脚相连，用于串行数据输出。p1．2与Ce引脚相连以进行片选控制；电子开关BS1～BS4用于通过VCo产生4种不同频率信号，VCo的输出将通过C6送到tSa5526的RF引脚，并经分频后与基准信号进行相位比较。Vtune输出的误差控制电压经电阻R3、电容C5加到VCo。R1、C4的数值可用于决定微调的快慢。当频率锁定后，LoCK引脚将变为低电平，并将该电平通过at89C51的p1．3引脚送入单片机进行检测。本电路采用27位数据格式，发送的数据存放在单片机at89C51中Ram的20H、21H、22H、23H四个单元中，各位定义见表5所列。其具体程序清单如下：
Rfegadj:CLRp1．0
SetBp1．2
moVR0，＃08H
Fregadj1:moVa,20H
CLRC
RRCa
moVp1．1，C
SetBp1．0
nop
CLRp1．0
DJnZR0，Fregadj1
moVR0?＃08H
Fregadj2:moVa,21H
CLRC
RRCa
moVp1．1，C
SetBp1．0
nop
CLRp1．0
DJnZR0，Fregadj2
moVR0,＃08H
Fregadj3：moVa，22H
CLRC
RRCa
moVp1．1，C
SetBp1．0
nop
CLRp1．0
DJnZR0，Fregadj3
moVR0，＃03H
Fregadj4：moVa，23H
CLRC
RRCa
moVp1．1，C
SetBp1．0
nop
CLRp1．0
数字集成电路原理篇2
关键词：数字集成电路；应用；前景
中图分类号：tn702文献标识码：a文章编号：1009-3044（2014）19-4476-02
集成电路从60年代开始发展至今，其规模大致上遵照摩尔定律发展[1]，即芯片上的晶体管数目每隔18个月就翻一番或每三年翻两番。目前单个的芯片上已能够制作上百万个晶体管的一个完整数字系统或数/模混合的电子系统。集成电路的特征尺寸已发展至纳米水平。伴随着数字集成电路技术的越来越成熟，它于人们的生产以及生活中的应用也越来越广泛，对数字集成电路在生活应用中的进一步探究也就越来越有必要。该文将从数字集成电路的基本结构和分类这些方面对其原理进行比较详细的介绍，然后重点讨论和探究它的实际应用，最后将结合数字集成电路在生活当中的实际应用设计出一个利用数字集成电路原理制成的流水灯。
1数字集成电路的基本原理
数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统[2]。
数字集成电路基本电路符号如图1所示，它有输入、输出、电源和接地四个端口。数字集成电路具有静态特性以及开关特性，表示静态特性的参数有输入电压、输出电压、输入电流和输出电流等。
图1数字集成电路基本电路符号
集成电路正常工作的时候，输入电压有高电平输入电压和低电平输入电压，使用最小值表示，表示能判断高电平的最低输入电压，因此，在高电平给定时，需高于的电压，用最大值表示，表示能判断低电平时的最大输入电压，因此，在低电平输入电压给定时，需低于的电压。
输入电流有高电平输入电流和低电平输入电流，都是表示集成电路输入端加上电压时，流经输入端的电流。其中表示输入端加上最大输入电压时的电流，表示输入端加上规定高电平输入电压时的电流，表示输入端加上规定低电平输入电压时的电流。CmoS输入电流几乎等于0，因此，只用表示。集成电路的输入电流随类型不同而不同。
2数字集成电路应用
2.1多路自动巡检控制器
在一些电子仪表较密集的工业控制和自动检测系统中，经常会使用多台同种检测控制仪表，对不同的处所和位置进行检测和控制。为了达到对这些仪表的集中监测的目的，通常会采用一台多路自动巡检控制器。它能对被控通道自动巡检，并将被控通道用数字显示器显示出来。它既可以作为自动巡检，又可以转换为手动巡检，使用起来相当的方便。
电路组成，它主要由脉冲发生器、计数器、通道转换器和通道显示器等组成。
2.2绕线机电子计数器
普通的绕线机一般采用机械传动的指针式计算器来进行计数，由于存在传动齿轮的磨损和固有机械间隙，有时很难做得到准确计数。接下来要介绍的电子计数式绕线机，则采用了接触式的光电传感器来触发电子计数器进行计数，所以准确度比较高。此外，由于使用了具有加减功能的电子计数器，所以在绕线过程中出现纠错重绕的时侯，计数器仍然能够对实际绕组数进行加减，它的计数精确度高，使用方便。
在绕线轴加装的圆盘上有一个长孔，该孔与光电传感器对应，当绕线机旋转时，每转一周，光电传感器就被触发一次。先被触发的传感器进行加减识别功能，后被触发的传感器则输出计数脉冲。
2.3数字集成电路在军事方面的应用
自从20世纪60年代第一块集成电路问世以来，以集成电路为核心的微电子技术发展迅速，并促进了通信技术、计算机技术和其他电子信息技术的快速发展，对人类社会的经济繁荣、社会进步、国防建设及日常生活都产生巨大影响[3]。
战术通信指在作战地域内指挥一个战役或战斗所使用的通信，主要是无线通信。目前，新军事变革以信息化为核心的，作为各作战分队的连接纽带，战术通信的关键性作用日渐彰显。和其他的电子设备相同，微电子器件也大量应用在战术通信装备中，微电子技术在战术通信的发展过程中发挥着至关重要的推动作用[4]。在战术通信装备里，嵌入式微处理器、数字信号处理器和可编程逻辑器件是一种重要的数字集成电路。嵌入式微处理器用来完成整机的主控和运行各种应用软件，数字信号处理器用来完成运算流程复杂的基带数字信号处理，可编程逻辑器件用来完成对运算能力要求较高的中频数字信号处理。
2.4基于数字集成电路的交通灯
随着经济社会的到来，各国的车辆数量也不断上涨，这就势必带给城市交通不少难题，例如：交通堵塞日益严重，交通事故不断增加，交警任务更加繁重等等。为了解决这些的困难，我国以及国外都加快了在交通事业方面的研究步伐，尤其是在控制交通信号灯方面。下面将介绍的就是数字集成电路在交通灯中的使用。
数字集成电路在交通信号灯控制器中的使用原理：
交通灯控制器主要包括显示器、上控制器、计数器、信号发生器、译码电路和置数器，首先上控制器接收特殊状态命令或者接收清零命令，一方面显示在显示器上，一方面发出信号至信号灯译码驱动电路，即南北大道信号或者东西大道信号，一方面发出信号至置数器，接着计数器综合考虑置数器的信号和时钟信号发生器发出的信号，把信号传送给译码器，最后显示在显示器上。
一般十字路口的交通情况和主控制器的设计关系为：
1）当东西大道通行时，绿灯亮，南北大道禁行，红灯亮，时间延迟为40秒：
2）当东西南北大道都禁行时，东西大道黄灯亮，时间延迟为5秒；
3）当东西大道禁行时，红灯亮，南北大道通行，绿灯亮，时间延迟为30秒：
4）当东西南北大道都禁行时，南北大道黄灯亮，时间延迟为5秒。
然后就是回到第一种情况开始循环执行。我们可以把这四种状态分别设为：S=000，S=001，S=010，S=011，另若有特殊情况，如遇到交通事故，警车或者救护车通过，其对应状态设为S=l00，根据以上的状态分析，我们可以用两片74LSl92来实现这样的功能。
3总结
本文首先对数字集成电路意义和原理进行了介绍，接着重点阐述了许多在我们的工、农业以及生活上基于数字集成电路的一些应用，例如绕线机电子计数器、交通灯等。随着社会的不断进步，科技的不断腾飞，越来越多的先进设备将会运用到我们的生活当中，未来我们将会见到更多数字集成电路产品在我们生活当中的应用，便利我们的生活。数字集成电路虽然只是一个元件，但是将他创造性地应用于产品制作时，它将变成又一件便利我们生活的新产品。因此，想为我们的生活设计一些新颖舒适的产品，那么我们也必须首先懂得它的内在含义和广泛应用。
参考文献：
[1]mooreGe.Crammingmorecomponentsontointegratedcircuits[J].electronics，1965，38（8）：114-117.
[2]王红.集成电路技术发展动态[J].微电子学，2007，37（4）：515-522.
数字集成电路原理篇3
关键词故障诊断；数字电路板；自动测试系统
中图分类号：tn952文献标识码：a文章编号：1671―7597（2013）031-091-01
随着武器装备信息化程度的不断加强，数字电路板已经成为电子装备的重要组成部分。其质量直接影响到装备整机的质量。因此，对数字电路板的测试和故障诊断技术进行研究已经成为现代测试技术研究的重要领域。引入自动化测试不仅可以使测试员从枯燥的重复测试操作中解放出来，而且能够确保测试数据的精确性，从而提高数字电路板测试的质量和效率，并在传统检测方法的基础上，将自动测试的原理和方法运用到故障检测中，是故障诊断的新途径，目前己被广泛应用。
1数字电路板的故障诊断原理
1.1故障诊断的概念
故障诊断是指在特定的测试和故障判断方法的指导下，对诊断对象进行自动检测，同时它还是发现故障、定位故障的过程，从而为故障修复提供依据。诊断是建立在检测和故障测试的基础之上，又是对现有的检测和故障测试技术的革新与发展。故障诊断的任务，就是要通过检测获得被诊断对象的故障信息，提炼出故障现象和特征，并根据预先设定的规则，对故障信息进行综合分析并得出结论。
1.2故障诊断的原理
该原理是基于比较的测试方法，即根据系统的实际输出结果与系统原始模型或系统正常工作时的标准值进行比较分析，再由前后两者的差值来判断当前系统的工作状态。如果存在故障，则从检测出的故障信息中解析出故障特征，判断故障原因，准确定位其故障源，以便采取对应的维修措施。
1.3故障诊断的方法
不同种类的数字电路板实现的功能不同，其故障特点也各不相同，针对它们的故障维修、检测和诊断的方法也不尽相同。例如，部分数字电路板比较适合于采用传统的判断规则进行诊断，而有些数字电路板则宜采用自动测试技术进行诊断。本文主要介绍基于自动测试系统的数字电路板故障诊断的方法。
2自动测试系统在数字电路板测试与故障诊断中的应用
自动测试系统是指在人极少参与或不参与的情况下，自动进行测量，处理数据，并以适当方式显示或输出测试结果的系统。它由单个计算机平台集成多种测试（测量）仪器、仪表，组成控制系统，并可通过计算机系统中的软件代码进行编写特定程序来实现对被测试对象的自动激励和响应的采集、分析，从而完成对被测试对象的功能特性和指标参数的研究、分析，以及故障的判断和定位。针对不同的被测数字板类型，在自动测试系统中通过施加不同的测试程序集（tpS）完成测试任务，使用方便灵活，扩展性能好，可靠性高。
自动测试系统的模块化、通用化和可编程性，使其成为搭建测试、检测和诊断平台的最佳选择。目前应用最广泛的自动测试系统是基于GpiB总线的自动测试系统（见图1）。
图1基于GpiB总线的自动测试系统结构图
采用GpiB总线技术搭建的自动测试系统具有方便灵活、可分可和的特点。一根GpiB专用电缆可将多台测试仪器连接成一个自动测试仪器系统。
3利用自动测试系统诊断数字电路板的原理
3.1诊断模型的建立
图2自动测试系统诊断数字板故障的结构
图中被测数字电路板的输入信号大小由工作时根据指标要求设置，根据数字电路板故障诊断理论，先向被测数字电路板提供输入信号，并利用自动测试系统采集相应的输出信号，再通过计算机程序的分析和处理，实现对测试采集到的故障信号进行判断和定位，最后通过与系统正常工作时的电路板输出信号作比较，查出电路中有故障现象的信号，进而对故障现象的各种可能性原因进行分析、判断和解决。
3.2利用自动测试系统分析
在进行数字电路板诊断时，首先通过自动测试系统对电路板作整体功能测试，其次将实际测到的输出信号与理论上的输出信号相比较。如果前后两者一致，说明电路板可以实现预设功能，即可判断该电路板工作正常；否则，结果不一致时即可以得到错误信号的输出端，并作为故障诊断的起点。然后通过反向追踪来实现故障隔离，即当电路板的某一节点输出信号的波形显示和预期的不一致时，则检查能够直接影响并导致该节点输出波形不正常的相关前级节点的输出波形，由此从后级节点电路向前级节点电路逐渐推进、检测、诊断，最终查出导致电路板输出错误信号的最前级节点。
一般情况下，导致节点输出信号故障的原因有三个：一是产生该节点信号的器件或集成电路芯片自身存在故障；二是该节点与其它节点短路；三是与该节点相连的器件或集成电路芯片的输人引脚焊接短路。
4总结
数字电路板诊断理论的不断发展与日趋改进、完善，以及前人在此基础上进行的众多工程研究和实践，已为数字电路板测试与诊断系统的设计提供了可行的思路和方法。本文中的自动测试系统基于功能测试法，以数字电路板的测试和故障诊断方法为根据，并在此基础上充分应用自动测试系统设计技术，以实现数字电路板测试、故障检测和定位的自动化，促使故障定位到元件级，可实现较高的故障检测率。
参考文献
[1]李行善，左毅，孙杰.自动测试系统集成技术[m].北京：电子工业出版社，2004.
数字集成电路原理篇4
关键词：eDa；数字电路课程设计；多功能数字钟
1.eDa技术[1]
eDa技术即电子设计自动化技术，英文全称electronicDesignautomation，它是以功能强大的计算机为工具，在eDa软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动完成逻辑编译、简化、分割、综合、布局布线及逻辑优化、仿真测试的电子产品自动化设计过程。
利用eDa技术进行电子系统的设计，具有以下几个特点：
（1）用软件的方式设计硬件，且用软件的方式设计的系统到硬件系统的转换是由相关的开发软件自动完成的；
（2）设计过程可用相关软件进行各种仿真；
（3）系统可现场编程，在线升级；
（4）整个系统可以集成在一个芯片上，具有体积小、功耗低及可靠性高的特点。
2.用eDa技术改进数字电路课程设计的必要性
数字电路课程设计是建立在数字电子技术基础上的一门综合实践性课程[2]，有利于培养学生的系统综合能力和创新能力，对提高办学档次，满足社会对高素质人才的需求，培养学生对未来社会的适应能力都是受益匪浅的。通过这一课程的学习，学生能够熟练地利用eDa技术掌握较复杂数字系统的设计方法，进一步增强学生分析问题、解决问题的能力，充分挖崛和激发学生的创新潜能。
目前在数字电路实践教学中，大部分学校仍然采用中小规模的集成电路来实现设计功能，当设计的系统比较复杂，需要多个集成芯片和大量连线时，就增加了设计电路板的难度和故障调试难度，延长了设计周期，降低了学生的学习兴趣；同时，常用中小规模集成芯片的大量重复使用也大大增加了设计成本；因此，在数字电路课程设计中引入eDa技术，采用当前国际先进的设计方法和理念，改革传统的课程设计方法，已经成为一种趋势[3]。用中小规模集成电路设计的数字系统存在以上诸多缺点，而运用eDa技术、可编程逻辑器件设计数字系统就成为行之有效的方法。这种设计方法从系统总体要求出发，自上而下地将设计细化，将功能具体化、模块化；直到最低层的模块适合用硬件描述语言或原理图描述为止，最后形成数字系统的顶层文件；再经eDa软件的自动处理而完成设计。
Quartusii是altera公司的第四代eDa开发软件，此软件提供了一种与结构无关的全集成化环境，将设计、综合、布局和布线、系统的验证都整合到一个无缝的环境中，使设计者能方便地对altera公司的pLD系列产品进行设计输入、快速处理和器件编程。是应用广泛的eDa开发软件之一。CpLD/FpGa通称为可编程逻辑器件，其中FpGa是英文FieldprogrammableGatearray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在paL、GaL、epLD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。目前，Quartusii开发软件和CpLD/FpGa器件作为eDa开发工具被越来越广泛的应用到大型数字系统的设计中。
3.eDa技术在数字电路课程设计中的应用
多功能数字电子钟的设计是数字电路设计中的一个典型应用，用中小规模集成电路实现时，用到的器件较多，连线比较复杂，可靠性差。下面就以基于aLteRa公司的FpGa器件Cycloneii240C8芯片和Quartusii9.0eDa开发系统进行多功能数字钟的设计为例来介绍数字电路系统的一般设计方法。运用此种方法进行课程设计时，需要先掌握Quartusii软件开发环境的使用和硬件描述语言VHDL语言的编程，掌握相关CpLD/FpGa实验开发系统的使用。
（一）数字钟的设计要求
（1）具有时，分，秒计数显示功能，以24小时循环计时，由6个7段共阴极数码管显示；
（2）能够通过手动按键实现清零和调节小时、分钟功能；
（3）具有整点报时功能，当时钟计数为59’51”、59’53”、59’55”、59’57”时，扬声器发出频率为1024Hz的声音，在59’59”即到整点时，扬声器发出最后一声整点报时，频率为4096Hz。
（4）用VHDL语言来完成上述电路功能的软件设计和软件仿真，仿真结果正确后，在实验系统上进行由硬件电路的下载和调试。
（二）数字钟的设计方案
多功能数字钟电路的系统结构框图如图1所示，由系统时钟、控制电路、秒计数器、分计数器、小时计数器、译码器、显示器和扬声器组成；控制电路负责控制计数器计时、校时和扬声器报时，译码器将各计数器输出的BCD码计数值转换成七段码送到显示器，显示器显示时、分、秒计时结果。
介于所使用的实验系统中有现成的译码器和显示器部分硬件电路，故只对图1所示控制电路和时、分、秒计数器模块进行软件设计，由VHDL语言编写源代码来实现。
（三）数字钟的实现
在设计过程中采用层次化设计方法进行设计，编写源程序，为了简化设计把控制计时和调时部分功能放到计数模块中，报时部分专门用一个模块，故将数字钟的实现分成秒、分、时三个计数模块和一个报时模块构成，报时模块同时完成对报时输入信号的分频。
通过系统分析论证后，在Quartusii9.0环境下，用VHDL硬件编程语言编写数字钟的报时模块、秒计数模块、分计数模块和时计数模块源代码，即分别对应alert.vhd、second.vhd、minute.vhd、hour.vhd文本文件，对这四个模块分别进行编译、综合和仿真测试无误后，生成这四个模块的符号图，最后通过原理图连接的方式把以上各模块生成的图形符号连在一起形成顶层的原理图，实现多功能的数字钟。下面给出通过原理图的形式所设计的顶层原理图如图2所示，顶层设计文件为clock.bdf，顶层实体图如图3所示，当然也可以通过元件例化语句来生成顶层实体。
（四）功能仿真与下载
以上各个模块设计好以后，都可以利用软件进行仿真，得到正确的功能仿真结果后，在顶层的设计中调用各功能模块，完成顶层原理图或实体的设计，最后针对顶层的实体再进行功能仿真，仿真结果如图4所示，从仿真结果的部分截图中可以得到该数字钟能够实现正常计时的功能。
仿真正确后，选定好所选用的实验系统的配置芯片，锁定引脚，完成引脚配置，重新进行编译综合后，即可生成下载文件clock.sof，将此文件下载到选定的目标芯片，接上器件，完成整个系统的设计。经过在杭州康芯电子有限公司生产的Gw48eDa/SopC实验开发系统下载验证，该设计完全符合数字钟的功能要求。
4.结束语
通过将eDa技术应用于数字电路课程设计提升了学生对数字电路的认识，在设计过程中可以预先进行仿真，仿真有误可以修改设计，在这个过程中不必搭接电路，做到有错就随时修改，不用担心设计实验失败的风险。通过eDa技术不仅可以很好地锻炼学生的综合设计开发能力和动手能力，从而激发他们的学习兴趣，还可以大大节约数字电路课程设计实验的成本，提高设计效率，培养了他们解决问题的综合能力，因此，使用eDa技术必将是数字电路实践课程改革的新动向。
参考文献
[1]潘松，黄继业.eDa技术实用教程.北京：科学出版社，2010.
数字集成电路原理篇5
关键词：数据采集系统；DSp；接口电路
中图分类号：tm774文献标识码：a文章编号：1007-9599(2011)13-0000-01
DataacquisitionSystemDesignofDSp-basedComputerRelayprotection
DengChan1,ouyangShengping2
(1.GuangzhouHualiScienceandtechnologyVocationalCollege,Guangzhou511325,China;2.ZengchengQualitytechnologySupervisionandinspectioninstitute,Guangzhou511300,China)
abstract:aimingatthedevelopmentofmicroprocessor-basedprotectionprinciplesofthenewdirectionofthehardwarerequirementsincrease,thepaperdesigntomeettheirfunctionaldataacquisitionsystem,theDSpchipasthecoreprocessor,equippedwiththecorrespondingdataacquisitioninterfacecircuits,liquidcrystaldisplaymoduleandthekeyboardprocessingcircuit.
Keywords:Dataacquisitionsystem;DSp;interfacecircuit
随着微机保护的发展，一些新的改善继电保护性能的原理和方案，特别是基于故障波形特征或者高频分量的保护原理，以及神经网络和模糊集原理的智能保护方案，受到更多的重视并逐步得到实际应用，这样就使微机保护的发展方向要求硬件上高度集成化、独立化、标准化，性能上高度开放化。
一、数据采集系统的构建
对微机继电保护装置而言，数据采集是最基本、最重要的工作。微机继电保护装置的性能如何，在很大程度上取决于装置数据采集系统的设计。数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能模块，完成将模拟输入量准确地转换成所需的数字量。
模拟量输入系统的主要功能是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，并将此信号进行适当的预处理，然后转换为所需的数字量。CpU主系统包括微处理器CpU，只读存储器（epRom）、随机存取存储器（Ram）等。CpU执行存放在epRom中的程序，对由数据采集系统输入至Ram区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能。CpU就选取DSp芯片，外加相应的数据采集接口，液晶显示屏以及键盘处理器等设备。
根据技术指标要求，数据采集单元主要实现以下功能：
（一）模拟量和开关量的预处理：主要包括模拟量滤波与开关量的隔离。（二）多路模拟量的采集：对12路输入模拟量进行a/D转换。（三）同步采样：所谓同步采样是指在采样时刻对多路模拟量同时采样，然后将所有的采样值保持。在a/D转换器开始转换第一路模拟通道时，其它通道的模拟量采样值被保持，a/D转换器在完成第一路模拟通道的转换后，开始转换第二路，依次类推。（四）工频信号整形：为了测量电力线路的工频周期，需要将一路电压信号整形为同相位的方波，以便信号处理单元对其周期进行测量。（五）电平转换：将采样后的5V数字信号通过电平转换为可与DSp处理器相匹配的3.3V数字信号。
二、maX125构成的高速数据采集系统及接口电路设计
微机保护装置中数据采集的速度、精度以及动态范围对保护性能有十分重要的影响。数据采集系统可以有多种不同的选择方案，其中转换速度、字长以及CpU对数据的存取方法，是选择数据采集系统必须考虑的问题。
maX125是美国maxim公司生产的一款高速2x4通道同步采样14位DaS（DataacquisitionSystem，即数据采集系统）型芯片，它采用逐次逼近转换技术，内部带同步采样保持器和多路切换开关，单通道转换时间仅为3us，其工作电压为±5V，输入模拟信号有效电压范围为±5V，故障保护输入电压为±17V。
外接时钟频率为16mHz，其占空比应该在30%～70%之间，时钟信号通过CpLD接入maX125的CLK端。在4通道采样模式下，采样速率达76ksps，可以实现继电保护所要求的高速a/D转换。RFoUt输出的是片内稳压参考源，其幅值是+2.5V。当RFin=RFoUt时，maX125的模拟量输入动态范围是±5V。
转换结束后的采样结果以二进制补码的形式输出，在C语言中，带符号的整型数也是以二进制补码的形式存在，这就为后续的软件编程带来一些方便。
输入工频信号有14路，采样要求保持同步，因此在电路设计中两片maX125并行工作。DSp与maX125数据接口以16位方式连接，两片maX125芯片，其数据线D0-D13构成5V数据总线，然后接至CpLD，通过CpLD进行电平转换，将5V电平信号转换为与DSp相匹配的3.3V电平信号。
三、液晶显示模块
液晶显示屏（LiquidCrystalDisplay），在日常生活中使用最为广泛的一种显示器件。液晶具有独特的特点，例如功耗低、冷光源和显示灵活等等。液晶显示器（LCD）具有体积小、质量轻、功耗低等优点，是电子产品信息重要显示器件之一。按显示内容分类，可分为字段式、点阵字符式和点阵图形式三种。字段式是以长条笔划状显示像素组成的液晶显示器件，常以7段显示。点阵字符式是指显示的基本单元由一定数量的点阵组成，专门用于显示数字、字母、常用图形符号及少量自定义符号或汉字，点阵图形除可以显示字符外，还可以显示各种图形信息、汉字等，显示自由度大，常见的模块点阵为80×32到640×480不等。
本系统中采用的是点阵图形式液晶显示器，与键盘配合显示系统菜单、系统运行状态、当前时间等信息。
四、键盘处理
键盘在微机保护系统中是一个关键的部件，通过键盘，可实现就地故障查询，参数设置等功能。键盘是人工干预装置的主要手段之一。键盘接口主要分为矩阵式和独立式两种。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交点上，占用较多的地址空间或者i/o口线。独立式按键就是各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，各按键之间的输入状态互不影响，独立式按键适用于按键较少或响应速度要求较高的场合。
参考文献：
[1]杨国福.电力系统继电保护技术的现状与发展趋势[J].电气制造,2007,7:36-38
[2]welch,t.B.ives,R.w.morrow,m.G.wright,C.H.G.UsingDSphardwaretoteachmodemdesignandanalysistechniques.acoustics,Speech,andSignalprocessing,2003,4:69-72
[3]黄晓明,邹托武,赵炳,何宇,唐兵.微机继电保护测试仪中高性能数字信号发生器的研究与实现[J].电力自动化设备,2006,6:17-21
数字集成电路原理篇6
关键词：太阳光；图像传感器；数字信号处理器（DSp）
中图分类号：tp216文献标识码：a文章编号：1009-3044（2014）16-3933-04
abstract：asunlightdetectingequipmentcircuitisdesignedbasedonDSpinthispaper.accordingpinholeimagingprinciple，usingCmoSimagesensoroV7670capturethesunspotbyDSptmS320LF2407aprocesscontrol，itcancontrolactuatorstoadjusttheanglebetweentheplaneoftheimagingmechanismandthesun'srays.Soitcanmakesolarfullcollection，andachievetheautomatictracking.
Keywords：Sunlight；imagesensor；Digitalsignalprocessor（DSp）
随着不可再生资源的逐渐减少，造成全球能源危机，新能源的开发应运而生。如太阳能以其具有储量的无限性，存在的普遍性，利用的清洁性，利用的经济性等特点成为研究的热点[1]。
但由于太阳能的能源具有不连续性、密度低、空间分布不均的特点，使得收集和利用不方便。为提高设备对太阳能能量的接收效率，太阳光自动跟踪装置应运而生。装置设计原理主要可分为：时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种[2]。
其中，时钟式和程序控制式的跟踪装置电路简单，时钟累计误差大且不能自动消除，跟踪精度较低；压差式和控放式的跟踪装置原理结构较复杂，设计难度大，只能用于单轴跟踪，控制精度低；光电式跟踪装置具有较高的灵敏度，具有相应速度快、噪声低、小型轻量及耐震性的特点容易实现，但不能进行连续跟踪。因此，设计一种全新的太阳光跟踪装置，使之能够兼具电路原理结构简单，跟踪范围广、精度高，且能实时自动跟踪的特点。从而广泛推动太阳能的普及利用。
本文设计了一种基于视觉的太阳光检测装置，与现有的其它方法相比具有直观，方便的优点。根据小孔成像原理，采用CmoS图像传感器oV7670采集太阳光斑，经DSptmS320LF2407a核心处理器控制相关参数设置寄存器变量来实现，并可通过串行通信实现远程监控。对太阳光斑定位的同时控制执行机构适时调整成像机构所在平面与太阳光线的夹角使得太阳能充分采集，实现自动跟踪。该装置对全方位监控系统也有一定的借鉴意义，有着重要的使用价值和良好的应用前景。
1装置组成的工作原理
该装置主要由成像机构、采集控制机构和执行机构组成，工作原理如图1所示。
2装置的成像机构
成像机构：主要包括光学系统、图像传感器部分。
采集太阳光时，利用小孔成像原理，通过小孔及下方的成像机构，将太阳光投影至接收屏上形成光斑图像。接收屏下方另设有图像传感器，常用的有三种：CCD图像传感器、CmoS图像传感器及CiS接触式图像传感器。
CmoS图像传感器以其高集成度、高速、小体积、低成本、低功耗、且单一电源即可驱动等特点在市场占据了大量的份额。虽然它处理的图像质量，如噪声比、分辨率、灵敏度不高，但对于本系统对图像质量要求并不高的环境，再兼顾CmoS图像传感器具有软件可编程控制，可实现直接数字化输出，能够大大降低系统设计的难度，提高系统设计的稳定性和灵活性的优势，最终选用了omniVission公司生产的数字式彩色CmoS图像传感器oV7670。
CmoS图像传感器oV7670初始化流程图如图2所示。
3装置的采集控制与执行机构
采集控制机构：选用ti公司生产的型号为tmS320LF2407a的专用于控制的DSp数字信号处理器作为系统的核心处理器。
本系统由DSp控制，主要完成图像的采集和处理部分。接收屏上的太阳光斑图像信息，通过CmoS图像传感器输出为数字信号，DSp采集这些数字信息进行处理，得到太阳光斑在接收屏上的位置坐标，并保存接收屏的图像数据，通过串口与pC机通信，将接受屏的太阳光斑图像、此时的太阳高度角、方位角在显示器上全部显示出来。
3.1图像采集系统
图像采集系统如图3所示，是由CmoS图像传感器oV7670，数据隔离器74LVCH16245及DSp数字信号处理器tmS320LF2407a三部分组成。由于oV7670没有片选端，且不具有三态输出，因此在将oV7670采集到的太阳光斑图像存入到DSp外部Ram时，容易产生数据线的总线竞争，为了避免这个问题，在oV7670与DSp之间加了一个数据隔离芯片，型号是philips公司生产的74LVCH16245。
3.2图像处理系统
图像处理系统如图4所示，由DSp电路和DSp存储空间设计两部分组成。
1）DSp电路
DSp电路的设计主要包括复位电路、pLL锁相环电路、电源管理电路、信号隔离电路、JtaG扫描仿真口、外扩存储器电路及SCi通信模块电路。
具体电路连接图如图5所示。
本装置的执行机构主要由控制机构控制电机的转动进行太阳光线的跟踪。
4结论
由DSp采集、处理、识别检测到的太阳的高度角和方位角判断成像机构所在平面是否与太阳光线始终保持垂直夹角，若有偏差，系统控制电路发出控制信号给步进电机，由步进电机带动整个执行机构调整偏转角度，实现成像机构对太阳高度角和方位角的实时跟踪。
参考文献：
[1]郑飞.碟式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计和实现[D].北京：中国科学院，2003.
数字集成电路原理篇7
【关键词】逻辑设计；目标定位；教学内容；模式手段
一、逻辑设计课程目标与定位
1、课程目标
使学生具备本专业的高素质技术应用型人才所必需的电子电路逻辑设计基本知识和灵活应用常用数字集成电路实现逻辑功能的基本技能；为学生全面掌握电子设计技术和技能，提高综合素质，增强职业变化的适应能力和继续学习能力打下一定基础；通过项目的引导与实现，培养学生团结协作、敬业爱岗和吃苦耐劳的品德和良好职业道德观。本课程目标具体包括知识目标、能力目标和素质目标。
（1）知识目标：熟悉数字电子技术的基本概念、术语，熟悉逻辑代数基本定律和逻辑函数化简；掌握门电路及触发器的逻辑功能和外特性；掌握常用组合逻辑电路和时序电路的功能及分析方法，学会一般组合逻辑电路的设计方法（用SSi和mSi器件），学会同步计数器的设计方法；熟悉脉冲波形产生与变换电路的工作原理及其应用；了解a/D，D/a电路及半导体存储器、pLa器件的原理及其应用。
（2）能力目标：具有正确使用脉冲信号发生器、示波器等实验仪器的能力；具有查阅手册合理选用大、中、小规模数字集成电路组件的能力；具有用逻辑思维方法分析常用数字电路逻辑功能的能力；具有数字电路设计初步的能力。
（3）素质目标：培养学生学习数字电路的兴趣；培养学生团结合作的意识，培养学生自己查找资料能力。
2、课程定位
《逻辑设计》是计算机应用技术专业和电子信息类专业的一门重要硬件基础课，其理论性和实践性很强，尤其强调工程应用。是现代电子技术、计算机硬件电路、通信电路、信息与自动化技术的和集成电路设计的基础。在高速发展的电子产业中数字电路具有较简单又容易集成。通过本课程学习，熟悉小中大规模数字集成电路分析与应用，突出数字电子技术应用性，获得数字电子技术必要的基本理论基本知识和基本技能；了解数字电子技术的应用和发展概况，为后继课程及从事相关工程技术工作和科研与设计工作打下一定基础。《逻辑设计》在电子信息专业课程的地位，表现在其先导课程为《电工电子技术》，要求学生掌握由分立元器件组成的电子电路的识别与检测、与基本分析方法，掌握有关晶体管以及晶体管电路的分析方法等；其后续课程有《微机原理与接口技术》、《单片机技术应用》、《eDa技术应用》等。学习集成电路芯片在计算机及相关电子设备中的应用与作用。
二、逻辑设计课程教学内容
1、教学内容选取依据
（1）以培养高素质技能型人才为目标，教学内容选择与组织突出“以能力为本位，以职业实践为主线，以项目主体--任务贯穿”为总体设计要求，在内容的选取上，首先立足于打好基础。在确保基本概念、基本原理和基本教学方法的前提下，简化集成电路内部结构和工作原理的讲述，减少小规模集成电路的内容，尽可能多地介绍中大规模集成电路及其应用。以能力培养为主线，以应用为目的，突出思路与方法阐述，力求反映当今数字电子技术的新发展。
（2）在教材内容编排上精心组合，深入浅出，做到概念清晰，逻辑设计思想严谨。教学实施中注重重点突出，层次分明，相互衔接，逻辑性强，以利于教学做一体化的整合。在讲义上力求简洁流畅，通俗易懂，便于学生自学。
（3）以实训项目为载体，采取任务驱动教学做一体化的实施，体现理论指导实践，实践深化理论的素质养成目的。
（4）依据各学习项目的内容总量以及在该门课程中的地位分配各学习项目的课时数。
（5）知识学习程度用语主要使用“了解”、“理解”、“能”或“会”等用来表述。“了解”用于表述事实性知识的学习程度，“理解”用于表述原理性知识的学习程度，“能”或“会”用于表述技能的学习程度。
2、教学具体内容安排
表决器电路设计与制作，抢答器电路设计与制作，同步计数器电路设计与制作，方波发生器电路设计与制作，数字钟电路设计与制作。
三、逻辑设计课程教学模式与手段
1、教材编写
教材编写体现项目课程的特色与设计思想，教材内容体现先进性、实用性，典型产品的选取科学，体现地区产业特点，具有可操作性。呈现方式图文并茂，文字表述规范、正确、科学。
2、教学模式
采取项目教学，以工作任务为出发点来激发学生的学习兴趣，教学过程中要注重创设教育情境，采取“教学做”一体化的教学模式，将知识、能力、素质的培养紧密结合，进一步加强职业教育教学改革研究，优化完善我校应用型人才培养体系。
3、教学方法
从教学手段、教案设计、教学思路、语言表述、教学资源等方面着手，对如何在课堂教学中提高学生的学习主动性和兴趣开展教研。教学过程有进行项目引导，任务贯穿，“提出问题”、“引导思考”、“假设结论”、“探索求证”，把握课程的进度，活跃课堂气氛，使大多数学生能够获得尽可能大的收获。采用“发现法”教学方式，使学生建立科学的思维方法与创新意识。学习内容的掌握依赖于学习者的实践，课程组加强了对教师教学及学生学习过程的管理；为使学生理解和有效掌握课程内容，在坚持课外习题练习、辅导答疑等教学环节的基础上，增加随堂练习、单元测验等即时性练习环节，督促学生复习和掌握已学知识点。
4、教学手段
充分利用挂图、投影、多媒体等现代化手段，发挥网络突破空间距离限制的优势，让学生能够最大限度的利用学习资源，自主地学习和提高，弥补课堂上未能及时消化吸收的部分内容。教学过程中相应教学班成立课程提高学习小组，任课教师课外指导该小组进行拓展学习及课外科技活动指导，达到因材施教的目的；一方面教师指导有兴趣能力强的学生进行课外学习，特别是对数字系统设计知识的答疑指导，为能力强的学生提供发展空间，解决因课时数限制而无法在课堂上深入讲授特定工程应用专题的矛盾。也加强了教师与学生的互动，教师可以第一手了解学生对教学过程的反馈，改进教学方法，利用学习好的学生带动整个班级的学习，促进良好班风学风的形成。探讨当前教学环境下，培养学生课外学习能力的新模式。
5、课程资源的开发与利用
整理并开发具有职教特色的自编教材，编写学生实训指导用书，引导学生查阅网络资源，要注重利用仿真软件的辅助设计功用。
参考文献
数字集成电路原理篇8
关键词：数字集成电路电压匹配接口技术
一、引言
当今社会是数字化的社会，数字集成电路具有可靠性高、静态功耗小、工作速度高、寿命长和低成本等优点，因此它在通信、电力、自动化设备和家用电器等诸多方面得到了广泛应用。目前数字集成电路种类繁多，不同类型的集成电路在连接时，如果逻辑电平不匹配，且考虑到负载能力的限制，那么中间就需要串入接口电路，否则将引起逻辑混乱，甚至损坏集成芯片。因此，为了更好地使用数字集成电路，就有必要对其具体使用方法和接口技术要有一定的认识。
二、数字集成电路的分类
按照电路结构的不同，数字集成电路可分为两大类：一类是双极型集成电路，采用晶体管作为开关元件，管内有电子和空穴两种极性的载流子参与导电；另一类采用绝缘栅场效应晶体管作开关元件，称为moS（metaloxideSemiconductor）集成电路。这种管子内部只有一种载流子，即电子或空穴参与导电，故又称单极型集成电路。下面我对这两种类型的数字集成电路予以简要说明。
（一）双极型集成电路
ttL电路（transistor-transistorLogic即晶体管――晶体管逻辑电路）也称为tL，是目前双极型数字集成电路中应用得最多的一种。它具有较快的开关速度、较强的抗干扰能力，以及足够大的输出幅度，且带负载能力也比较强，所以得到了最为广泛的应用［1］。
在双极型数字集成电路中，除了ttL电路以外，还有高阈值逻辑（HighthresholdLogic，简称HtL）、二极管―三极管逻辑（Diode-transistorLogic，简称DtL）、发射极耦合逻辑（emitterCoupledLogic，简称eCL）和集成注入逻辑（integratedinjectionLogic，简称iL）等几种逻辑电路。其中较为常用是eCL电路，其电路中的三极管工作在非饱和状态，是一种非饱和电路，有极高的工作速度。此外它还具有输出阻抗低、带负载能力强、电路内部开关噪声低、使用方便灵活等优点。它的主要缺点是：噪声容限低，电路功耗大，输出电平的稳定性较差。目前eCL电路主要用于高速、超高速数字系统中。
（二）moS集成电路
moS数字集成电路是指只有一种载流子参与导电的电路，其中只有电子参与导电的称为nmoS电路；只有空穴参与导电的称为pmoS电路；如果是用nmoS及pmoS复合起来构成的互补（Complementary）moS集成电路，则称为CmoS电路。pmoS和nmoS组件中各只含有一种moS管，习惯上称它们为moS集成电路，以与CmoS集成电路相区别。
pmoS集成电路问世较早，但由于其速度低，现已很少使用；nmoS集成电路速度稍高，且直流电源电压较低，在工艺上可以制造出开启电压较低的器件，故nmoS集成电路仍在使用中。CmoS数字集成电路与ttL数字集成电路相比，有许多优点，如工作电源电压范围宽，静态功耗低，抗干扰能力强，输入阻抗高，成本低，等等。因而，CmoS数字集成电路得到了广泛的应用。
三、CmoS电路和ttL电路的使用注意事项
由于CmoS与ttL数字集成电路有其各自的工作特点，因此在应用数字集成电路时对其要有正确的使用方法。下面我就对CmoS与ttL相应使用事项作以简要说明。
（一）CmoS电路的使用知识
1.输入电路的静电保护
CmoS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。CmoS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿moS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点。
（1）所有与CmoS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。
（2）存储和运输CmoS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。
2.多余的输入端不能悬空
输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其他输入端并联使用。
（二）ttL电路的使用知识
1.多余输入端处理方法
（1）与其他输入端并联使用。
（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。
2.电路的抗干扰处理
（1）在每一块插板的电源线上，并接几十μF的低频去耦电容和0.01―0.047μF的高频去耦电容，以防止ttL电路的动态尖峰电流产生的干扰。
（2）整机装置应有良好的接地系统［2］。
四、常用数字集成电路接口技术
在数字系统设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，而由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因此需要采用接口电路来连接不同类型的集成电路。如ttL和CmoS电路需要采用接口电路一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。下面我就CmoS电路和ttL电路之间的接口问题加以分析［3］。
（一）ttL门驱动CmoS门
1.电平不匹配2.电流匹配
因为CmoS输入电流几乎为零，所以ttL驱动CmoS在电流的兼容性上不存在问题。
3.解决电平不匹配问题的方法
（1）外接上拉电阻在ttL门电路的输出端外接一个上拉电阻R5V。（如图1所示）
图1ttL驱动CmoS接口电路
（2）选用电平转换电路（如CC40109）
若电源电压不一致时可选用电平转换电路。CmoS电路的电源电压可选3―18V；而ttL电路的电源电压只能为5V。
（3）采用ttL的oC门实现电平转换。
若电源电压不一致时也可选用oC门实现电平转换。
（二）CmoS门驱动ttL门
1.电平匹配
CmoS门电路作为驱动门，U.8V。电平匹配是符合要求的。
2.电流不匹配
由于ttL门电路的低电平输入电，而CmoS门电路的低电平输出电流远小于1.6ma，因此电流不匹配，需要加接口电路。
3.解决电流匹配问题的方法
（1）选用CmoS缓冲器：比如，CC4049的驱动电流可达4ma，完全可以满足ttL输入电流的要求。（如图2所示）
图2CmoS驱动ttL接口电路
（2）选用高速CmoS系列产品：如选用CmoS的54HC/74HC系列产品可就以直接驱动ttL电路。
（3）CmoS电路并联驱动ttL，这种方法只允许在CmoS为同一集成芯片时使用。
五、结语
在数字电路或数字系统的设计中，常常需要根据设计指标对工作速度或功耗的要求选用不同类型的数字集成电路。因此不同类型的集成电路在混合使用时，要根据其相应引脚的逻辑电平和带负载能力采用相应的接口电路，这样才能确保电路逻辑准确、性能可靠。
参考文献：
［1］阎石.数字电子技术基础（第五版）［m］.北京：高等教育出版社，2006.5.
［2］侯伯享.数字系统设计［m］.西安：西安电子科技大学出版社，2004.1.
数字集成电路原理篇9
SunJinping
（Xi'aninstituteofRailwaytechnology，Xi'an710014，China）
摘要：针对职业教育技能应用型人才的培养目标，基于理实一体化的教学方式，本文打破原有数字电子技术课程体系，按项目为载体、任务驱动的理念，进行数字电子技术课程知识的解构及重构，研发出数字电子技术课程教、学、做的新体系。按基本、应用、综合三大能力，设置了八个项目、26个任务。使数字电子技术课程的理论知识和实践技能得到有机的融合。实践表明，按项目引导来实施任务教学，更有利于学习者掌握数字电子技术的基本理论知识及技术应用，提升分析、解决问题的实践技能。
abstract:Forthetrainingobjectiveofappliedtalentofvocationaleducationskills,basedontheteachingmethodswhichintegratethetheoryandpractice,thispaperbroketheexistingdigitalelectronictechnologycurriculum,reconstructedthedigitalelectronictechnologycoursesknowledgeaccordingtotheideaoftakingtheprojectasthecarrierandtaskderivation,anddevelopedthenewsystemofdigitalelectronictechnologycourseswithteaching,learning,doing,whichsetupeightprojectsandtwentysixtasksaccordingtothreeabilitiesofbasis,applicationandintegration.thenewsystemmadethedigitalelectronictechnologycoursesgetanorganicintegrationoftheoreticalandpracticalskills.practiceshowsthatthetaskteachingguidedbytheprojectcanhelpthelearnersgraspthefundamentaltheoreticalknowledgeandtechnologyofdigitalelectronictechnologyandenhancetheskillsofanalyzing,solvingproblemandpractice.
关键词：数字电子技术项目任务解构重构
Keywords:digitalelectronictechnology；project；task；deconstruction；reconstruction
中图分类号：G71文献标识码：a文章编号：1006-4311（2011）19-0194-02
0引言
数字电子技术课程（以下简称“数电”课）在各种类型、各种层次的高等、中等及职业学校电类专业中都不同程度开设。它是电类专业的专业基础课，更是应用电子技术、通信、自动化、信息技术等专业的核心课。而且，“数电”课实践性很强，特别是对于职业教育要实现技能应用型人才培养的目标，为相应专业做好知识和技能的铺垫，提升“数电”课教与学的效果非常重要。由此，对“数电”课进行了课程体系解构、重构的研究和开发。
1“数电”课程解构、重构的研发思路
“数电”课是西安铁路职业技术学院（以下简称“我院”）精品课程，是一门面向全院电类专业的技术基础课。课程网站资源丰富，利于学习、训练、提高、参考。为突出技能培养，体现教、学、做一体化，实现边学、边看、边练，改变以往教师为主体，学生为客体，灌输式、被动式教与学的状态，应突出学生主导、教师引导的互动式教学方式。对传统的“数电”课程体系，按照理论融于实践、简单渐进复杂，便于教学、利于掌握，以及必需、够用[1]、适度的原则，进行解构与重构。
1.1打破传统的理论体系“数电”课的基本内容，包括一个数学工具就是逻辑代数；两个基本元件是集成逻辑门和触发器；三种电路即组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲产生电路；因集成度、功能、材料、应用范围不同而构成的四种类型数字电路；五个优点为便于集成、抗干扰性强、处理功能强、实现灵活、易于加密压缩；六种发展趋势是大规模、低功耗、高速度、可编程、可测试、多值化[2]。
“数电”课的知识和技能随着新技术、新工艺的产生，以及市场对人才需求的变化，尤其是职业教育及其对象的特征，必须要打破传统的学科型理论体系，突出职业教育的特色，重新构建“数电”的项目化课程体系。这个项目化课程体系将以三种电路为主线来构建，采用渐进、必需、够用法，按照用到什么知识点就学什么，用多少就学多少。尤其是“数电”课的逻辑代数部分，不再按部就班地把它一口气统统介绍完整，而是把逻辑代数、集成逻辑门、组合逻辑电路的格局打破，重新构建学习项目及任务。以能力培养为目标，以项目教学为平台，以学习任务为驱动，形成新的学习体系和方式。如在学习集成逻辑门多余端处理时，引入学习基本定律中的重叠律、还原律、0-1律[3]；在进行组合逻辑电路功能分析时，引入基本定律中的其它定律、基本规则、代数化简法；在进行组合逻辑电路功能设计时，引入逻辑代数的卡诺图化简法及格雷码等。这样，理论知识学得会、记得牢，更用得上、用得准、用得活。
1.2摒弃内部的原理分析随着数字电子技术的发展和广泛应用，集成芯片内部的结构、原理分析，以及分立元件功能等内容，除微电子技术专业外，其余电类专业，特别是对于职业教育的相应专业，突出应用技能的培养，注重的是数字电子技术中集成芯片功能的检测、应用，电路功能的测试、扩展及使用。所以，在重新构建“数电”的项目化课程体系时，摒弃了如ttL与非门、触发器等内部结构及其原理分析等。
2“数电”项目课程研究与开发
职业教育培养目标是培养技能应用型人才，“数电”的课程目标是掌握数字电路和集成芯片的逻辑功能及应用，具备用中、小规模集成电路设计与分析较为简单的电子产品能力，以及组装、维修、检测、调试能力。所以，“数电”项目化课程的设计，立足于将电子产品的功能设计、仿真、制作及测试贯穿到整个课程体系。
2.1重构“数电”项目化课程的基本原则重构“数电”项目化课程，首先要确保、甚至要强化"数电"课程在相应专业中的地位和作用。其次，对纯理论、纯原理性的内容进行合理分解和适当删减。对于在发展中逐步淘汰的知识予以舍弃。突出功能及新技术应用，加强知识和技能的关联与衔接。
2.2重构“数电”项目课程的做法将“数电”课中一种数学工具、两个元器件、三种电路的主要内容，重新整合为八个项目26个任务。每个项目都是以电子产品的功能分析、设计制作拟定的，其中包含的任务是与项目对应的知识、方法和技能，并且突出知识必须、够用，以任务的实现为主线，构建课程的内容。
从知识循序渐进的规律，将课程的总结构设置为组合、时序及脉冲电路，把数字电路的基础知识分解到相应的任务中。譬如，数制与基本运算[5]在集成逻辑门知识前作铺垫，组合电路的竞争与冒险归在组合逻辑电路设计中研究，BCD码、有权码、无权码及具有约束项的卡诺图化简法纳入二-十进制译码显示器中介绍等。
从技能的掌握遵循简单到复杂不断强化的规律，将课程内容分成两大部分，一部分是课内的任务，如表1所示。一部分是课外的任务。例如集成逻辑门的三态门、oC门、传输门，组合逻辑电路的比较器[6]，码制中的奇偶校验码、原码、反码、补码及其运算[4]等都作为课外任务，来延续和强化学习的效果。而且，这些内容并不是简单的课内任务的重复验证，而是需要通过资料收集、问题咨询、归纳整理、交流学习、总结提高几个环节来完成，重复的是过程而不是内容，对学生综合应用能力的提升非常有效，也是对知识体系的补充和完善，更是培养学生分析问题解决问题思维能力的有效途径。
2.3“数电”项目课程体系根据以上研发原则和思路，重新构建的“数电”项目化课程体系如表1所示。共有八个项目26个任务，其中项目一至项目七的23个任务是锻炼、培养“数电”课程基本知识、基本技能的内容，总计60个课时。项目八是为提升“数电”课程综合应用能力而设计的3个任务，要求选择其中一个在为期一周内、集中30个课时进行实训教学。
3结束语
在解构、重构“数电”项目化课程体系时，力求使教与学，知识理解与技能掌握的关联度、衔接度更密切、更贴近。对于理论知识坚持把握必须、够用、适度的原则，对于实践能力从基本技能到应用与综合技能，按项目引导实施任务教学，从而有效提升学习者掌握数字电子技术基本理论知识及技术应用能力的水平。
参考文献：
[1]刘国巍．数字电子技术基础[m].长沙：国防科技大学出版社，2008.
[2]孙津平．数字电子技术[m].西安：西安电子科技大学出版社，2005.
[3]张志良．数字电子技术基础[m].北京：机械工业出版社，2009.
[4]江晓安．数字电子技术[m].西安：西安电子科技大学出版社，1990.
[5]刘．实用电工电子技术基础[m].北京：中国铁道出版社，2010.
数字集成电路原理篇10
关键词：数字集成电路；pSpiCe；反相器
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2016）38-0033-02
引言：
伪逻辑数字电路是数字集成电路课程教学中的重要部分[1-4]。由于伪pmoS逻辑电路的分析极为复杂，其涉及到反馈电路、有比电路以及各个元件之间的相互影响，在教学的时候不易掌握。老师找不到很好的方法来进行教学，学生听起来也是摸不着头脑。pSpiCe软件的引入为伪逻辑数字电路的讲解提供了一个极为有效的辅助手段，其能够给出清晰的物理图像，让学生对电路各个部分的瞬态特性、中间态等特性有清楚的了解，从而帮助学生高效地进行电路的学习。
一、数字集成电路的pSpiCe模拟实例
本文以数字集成电路课程中的伪pmoS逻辑电路为例，介绍如何利用pSpiCe软件建立相应的仿真电路，并进行静态和瞬态仿真，查看仿真波形，并对结果进行分析。
1.伪pmoS逻辑电路原理。伪pmoS技术构建的反相器逻辑电路如下图1（a）所示：
当输入信号Vin为高电平并且等于Vdd时，pmoS关断，nmoS管导通。此时在Vx和接地点之间存在一个直接通路，形成一个稳定的低电平输出。相反，当输入电压为低电平（0V）的时候，nmoS和pmoS导通都导通。在Vdd和Vx之间存在一个电压分压，产生了一个高电平的输出电压。这个电路具有反向逻辑的功能。和CmoS逻辑不同，伪pmoS逻辑只有上拉网络，没有下拉网络。这样可以减少使用晶体管的数量。
2.电路原理图绘制。pSpiCe软件使用CaptureCiS进行电路原理图的绘制。CaptureCiS窗口截图如图2所示。
在CaptureCiS的窗口自上而下分别为菜单栏、仿真栏和原理图编辑窗口，窗口的右侧是电路元件选择栏；其中各个元器件调用时通过点击电路元件选择栏里的placepart按钮来实现。在placepart打开元器件库以后，可以手动添加各种不同的电子元件。各大电子元器件公司都提供了支持pSpiCe的元件库，可以到各大电子元器件公司的主页上下载。
二、数字集成电路的pSpiCe模拟实例
1.伪pmoS逻辑的电压传输特性。本文采用0.25微米工艺参数进行器件模拟。根据工艺参数的要求，在普通数字集成电路的设计中，nmoS一般做最小尺寸设计，也就是nmoS沟道长度Ln=0.25微米，最小沟道宽度wn一般为最小沟道长度的1.5倍，所以最小沟道宽度wn=0.375微米。pmoS沟道长度一般也为工艺最小值Lp=0.25微米，这样进行伪pmoS反相器设计的时候，只需要调整pmoS沟道的宽度wp的大小，这样设计变量大大减小，降低了设计的复杂度。
图3是对伪pmoS逻辑反相器的电压传输特性仿真。图3中标记a、b、c分别对应于pmoS沟道宽度wp为1.125微米、2.5微米、3.625微米。从图中可以看到：当pmoS沟道宽度wp小于2.5微米时，输出高电平迅速下降。
可以看到一个伪pmoS逻辑电路存在高电平达不到Vdd的问题。经过多级逻辑的串联，输出高电平信号将逐渐降低。这会导致芯片内部逻辑错误的出现，是不允许出现的。因而必须在两个伪pmoS逻辑电路之间插入一个CmoS反相器来进行电平信号再生。但是也引入了静态功耗和噪声容限降低的问题。
2.伪pmoS反相器的瞬态仿真。图4的瞬态响应表示一个pmoS正在对输出电容充电。假设节点X开始为0V。我们观察到输出开始时充电很快，但在瞬态过程快结束时却很慢。图4中标记a、b、c的曲线分别对应于pmoS沟道宽度wp为0.75微米、1.125微米、1.875微米。从图中可以看到，随着晶体管尺寸的减少，晶体管等效电阻增加，从而导致X节点的输出高电平迅速降低，这容易导致逻辑错误的出现。
3.伪pmoS反相器的电平拉升。解决电压下降的方法是使用电平拉升电路（图1b部分电路），这是把一个pmoS（mr）连入反馈电路中。pmoS器件的栅极连接到反相器的输出端，他的漏极连接反相器的输入端，而源极和电源Vdd相连接。假设节点X为0V。如果输入Vin从Vdd翻转到0，mp只将节点X充电到比阈值电压Vm高的电压水平。然而这足以把反相器的输出切换到低电平，使得反馈器件mr导通，从而使得节点X和电源Vdd连接。这就大大降低了反相器中的静态功耗。
这在图5中得到证实，图中显示了mn尺寸固定瞬态响应随着mr尺寸变化的情况。上半部分是输入梯形信号Vin的波形图，下半部分是输出信号Vx的波形图。图5中标记a、b、c的曲线分别对应于mr沟道宽度wp为0.75微米、1.125微米、1.875微米。通过对不同mr沟道宽度的伪pmoS反相器瞬态特性分析，可以找到最合适的工艺尺寸。从图中可以看到，当mr的宽度大于1.125微米的时候，下拉mn无法有效地将电平拉下来，从而节点X的电平被锁定在一个中间电平值，从而导致逻辑错误。
三、结语
本文介绍了pSpiCe软件在数字电路教学中的应用。在CaptureCiS中建立了伪逻辑反相器电路，并利用pSpiCe软件分析了pmoS沟道宽度对电压传输特性和延迟特性的影响，展示了pSpiCe软件的强大功能。
本人在数字集成电路的教学中引入了pSpiCe软件以后，效果非常显著。学生上课的积极性高涨，教学效果大大提高。
参考文献：
[1]JanmRabaey，等.数字集成电路[m].第二版.周润德，等，译.北京：电子工业出版社，2010.
[2]Sung-moKang，等.CmoS数字集成电路[m].北京：电子工业出版社，2015.