深入剖析ICL7135：4 1/2 位BCD輸出A/D轉(zhuǎn)換器的卓越性能與應(yīng)用

在電子工程師的設(shè)計(jì)世界里，A/D轉(zhuǎn)換器是連接模擬信號(hào)與數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁。今天，我們將深入探討Intersil公司的ICL7135這款4 1/2位BCD輸出A/D轉(zhuǎn)換器，它以其高精度、多功能和經(jīng)濟(jì)性在DVM/DPM市場(chǎng)中占據(jù)重要地位。

文件下載：ICL7135CPI.pdf

1. 產(chǎn)品概述

ICL7135結(jié)合了雙斜率轉(zhuǎn)換的可靠性，具備±1 in 20,000的計(jì)數(shù)精度，適用于可視化顯示的數(shù)字電壓表（DVM）和數(shù)字面板表（DPM）。它擁有2.0000V的滿量程能力、自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)極性功能，同時(shí)具備真正的比例運(yùn)算、近乎理想的差分線性度和真正的差分輸入。除了顯示驅(qū)動(dòng)器、參考電壓源和時(shí)鐘外，所有必要的有源器件都集成在單個(gè)CMOS芯片上。

1.1 訂購(gòu)信息

需要注意的是，Intersil的無鉛加退火產(chǎn)品采用特殊的無鉛材料，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，并且適用于SnPb和無鉛焊接操作。無鉛PDIP僅適用于通孔波峰焊工藝，不適用于回流焊工藝。

1.2 產(chǎn)品特性

• 高精度：在整個(gè)±20000計(jì)數(shù)范圍內(nèi)（2.0000V滿量程），精度保證在±1計(jì)數(shù)。
• 零輸入讀數(shù)保證：0V輸入時(shí)保證零讀數(shù)。
• 低輸入泄漏電流：典型輸入泄漏電流為1pA。
• 真正的差分輸入：具備良好的共模抑制比（CMRR）。
• 精確的極性檢測(cè)：零計(jì)數(shù)時(shí)具有真正的極性，可實(shí)現(xiàn)精確的零檢測(cè)。
• 單參考電壓：僅需一個(gè)參考電壓。
• 過量程和欠量程信號(hào)：具備自動(dòng)量程能力。
• TTL兼容輸出：所有輸出與TTL電平兼容。
• 閃爍輸出：過量程時(shí)閃爍輸出，提供可視化指示。
• 輔助輸入/輸出：六個(gè)輔助輸入/輸出可用于與UART、微處理器或其他電路接口。
• 多路復(fù)用BCD輸出：方便數(shù)據(jù)傳輸。
• 無鉛加退火版本：符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

2. 電氣特性

2.1 絕對(duì)最大額定值

2.2 熱信息

2.3 電氣規(guī)格

在V+ = +5V，V- = -5V，TA = +25°C，CLK設(shè)置為3讀數(shù)/秒的條件下，ICL7135的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)出色。例如，零輸入讀數(shù)在0V輸入時(shí)為±00000計(jì)數(shù)，比例誤差在±3計(jì)數(shù)以內(nèi)，線性度在滿量程范圍內(nèi)誤差小于±0.5 LSB等。

3. 詳細(xì)工作原理

3.1 模擬部分

每個(gè)測(cè)量周期分為四個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）、去積分（DE）和零積分（ZI）。

• 自動(dòng)調(diào)零階段：輸入高低端與引腳斷開并內(nèi)部短接到模擬公共端，參考電容充電到參考電壓，反饋回路閉合以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓。
• 信號(hào)積分階段：自動(dòng)調(diào)零回路打開，內(nèi)部輸入高低端連接到外部引腳，轉(zhuǎn)換器對(duì)IN HI和IN LO之間的差分電壓進(jìn)行固定時(shí)間的積分。
• 去積分階段：輸入低端內(nèi)部連接到模擬公共端，輸入高端連接到之前充電的參考電容，積分器輸出返回零的時(shí)間與輸入信號(hào)成正比。
• 零積分階段：輸入低端短接到模擬公共端，反饋回路閉合使積分器輸出返回零。

3.2 數(shù)字部分

ICL7135包含多個(gè)引腳，方便在更復(fù)雜的系統(tǒng)中使用。

• Run/HOLD（引腳25）：高電平（或開路）時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器自由運(yùn)行；低電平時(shí)，完成當(dāng)前測(cè)量周期后保持讀數(shù)，短正脈沖可啟動(dòng)新的測(cè)量周期。
• STROBE（引腳26）：負(fù)向輸出脈沖，用于將BCD數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠挎i存器、UART或微處理器。
• BUSY（引腳21）：信號(hào)積分開始時(shí)變高，直到過零后的第一個(gè)時(shí)鐘脈沖或過量程時(shí)測(cè)量結(jié)束。
• OVERRANGE（引腳27）：輸入信號(hào)超過轉(zhuǎn)換器范圍時(shí)引腳變正。
• UNDERRANGE（引腳28）：讀數(shù)為量程的9%或更小時(shí)引腳變正。
• POLARITY（引腳23）：正輸入信號(hào)時(shí)引腳為正，可用于零檢測(cè)。
• Digit Drives（引腳12、17、18、19和20）：每個(gè)數(shù)字驅(qū)動(dòng)是一個(gè)持續(xù)200個(gè)時(shí)鐘脈沖的正向信號(hào)，掃描順序?yàn)镈5（MSD）、D4、D3、D2、D1（LSD）。
• BCD（引腳13、14、15和16）：二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制位B8、B4、B2和B1與數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)開啟。

4. 組件值選擇

為了實(shí)現(xiàn)模擬部分的最佳性能，需要仔細(xì)選擇積分電容和電阻、自動(dòng)調(diào)零電容、參考電壓和轉(zhuǎn)換率等組件值。

• 積分電阻：由滿量程輸入電壓和用于充電積分電容的緩沖器輸出電流決定，計(jì)算公式為 (R_{INT}=frac{full scale voltage}{20 mu A})。
• 積分電容：積分電阻和電容的乘積應(yīng)選擇為提供最大電壓擺幅，以確保積分器不會(huì)飽和，計(jì)算公式為 (C_{INT}=frac{(10,000)(clock period)(20 mu A)}{integrator output voltage swing})。
• 自動(dòng)調(diào)零和參考電容：自動(dòng)調(diào)零電容的物理尺寸會(huì)影響系統(tǒng)噪聲，參考電容應(yīng)足夠大以忽略其節(jié)點(diǎn)到地的雜散電容。
• 參考電壓：模擬輸入產(chǎn)生滿量程輸出所需的電壓為 (V{IN}=2V{REF})，參考電壓的穩(wěn)定性對(duì)轉(zhuǎn)換器的整體絕對(duì)精度至關(guān)重要。
• 翻轉(zhuǎn)電阻和二極管：可用于校正ICL7135中的小翻轉(zhuǎn)誤差。

5. 時(shí)鐘頻率

5.1 最大時(shí)鐘頻率

大多數(shù)雙斜率A/D轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換率受比較器頻率響應(yīng)的限制。ICL7135在160kHz時(shí)鐘頻率下，比較器延遲會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)變化。對(duì)于輸入信號(hào)始終為單極性的應(yīng)用，時(shí)鐘頻率可提高到約1MHz。通過在積分電容串聯(lián)一個(gè)低值電阻，可以補(bǔ)償比較器延遲，將最大時(shí)鐘頻率提高約3倍。

5.2 最小時(shí)鐘頻率

最小時(shí)鐘頻率由自動(dòng)調(diào)零和參考電容的泄漏決定，大多數(shù)設(shè)備在長(zhǎng)達(dá)10s的測(cè)量周期內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)可測(cè)量的泄漏誤差。

5.3 60/50Hz抑制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)60Hz或50Hz拾取的最大抑制，信號(hào)積分周期應(yīng)是60Hz或50Hz的倍數(shù)，可選擇合適的振蕩器頻率。

6. 典型應(yīng)用

6.1 LED顯示應(yīng)用

使用ICL8069作為1.2V溫度補(bǔ)償電壓參考，可實(shí)現(xiàn)4 1/2位（±2.000V）滿量程的A/D轉(zhuǎn)換器，帶有LED讀數(shù)顯示。

6.2 等離子顯示應(yīng)用

通過Dionics的高壓陽極驅(qū)動(dòng)緩沖器和相關(guān)電路，可驅(qū)動(dòng)等離子類型的顯示。

6.3 LCD顯示應(yīng)用

使用ICM7211A等顯示驅(qū)動(dòng)器，可將ICL7135的輸出與LCD顯示接口。

6.4 與UART和微處理器接口

ICL7135可以與UART和微處理器方便地接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。

7. 總結(jié)

ICL7135以其高精度、多功能和經(jīng)濟(jì)性，成為電子工程師在設(shè)計(jì)數(shù)字電壓表和數(shù)字面板表等應(yīng)用中的理想選擇。通過深入了解其工作原理、組件值選擇和應(yīng)用電路，工程師可以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的電子系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要注意避免接地環(huán)路、選擇合適的時(shí)鐘源等問題，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。你在使用ICL7135的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。