ICL7135C 和 TLC7135C：4 1/2 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的深度解析

在電子設計領(lǐng)域，高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（Texas Instruments）生產(chǎn)的 ICL7135C 和 TLC7135C 這兩款 4 1/2 位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

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一、關(guān)鍵特性

高精度與低誤差

• 分辨率與線性度：這兩款轉(zhuǎn)換器具備 50 ppm（即 1/20000）的分辨率，最大線性誤差僅為 1 個計數(shù)，零誤差小于 10 μV，零漂移小于 0.5 μV/°C，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換。
• 低輸入電流：輸入電流典型值為 1 pA，低輸入電流有效降低了源阻抗誤差，提高了測量的準確性。
• 低翻轉(zhuǎn)誤差：最大翻轉(zhuǎn)誤差限制在±1 個計數(shù)，確保了轉(zhuǎn)換結(jié)果的穩(wěn)定性。

豐富的接口與控制功能

• 多路 BCD 輸出：提供多路二進制編碼十進制（BCD）輸出，方便與 LED 或 LCD 解碼器/驅(qū)動器以及微處理器等設備進行接口連接。
• 控制信號支持：BUSY、STROBE、RUN/HOLD、OVER RANGE 和 UNDER RANGE 等控制信號，可支持基于微處理器的測量系統(tǒng)，還能通過通用異步收發(fā)器（UART）實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集。

其他特性

• 真差分輸入：采用真差分輸入方式，能夠有效抑制共模干擾。
• 自動量程功能：具備自動量程能力，通過過范圍和欠范圍信號實現(xiàn)量程的自動調(diào)整。
• TTL 兼容輸出：輸出信號與 TTL 電平兼容，方便與其他數(shù)字電路集成。

二、電氣與工作特性

絕對最大額定值

在使用這兩款轉(zhuǎn)換器時，需要注意其絕對最大額定值，例如電源電壓（VCC+ 相對于 VCC -）最大為 15 V，模擬輸入電壓范圍為 VCC - 到 VCC + 等。超出這些額定值可能會對器件造成永久性損壞。

推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓、參考電壓、時鐘頻率等。例如，電源電壓 VCC + 推薦范圍為 4 - 6 V，VCC - 為 -3 到 -8 V，參考電壓 Vref 為 1 V 等。合理設置這些參數(shù)能夠確保轉(zhuǎn)換器在最佳狀態(tài)下工作。

電氣特性

在特定的測試條件下（如 (V{CC}+ = 5V)，(V{CC}- = 5V)，(V{ref} = 1V)，(f{clock} = 120kHz)，(T_{A} = 25^{circ}C)），轉(zhuǎn)換器表現(xiàn)出一系列電氣特性，如高電平輸出電壓、低電平輸出電壓、輸出噪聲電壓、輸入電流等。這些特性是評估轉(zhuǎn)換器性能的重要指標。

工作特性

轉(zhuǎn)換器的工作特性包括滿量程溫度系數(shù)、線性誤差、差分線性誤差、翻轉(zhuǎn)誤差等。例如，滿量程溫度系數(shù)在 0 - 70°C 范圍內(nèi)最大為 5 ppm/°C，線性誤差在 -2 V 到 2 V 的輸入電壓范圍內(nèi)典型值為 0.5 個計數(shù)。

三、工作原理

ICL7135C 和 TLC7135C 的測量周期由四個階段組成：

自動調(diào)零階段

內(nèi)部 IN + 和 IN - 輸入與外部端子斷開，內(nèi)部連接到模擬公共端（ANLG COMMON），參考電容充電至參考電壓，自動調(diào)零電容充電以補償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓，使輸入的整體失調(diào)小于 10 μV。

信號積分階段

自動調(diào)零環(huán)路打開，內(nèi)部 IN + 和 IN - 輸入連接到外部端子，對輸入的差分電壓進行固定時間的積分，同時記錄輸入信號的極性。

反積分階段

使用參考電壓進行反積分，內(nèi)部 IN - 連接到 ANLG COMMON，IN + 連接到已充電的參考電容，積分器輸出極性回到零的時間與輸入信號的幅度成正比，該時間通過數(shù)字顯示表示。

零積分階段

內(nèi)部 IN - 連接到 ANLG COMMON，系統(tǒng)配置為閉環(huán)，使積分器輸出回到零。通常需要 100 - 200 個時鐘脈沖，過范圍轉(zhuǎn)換后需要 6200 個脈沖。

四、模擬與數(shù)字電路描述

模擬電路

• 輸入信號范圍：輸入放大器的共模范圍從負電源上方 1 V 到正電源下方 1 V，在此范圍內(nèi)共模抑制比（CMRR）典型值為 86 dB。
• 模擬公共端：在自動調(diào)零、反積分和零積分階段，模擬公共端（ANLG COMMON）與內(nèi)部 IN - 連接。合理設置 IN - 的電壓并將模擬公共端與之連接，可以去除共模電壓，提高轉(zhuǎn)換精度。
• 參考電壓：參考電壓相對于模擬公共端為正，轉(zhuǎn)換結(jié)果的準確性依賴于參考電壓的質(zhì)量，因此高精度轉(zhuǎn)換需要使用高質(zhì)量的參考源。

數(shù)字電路

• RUN/HOLD 輸入：當該輸入為高電平或開路時，器件連續(xù)進行測量周期；為低電平時，完成當前測量周期后保持轉(zhuǎn)換讀數(shù)，直到再次觸發(fā)新的測量周期。
• STROBE 輸入：負脈沖將 BCD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠挎i存器、UART 或微處理器，通過合理設置 STROBE 脈沖的位置，確保正確的數(shù)據(jù)鎖存。
• BUSY 輸出：在信號積分階段開始時變?yōu)楦唠娖?，直到過零后的第一個時鐘脈沖或過范圍條件下測量周期結(jié)束時變?yōu)榈碗娖?，可用于串行傳輸轉(zhuǎn)換結(jié)果。
• OVER - RANGE 輸出：過范圍條件下，在測量周期結(jié)束且 BUSY 信號變低后變?yōu)楦唠娖剑乱粋€測量周期的反積分階段開始時變?yōu)榈碗娖健?/li>
• UNDER - RANGE 輸出：當轉(zhuǎn)換結(jié)果小于或等于滿量程范圍的 9%（計數(shù)為 1800）時，在 BUSY 信號結(jié)束時變?yōu)楦唠娖?，下一個測量周期的信號積分階段開始時變?yōu)榈碗娖健?/li>
• POLARITY 輸出：正輸入信號時為高電平，在每個反積分階段開始時更新，對所有輸入包括 ±0 和過范圍信號都有效。
• Digit - Drive 輸出：每個數(shù)字驅(qū)動輸出（D1 - D5）依次高電平 200 個時鐘脈沖，過范圍時所有數(shù)字驅(qū)動輸出在選通序列結(jié)束到反積分階段開始期間被消隱。
• BCD 輸出：給定數(shù)字的 BCD 位（B1、B2、B4 和 B8）依次激活，同時相應的數(shù)字驅(qū)動線也被激活。

五、系統(tǒng)設計考慮

元件選擇

• 積分電阻：積分電阻 (R_{INT}) 的值由滿量程輸入電壓和積分放大器的輸出電流決定，推薦的積分放大器電流為 20 μA。
• 積分電容：積分電阻和電容的乘積應選擇合適，以避免積分放大器輸出飽和，推薦的電容值為 0.47 μF。同時，應選擇低介電吸收的電容，如聚丙烯電容。
• 自動調(diào)零和參考電容：大電容有助于降低系統(tǒng)噪聲，典型值為 1 μF。
• 參考電壓：高精度絕對測量需要使用高質(zhì)量的參考源。
• 翻轉(zhuǎn)電阻和二極管：可用于校正翻轉(zhuǎn)誤差，推薦的電阻值為 100 kΩ，在非關(guān)鍵應用中可能不需要。

時鐘頻率

• 最大時鐘頻率：對于大多數(shù)雙斜率 A/D 轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換速率受比較器頻率響應的限制。在該電路中，時鐘頻率超過 160 kHz 可能會導致儀器在噪聲峰值時閃爍。對于單極性輸入信號，時鐘頻率可達 1 MHz；對于雙極性信號，可通過串聯(lián)一個 10 - 50 Ω 的電阻來補償比較器延遲，使時鐘頻率可達 480 kHz。
• 最小時鐘頻率：最小時鐘頻率受自動調(diào)零和參考電容的泄漏影響，測量周期高達 10 μs 時不受泄漏誤差影響。
• 50 Hz 或 60 Hz 干擾抑制：為了最大程度地抑制 50 Hz 或 60 Hz 的干擾，應選擇合適的時鐘頻率，使信號積分階段包含 50 Hz 或 60 Hz 周期的整數(shù)倍。

其他考慮

• 零交叉觸發(fā)器：通過延遲一個時鐘周期進行零交叉檢測，并在反積分階段開始時禁用計數(shù)器一個時鐘周期，以消除檢測延遲帶來的誤差。
• 噪聲：零附近的峰 - 峰噪聲約為 15 μV，接近滿量程時增加到約 30 μV，大部分噪聲來自自動調(diào)零環(huán)路。
• 模擬和數(shù)字接地：高精度應用中應避免接地環(huán)路，數(shù)字電路的回流電流不應流入模擬地線。
• 電源：轉(zhuǎn)換器設計用于 ±5 V 電源，但當輸入信號相對于電源中點變化不超過 ±1.5 V 時，也可使用 5 V 電源。

六、封裝信息

ICL7135C 和 TLC7135C 提供多種封裝選項，如塑料雙列直插（N）和小外形（DW）封裝。以 TLC7135CDW 和 TLC7135CDWR 為例，它們采用 SOIC 封裝，引腳數(shù)為 28，不同的封裝數(shù)量和包裝形式適用于不同的應用需求。

在實際設計中，電子工程師們需要根據(jù)具體的應用場景和性能要求，合理選擇和使用 ICL7135C 和 TLC7135C 這兩款高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。你在使用這類轉(zhuǎn)換器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。