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

引言

在電子測(cè)量與數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，A/D 轉(zhuǎn)換器扮演著至關(guān)重要的角色。Maxim 的 ICL7135 作為一款高精度的 4 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，憑借其出色的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為眾多工程師的首選。本文將深入探討 ICL7135 的特性、工作原理、應(yīng)用以及關(guān)鍵組件的選擇，幫助工程師更好地理解和應(yīng)用這款優(yōu)秀的轉(zhuǎn)換器。

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ICL7135 概述

ICL7135 是一款高精度的單片 4 1/2 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，它結(jié)合了雙斜率轉(zhuǎn)換的可靠性、±1/20000 的計(jì)數(shù)精度以及 2.0000V 的滿量程能力。其特點(diǎn)包括高阻抗差分輸入、近乎理想的差分線性度、真正的比率測(cè)量操作、自動(dòng)調(diào)零和自動(dòng)極性功能。多路復(fù)用 BCD 輸出和數(shù)字驅(qū)動(dòng)器使其能夠輕松與外部顯示驅(qū)動(dòng)器（如 Maxim ICM7211A）接口，只需一個(gè)參考源和一個(gè)時(shí)鐘，就能構(gòu)建精確的數(shù)字電壓表（DVM）或數(shù)字面板表（DPM）。對(duì)于更復(fù)雜的系統(tǒng)，其 BCD 輸出還通過 STROBE、OVERRANGE、UNDERRANGE、RUN/HOLD 和 BUSY 線增強(qiáng)，便于與微處理器和 UART 接口，使其成為基于微處理器的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的理想選擇。

主要特性

• 高精度與高分辨率：±20000 計(jì)數(shù)分辨率，保證 ±1 計(jì)數(shù)精度，能夠提供精確的測(cè)量結(jié)果。
• 自動(dòng)量程功能：具備過范圍和欠范圍信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程切換，適應(yīng)不同的測(cè)量需求。
• 易于接口：與 UART 和微處理器輕松接口，TTL 兼容的多路復(fù)用 BCD 輸出，方便與外部設(shè)備連接。
• 低噪聲與高可靠性：自動(dòng)調(diào)零精度優(yōu)于 10μV，零漂移為 0.5μV/°C，輸入偏置電流最大為 10pA，翻轉(zhuǎn)誤差小于 1 計(jì)數(shù)，保證了測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。
• 靜電放電保護(hù)：所有引腳設(shè)計(jì)能夠承受超過 2000V 的靜電放電（ESD）水平，增強(qiáng)了設(shè)備的抗干擾能力。

應(yīng)用領(lǐng)域

ICL7135 廣泛應(yīng)用于涉及模擬數(shù)據(jù)處理和顯示的各種測(cè)量應(yīng)用，如壓力、電壓、電阻、溫度、重量、電流、速度和材料厚度等測(cè)量。

工作原理

ICL7135 分為模擬部分和數(shù)字部分。數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)器、輸入和輸出接口以及控制邏輯，控制每個(gè)測(cè)量周期的時(shí)序。每個(gè)測(cè)量分為四個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零（AZ）、信號(hào)積分（INT）、參考反積分（DE）和零積分（ZI）。

自動(dòng)調(diào)零階段

在此階段，輸入 HI 和 LO 與輸入引腳斷開，并內(nèi)部短接到模擬公共端。比較器的輸出連接到積分器的反相輸入，同時(shí)積分器的同相輸入連接到緩沖器的輸入。這個(gè)反饋回路對(duì)自動(dòng)調(diào)零電容 (C_{AZ}) 充電，以補(bǔ)償緩沖放大器、積分器和比較器的失調(diào)電壓。同時(shí)，參考電容連接到電壓參考源并充電到參考電壓。自動(dòng)調(diào)零周期至少為 9800 個(gè)時(shí)鐘周期，除非出現(xiàn)過范圍讀數(shù)。過范圍后，擴(kuò)展的零積分階段將自動(dòng)調(diào)零階段減少到 3800 個(gè)時(shí)鐘周期。

信號(hào)積分階段

自動(dòng)調(diào)零階段結(jié)束后，自動(dòng)調(diào)零回路打開，輸入高和低切換到外部引腳 IN - HI 和 IN - LO。模擬部分對(duì)輸入高和低之間的差分電壓進(jìn)行積分。差分電壓必須在 ICL7135 的共模范圍內(nèi)。信號(hào)積分結(jié)束時(shí)，積分電容上的電壓與輸入高和低之間的差分電壓成正比，也與信號(hào)積分階段的長(zhǎng)度成正比。信號(hào)積分階段精確持續(xù) 10000 個(gè)時(shí)鐘周期。此階段結(jié)束時(shí)確定輸入信號(hào)的極性。

反積分階段

信號(hào)積分結(jié)束后，輸入高和低與外部引腳斷開。積分器的同相輸入引腳內(nèi)部連接到模擬公共端，緩沖器輸入連接到參考電容的一側(cè)。參考電容的另一側(cè)連接到模擬公共端。積分器輸出的極性（由比較器在信號(hào)積分階段結(jié)束時(shí)檢測(cè)）決定參考電容的哪個(gè)端子連接到緩沖器輸入。選擇參考電容的極性，使積分器輸出始終向模擬公共端返回。由于參考電容在自動(dòng)調(diào)零階段充電到參考電壓，積分器輸入電壓現(xiàn)在是參考電壓。反積分階段持續(xù) 20001 個(gè)計(jì)數(shù)，或者直到比較器檢測(cè)到積分器輸出過零，以先發(fā)生者為準(zhǔn)。返回零所需的時(shí)間與輸入信號(hào)成正比，與參考電壓成反比。數(shù)字部分對(duì)返回零所需的時(shí)鐘周期數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將其鎖存為測(cè)量結(jié)果。顯示讀數(shù)公式為： [Displayed reading =10,000 × frac{V{IN}}{V{REF}}]

零積分階段

這是四個(gè)階段中的最后一個(gè)階段。積分器的同相輸入內(nèi)部短接到模擬公共端，緩沖器輸入內(nèi)部連接到比較器的輸出。這形成一個(gè)閉環(huán)，迫使積分器輸出為零。通常，此階段僅持續(xù) 100 到 200 個(gè)計(jì)數(shù)，足以消除由于比較器延遲和每個(gè)時(shí)鐘周期僅對(duì)比較器輸出采樣一次而產(chǎn)生的積分電容上的小殘留電荷。然而，如果在反積分階段結(jié)束時(shí)積分器輸出未返回零，則會(huì)出現(xiàn)過范圍情況，并可能在積分電容上留下殘留電壓。在這種情況下，零積分階段增加到 6200 個(gè)計(jì)數(shù)，以確保在下一個(gè)測(cè)量周期開始之前積分電容完全放電。

關(guān)鍵組件選擇

為了在每個(gè)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須仔細(xì)選擇模擬組件的值。影響組件值的因素包括讀數(shù)速率、輸入共模電壓、滿量程和參考電壓以及電源電壓。

積分電阻

選擇積分電阻值時(shí)，應(yīng)使緩沖器的最大輸出電流在 5 到 40μA 之間，以獲得良好的線性度。緩沖器的靜態(tài)電流為 100μA，能夠以出色的線性度提供 20μA 的輸出電流。緩沖器的最大輸出電流在滿量程輸入電壓時(shí)出現(xiàn)，積分電阻值可計(jì)算為： [R_{INT }=frac{ full scale voltage }{20 mu A}]

積分電容

信號(hào)積分階段積分器的最大擺幅可計(jì)算為： [V swing =frac{I{INT} × T{INT}}{C{INT}}] 其中 (I{INT }=20 mu A)，(T{INT }=10000) 個(gè)時(shí)鐘周期（對(duì)于 120kHz 時(shí)鐘頻率為 83.3ms）。應(yīng)在避免積分器輸出飽和的同時(shí)最大化積分器的擺幅范圍。通常，積分器輸出在接近任一電源 0.3V 時(shí)才會(huì)飽和，但為了獲得最佳的積分線性度，積分器的輸出應(yīng)至少遠(yuǎn)離任一電源 1V。對(duì)于 ±5V 電源且模擬公共端和 IN LO 接地，±3.5V 到 ±4V 的擺幅范圍是最佳的。重新排列上述公式并插入值，(C{INT}) 可計(jì)算為： [C_{INT }=frac{20 mu A × 83.3 ms}{3.5 V} × 0.47 mu F] 如果模擬公共端或 IN LO 未接地，或者電源電壓小于 ±5V，則必須減小積分器的擺幅。積分電容必須具有低介電吸收，以獲得低積分非線性、翻轉(zhuǎn)和比率測(cè)量誤差。

自動(dòng)調(diào)零電容

自動(dòng)調(diào)零電容的大小將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的噪聲產(chǎn)生顯著影響，較大的自動(dòng)調(diào)零電容會(huì)使系統(tǒng)更安靜。自動(dòng)調(diào)零電容的介電吸收僅影響上電或過載恢復(fù)時(shí)的穩(wěn)定速度，幾乎可以使用任何類型的電容。ICL7135 的零積分階段允許使用大的自動(dòng)調(diào)零電容，同時(shí)避免了沒有零積分階段的 A/D 轉(zhuǎn)換器中出現(xiàn)的“過范圍殘留”和滯后效應(yīng)。

參考電容

與自動(dòng)調(diào)零電容一樣，參考電容的介電吸收通常不是關(guān)鍵因素。只有在需要快速穩(wěn)定時(shí)間的系統(tǒng)（如萬用表中的比率測(cè)量歐姆測(cè)量）中，才需要低介電吸收的參考電容。參考電容需要是低泄漏電容，因?yàn)樗仨氃谛盘?hào)積分和參考反積分階段浮動(dòng)時(shí)存儲(chǔ)參考電壓。這兩個(gè)階段中的任何泄漏或電荷損失都會(huì)導(dǎo)致 ICL7135 的比例因子發(fā)生有效變化。在大多數(shù)應(yīng)用中，低成本的薄膜電容（如聚酯或聚苯乙烯）是合適的。

參考電壓

當(dāng) (V{IN}=2 x V{REF}) 時(shí)，將出現(xiàn) 20000 的滿量程讀數(shù)。由于 ICL7135 的 20000 計(jì)數(shù)分辨率相當(dāng)于 50ppm 分辨率，因此對(duì)于高精度絕對(duì)測(cè)量，建議使用高穩(wěn)定性的參考源。

翻轉(zhuǎn)電阻和二極管

ICL7135 使用圖 1 中的電路進(jìn)行翻轉(zhuǎn)測(cè)試，電路中包含 100kΩ 電阻和二極管。二極管不是關(guān)鍵元件，通常是低成本的 1N4148。電阻值取決于許多因素，包括積分器擺幅、時(shí)鐘頻率以及參考電容上“電荷吸出”導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)誤差量。對(duì)于大多數(shù)電路，100kΩ 是最佳值，也是測(cè)試 ICL7135 時(shí)使用的值。

加速電阻

與積分電容串聯(lián)的 27Ω 加速電阻在積分電容電壓上增加一個(gè)基座電壓。這個(gè)基座電壓使過零提前發(fā)生，從而為比較器提供一個(gè)過驅(qū)動(dòng)電壓，加快其響應(yīng)速度并減少由于比較器延遲導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換誤差。如果積分器電流發(fā)生變化，加速電阻值應(yīng)相應(yīng)改變，以使 (I{INT} x R{SPEEDUP} =500 mu V)。

時(shí)鐘頻率

時(shí)鐘源在轉(zhuǎn)換期間應(yīng)無短期相位和頻率抖動(dòng)，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性不是關(guān)鍵因素。選擇時(shí)鐘頻率以獲得所需的轉(zhuǎn)換速率，并最大化對(duì)電源線頻率干擾的正常模式抑制。轉(zhuǎn)換速率與時(shí)鐘頻率成正比，每個(gè)轉(zhuǎn)換需要 40002 個(gè)時(shí)鐘周期。為了實(shí)現(xiàn)最大的正常模式抑制，信號(hào)積分周期應(yīng)為電源線周期的整數(shù)倍。公式如下： [Reading Rate (in readings per second) =frac{f{CLK}}{40,002}] [f{CLK } for maximum normal mode rejection =frac{f{LINE } × 10,000}{ N}] 其中 (f{LINE}) 是線頻率，通常為 50Hz 或 60Hz，N 是信號(hào)積分期間發(fā)生的線周期數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)最大的正常模式抑制，N 應(yīng)為整數(shù)。

總結(jié)

ICL7135 以其高精度、高可靠性和易于接口的特點(diǎn)，在電子測(cè)量和數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過深入了解其工作原理和關(guān)鍵組件的選擇，工程師可以更好地發(fā)揮 ICL7135 的性能，設(shè)計(jì)出更加精確和穩(wěn)定的測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和條件，合理選擇組件值，以確保系統(tǒng)的最佳性能。你在使用 ICL7135 過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。