探索MAXIM ICL7129A/MAX7129：高精度4-1/2位單芯片A/D轉(zhuǎn)換器

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高精度的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換一直是工程師們追求的目標(biāo)。今天，我們就來(lái)深入了解一下MAXIM公司的ICL7129A/MAX7129，一款具備LCD驅(qū)動(dòng)功能的4-1/2位單芯片A/D轉(zhuǎn)換器，看看它在實(shí)際應(yīng)用中能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

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產(chǎn)品概述

ICL7129A/MAX7129是一款高精度的單片4-1/2位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠直接驅(qū)動(dòng)多路復(fù)用液晶顯示器。它采用了獨(dú)特的“連續(xù)積分”技術(shù)，在2.00000V和200.00mV量程上都能實(shí)現(xiàn)±20,000計(jì)數(shù)分辨率。該轉(zhuǎn)換器具有高阻抗差分輸入、出色的差分線性度、真正的比例運(yùn)算和自動(dòng)極性等特點(diǎn)。要制作精密的數(shù)字電壓表（DVM）或數(shù)字面板表（DPM），僅需一個(gè)參考源作為外部有源組件。此外，它還具備過(guò)量程和欠量程輸出以及10:1量程切換輸入，方便設(shè)計(jì)自動(dòng)量程系統(tǒng)。同時(shí)，它能檢測(cè)并標(biāo)記低電量狀態(tài)，還可進(jìn)行連續(xù)性檢查，并提供視覺(jué)指示和邏輯電平輸出，可用于產(chǎn)生聲音信號(hào)。

關(guān)鍵特性

1. 高分辨率：±19,999計(jì)數(shù)分辨率，能滿足高精度測(cè)量需求。
2. 低輸入偏置電流：MAX7129的最大輸入偏置電流僅為10pA，減少了測(cè)量誤差。
3. 低噪聲：ICL7129A的峰峰值噪聲低至3μV，大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
4. 集成LCD驅(qū)動(dòng)：板載多路復(fù)用LCD顯示驅(qū)動(dòng)器，可直接驅(qū)動(dòng)4-1/2位、4個(gè)小數(shù)點(diǎn)和3個(gè)指示器，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。
5. 功能豐富：具備即時(shí)連續(xù)性檢測(cè)器、低電量檢測(cè)器和指示器、過(guò)量程/欠量程輸出、精確的10:1量程選擇等功能。
6. ESD保護(hù)：顯著改善了靜電放電（ESD）保護(hù)性能，提高了產(chǎn)品的可靠性。
7. 低功耗設(shè)計(jì)：采用單片、低功耗CMOS設(shè)計(jì)，無(wú)需補(bǔ)償電容，降低了功耗和成本。

技術(shù)原理

轉(zhuǎn)換技術(shù)

ICL7129A/MAX7129與早期的積分型A/D轉(zhuǎn)換器有兩點(diǎn)不同。首先，它采用了一種稱為“連續(xù)積分”的雙斜率方法變體；其次，它使用數(shù)字自動(dòng)調(diào)零，而不是需要外部自動(dòng)調(diào)零電容的模擬自動(dòng)調(diào)零環(huán)路。早期的轉(zhuǎn)換器在自動(dòng)調(diào)零電容上存儲(chǔ)偏移校正電壓，雖然這種方法適用于100μV分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，但自動(dòng)調(diào)零環(huán)路會(huì)導(dǎo)致早期積分型A/D轉(zhuǎn)換器的噪聲大幅增加，使其不適合10μV分辨率的系統(tǒng)。ICL7129A/MAX7129通過(guò)進(jìn)行兩次5%位分辨率的轉(zhuǎn)換，消除了自動(dòng)調(diào)零電容和與自動(dòng)調(diào)零環(huán)路相關(guān)的噪聲。第一次轉(zhuǎn)換是將A/D連接到外部輸入（Input HI和Input LO）進(jìn)行的；第二次轉(zhuǎn)換是將A/D輸入內(nèi)部短路進(jìn)行的。第二次轉(zhuǎn)換的結(jié)果與A/D的偏移成正比，將其從第一次讀數(shù)中數(shù)字相減，即可得到經(jīng)過(guò)偏移校正的自動(dòng)調(diào)零測(cè)量結(jié)果。

連續(xù)積分過(guò)程

該轉(zhuǎn)換器通過(guò)多次雙斜率轉(zhuǎn)換來(lái)增強(qiáng)雙斜率轉(zhuǎn)換技術(shù)，每次連續(xù)轉(zhuǎn)換的分辨率都是前一次的10倍?！斑B續(xù)積分”技術(shù)的關(guān)鍵在于每次轉(zhuǎn)換后對(duì)積分器電容上的殘余電壓進(jìn)行乘法運(yùn)算。ICL7129A/MAX7129首先進(jìn)行3%位的雙斜率轉(zhuǎn)換，去積分周期在積分器輸出過(guò)零后的下一個(gè)正時(shí)鐘沿終止，此時(shí)積分器電容上會(huì)留下一小部分殘余電壓。與其他A/D轉(zhuǎn)換器不同的是，ICL7129A/MAX7129將這個(gè)殘余電壓乘以10，然后進(jìn)行另一次雙斜率轉(zhuǎn)換。由于積分器電容上的殘余電壓被乘以10，第二次去積分周期的分辨率也提高了10倍，從而在第二次去積分周期中實(shí)現(xiàn)了4%位的分辨率。第二次去積分周期結(jié)束后留下的積分器電容殘余電壓再次乘以10，ICL7129A/MAX7129進(jìn)行第三次去積分周期，此時(shí)達(dá)到5%位的分辨率。

電氣特性

MAX7129電氣特性

在特定條件下（V?到V? = 9V，VREF = 1.00V，TA = +25°C，fCLK = 120kHz），MAX7129具有以下電氣特性：

• 零輸入讀數(shù)和零讀數(shù)漂移：在200mV量程下，零輸入讀數(shù)為0000，零讀數(shù)漂移為±0.5讀數(shù)/°C。
• 比例讀數(shù)：當(dāng)VIN = VREF = 1000mV，RANGE = 2V時(shí)，比例讀數(shù)在9998 - 10000讀數(shù)之間。
• 量程變化精度：在低量程和高量程下，量程變化精度為0.9999 - 1.0001比例。
• 翻轉(zhuǎn)誤差：當(dāng)-VIN = +VIN = 199mV時(shí)，翻轉(zhuǎn)誤差小于1計(jì)數(shù)。
• 線性誤差：200mV量程下，線性誤差為0.5計(jì)數(shù)。
• 輸入共模抑制比：在200mV量程下，輸入共模抑制比為110dB。
• 輸入共模電壓范圍：在200mV量程下，輸入共模電壓范圍為(V?)+1.5V到(V?)-0.5V。
• 噪聲：在200mV量程下，95%的時(shí)間內(nèi)峰峰值噪聲不超過(guò)7.0μV。
• 輸入泄漏電流：IN HI端最大為10pA，IN LO端最大為40pA。

ICL7129A電氣特性

ICL7129A的電氣特性與MAX7129類似，但在噪聲方面表現(xiàn)更優(yōu)，在200mV量程下，95%的時(shí)間內(nèi)峰峰值噪聲不超過(guò)3.0μV。

引腳配置與功能

ICL7129A/MAX7129的引腳具有多種功能，以下是部分關(guān)鍵引腳的介紹：

• OSC1、OSC2、OSC3：用于時(shí)鐘振蕩，可選擇晶體或RC振蕩方式。
• ANNUNCIATOR DRIVE：用于驅(qū)動(dòng)指示器的背板方波輸出。
• B1 - B4、C1 - C4、A1 - A4、G1 - G4、D1 - D4、F1 - F4、E1 - E4、DP1 - DP4：輸出到顯示段，用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示器的各個(gè)段。
• BP1 - BP3：背板輸出，用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示器的背板。
• VDISP：顯示驅(qū)動(dòng)器的負(fù)電源。
• DP4/OR、DP3/UR：具有雙重功能，既可以控制小數(shù)點(diǎn)的顯示，又可以作為過(guò)量程和欠量程輸出。
• LATCH/HOLD：控制數(shù)據(jù)的鎖存和保持，可用于控制顯示的更新。
• CONTINUITY：連續(xù)性檢測(cè)輸入和輸出，用于檢測(cè)輸入之間的電壓是否小于200mV。

應(yīng)用領(lǐng)域

ICL7129A/MAX7129可廣泛應(yīng)用于各種精密數(shù)字電壓表、萬(wàn)用表和面板表等領(lǐng)域，主要用于模擬數(shù)據(jù)的測(cè)量和顯示，如壓力、重量、電壓、電流、電阻、速度、溫度和材料厚度等。

組件選擇

積分電阻

為了獲得最佳線性度，應(yīng)選擇積分電阻值，使緩沖器的最大輸出電流在5 - 20μA之間。緩沖器的靜態(tài)電流為70μA，在輸出電流為13μA時(shí)具有良好的線性度。在滿量程輸入電壓下，緩沖器的最大輸出電流出現(xiàn)，此時(shí)積分電阻的最佳值可通過(guò)公式 (R{INT}=frac{full scale voltage}{13 mu A}) 計(jì)算，例如在2V滿量程時(shí)，(R{INT}=frac{2V}{13 mu A}=150 kOmega)。積分電阻值過(guò)高會(huì)增加對(duì)噪聲的敏感度，導(dǎo)致雜散泄漏電流引起的誤差增加；值過(guò)低則會(huì)因試圖從緩沖器和積分器中吸取過(guò)多電流而降低積分線性度。

積分電容

積分器在信號(hào)積分階段的最大擺幅可通過(guò)公式 (V{swing}=frac{I{INT} × T{INT}}{C{INT}}) 計(jì)算，其中 (I{INT}=13 mu A)（當(dāng)積分電阻按上述方法選擇時(shí)），(T{INT}=1000) 個(gè)時(shí)鐘周期（對(duì)于120kHz的振蕩器頻率，為16.7ms）。為了避免積分器輸出飽和，同時(shí)使積分器擺幅范圍最大化，積分器的輸出應(yīng)至少與任一電源保持1V的距離。由于Common大約比V?低3V，積分器擺幅應(yīng)為2V。將這些值代入公式，可計(jì)算出積分電容 (C_{INT}=frac{13.3 mu A × 16.7 ms}{2 V}=0.1 mu F)。積分電容值過(guò)低會(huì)使積分器擺幅過(guò)大，導(dǎo)致積分器飽和并引起積分線性誤差；值過(guò)高則會(huì)減小積分器擺幅范圍，增加比較器噪聲的影響。如果在IN LO端施加正共模電壓，則需要減小積分電容值，以確保積分器輸出電壓至少比V?低1V。此外，積分電容應(yīng)具有低介電吸收特性，以獲得低積分非線性、翻轉(zhuǎn)和比例誤差。聚丙烯電容和特氟龍電容是比較合適的選擇，在不太關(guān)鍵的應(yīng)用中，聚苯乙烯和聚碳酸酯電容也可使用。

參考電容

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)中，如數(shù)字萬(wàn)用表的比例歐姆測(cè)量中，才需要低介電吸收的參考電容。參考電容必須是低泄漏電容，因?yàn)樗诜e分和去積分階段都要存儲(chǔ)參考電壓。在這些階段，任何泄漏或電荷損失都會(huì)導(dǎo)致ICL7129A/MAX7129的比例因子發(fā)生變化。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，聚酯或聚苯乙烯等低成本薄膜電容是合適的選擇。此外，參考電容端子上的雜散電容會(huì)導(dǎo)致“電荷吸出”效應(yīng)，從而對(duì)參考電容的值設(shè)置下限。在大多數(shù)應(yīng)用中，Ref Lo輸入端子連接到Common，Ref Hi輸入比Common高1V。在積分和空閑階段，參考電容連接到參考輸入（(C{REF}^{+}) 連接到Ref Hi，(C{REF}^{-}) 連接到Ref Lo）。在積分階段結(jié)束時(shí)，比較器確定積分器輸出的極性，數(shù)字部分關(guān)閉模擬開(kāi)關(guān)，使參考電容連接到Common和緩沖器輸入，其極性應(yīng)使積分器輸出在去積分階段向Common返回。在積分階段輸入為負(fù)信號(hào)時(shí)，積分器輸出為正，ICL7129A/MAX7129數(shù)字部分會(huì)在去積分階段將 (C{REF}) 端子連接到Common。由于 (C{REF}) 端子在積分階段也連接到Common，因此在從積分階段過(guò)渡到去積分階段時(shí)，(C_{REF}) 端子的電壓不會(huì)改變。然而，如果積分階段的輸入電壓為正，ICL7129A/MAX7129數(shù)字部分會(huì)將Ref (Cap ^{+}) 端子連接到Common。在這種情況下，參考電容的兩個(gè)端子都會(huì)向負(fù)方向移動(dòng)1V。參考電容端子上的任何雜散電容在其1V移動(dòng)過(guò)程中也必須充電，從而降低參考電容上的電壓，改變正輸入電壓的比例因子。這種誤差稱為“翻轉(zhuǎn)誤差”，通過(guò)使用1μF或更大的參考電容值，可以將其降低到小于1計(jì)數(shù)。

晶體振蕩器組件

ICL7129A/MAX7129的晶體振蕩器設(shè)計(jì)用于與音叉型晶體配合使用，如Statek CX - 1V系列。兩個(gè)電容不是關(guān)鍵組件，可以使用低成本的盤式陶瓷電容。晶體頻率應(yīng)為120kHz以抑制60Hz的正常模式信號(hào)，或100kHz以抑制50Hz的正常模式信號(hào)。在200mV量程下，使用這些晶體頻率時(shí)，積分將是60/50Hz信號(hào)的10個(gè)周期；在2V量程下，是1個(gè)周期。在2V量程上，沒(méi)有單一的振蕩器頻率能同時(shí)對(duì)50Hz和60Hz實(shí)現(xiàn)良好的正常模式抑制，但100kHz的振蕩器頻率在200mV量程上可以同時(shí)抑制50Hz和60Hz。

實(shí)際應(yīng)用注意事項(xiàng)

電源供應(yīng)

ICL7129A/MAX7129既可以作為電池供電的手持儀器使用，也可以集成到具有更復(fù)雜電源的大型系統(tǒng)中。在使用9V電池供電時(shí)，可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)的典型工作電路。對(duì)于使用+5V和 - 5V電源的系統(tǒng)，需要注意測(cè)量是相對(duì)于地進(jìn)行的。COMMON不連接到INPUT LO，僅用作外部電壓參考的預(yù)調(diào)節(jié)器。ICL7129A/MAX7129的數(shù)字地（DGND，引腳36）不直接連接到電源地，其數(shù)字輸入具有到DGND的保護(hù)二極管，不應(yīng)驅(qū)動(dòng)到低于DGND的任何電壓。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以在ICL7129A/MAX7129的DGND端子和±5V系統(tǒng)的數(shù)字地之間放置一個(gè)100Ω電阻，如果DGND端子的電壓比±5V系統(tǒng)的數(shù)字地更正，則該電阻會(huì)將其下拉，防止輸入保護(hù)二極管正向偏置。如果DGND電壓比系統(tǒng)數(shù)字地更負(fù)，10Ω電阻將限制DGND吸收的電流量。在不方便或不適合使用電池供電的應(yīng)用中，也可以使用單極性電源為ICL7129A/MAX7129供電，但測(cè)量必須相對(duì)于COMMON或ICL7129A/MAX7129輸入共模范圍內(nèi)的其他電壓進(jìn)行。

電壓參考

Common輸出的典型溫度系數(shù)為±80ppm/°C，由于ICL7129A/MAX7129的分辨率為20,000分之一，即50ppm，因此除非環(huán)境溫度保持恒定，否則需要一個(gè)精密的外部參考。數(shù)據(jù)手冊(cè)首頁(yè)的典型工作電路圖示中，使用了一個(gè)1.2V的帶隙電壓源作為ICL7129A/MAX7129的參考，Common僅用作帶隙參考的預(yù)調(diào)節(jié)器。ICL7129A/MAX7129在2V和200mV滿量程操作時(shí)，參考電壓約為1.000V。要調(diào)整參考電壓，可以先施加一個(gè)精確的1000.05mV輸入電壓，然后調(diào)整參考電壓，直到顯示讀數(shù)在10000和10001之間均勻交替。

指示器驅(qū)動(dòng)

Annunciator Drive輸出是一個(gè)背板頻率的方波，其電壓從V?到VDISP擺動(dòng)。任何連接到Annunciator Drive的段都會(huì)被打開(kāi)，而不管哪個(gè)背板驅(qū)動(dòng)該段?？梢允褂猛獠窟壿嬰娖絹?lái)控制指示器段，具體方法可參考相關(guān)電路圖示。

顯示電壓補(bǔ)償

在大多數(shù)應(yīng)用中，將VDISP（引腳19）連接到DGND（引腳36）即可獲得足夠的顯示效果。但在預(yù)期溫度范圍較寬的應(yīng)用中，一些多路復(fù)用液晶顯示器的電壓驅(qū)動(dòng)水平可能需要隨溫度變化，以保持良好的顯示對(duì)比度和視角。溫度補(bǔ)償?shù)某潭热Q于所使用的液晶類型，顯示器制造商通常會(huì)指定LCD閾值電壓的溫度變化，該閾值電壓約為最佳峰值顯示電壓的1/3。峰值顯示電壓等于((V^{+}-V_{DISP}))，因此典型的LCD閾值溫度系數(shù)為 - 4mV/°C，對(duì)應(yīng)于VDISP引腳的溫度系數(shù)為 + 12mV/°C。可以使用兩個(gè)電路來(lái)調(diào)整VDISP引腳的溫度補(bǔ)償，使其達(dá)到約 + 12mV/°C。DGND和VDISP之間的二極管應(yīng)具有低導(dǎo)通電壓，以確保VDISP相對(duì)于DGND不會(huì)被驅(qū)動(dòng)到負(fù)300mV以上。

輸入保護(hù)

ICL7129A/MAX7129的輸入引腳內(nèi)置了保護(hù)二極管，可保護(hù)其免受高達(dá)2000V的靜電放電（ESD）（符合Mil Standard 883，Method 3015.1測(cè)試電路）。這些二極管還可保護(hù)ICL7129A/MAX7129在萬(wàn)用表電路中免受過(guò)大的輸入電壓過(guò)載，但前提是流入這些二極管的電流應(yīng)限制在小于1mA。因此，如果輸入電流限制電阻為1MΩ，ICL7129A/MAX7129在高達(dá)1000V的輸入電壓下將得到充分保護(hù)。

MAXIM ICL7129A/MAX7129以其高精度、豐富的功能和良好的性能，為電子工程師在設(shè)計(jì)精密測(cè)量?jī)x器時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，合理選擇組件和注意相關(guān)的應(yīng)用事項(xiàng)，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的測(cè)量和顯示。你在使用類似的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。