深入剖析ICL7135：4 1/2 位 A/D 轉換器的卓越性能與應用

引言

在電子測量與數據采集領域，A/D 轉換器扮演著至關重要的角色。Maxim 的 ICL7135 作為一款高精度的 4 1/2 位 A/D 轉換器，憑借其出色的性能和廣泛的應用場景，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、應用以及關鍵組件的選擇，幫助工程師更好地理解和應用這款優秀的轉換器。

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ICL7135 概述

ICL7135 是一款高精度的單片 4 1/2 位 A/D 轉換器，它結合了雙斜率轉換的可靠性、±1/20000 的計數精度以及 2.0000V 的滿量程能力。其特點包括高阻抗差分輸入、近乎理想的差分線性度、真正的比率測量操作、自動調零和自動極性功能。多路復用 BCD 輸出和數字驅動器使其能夠輕松與外部顯示驅動器（如 Maxim ICM7211A）接口，只需一個參考源和一個時鐘，就能構建精確的數字電壓表（DVM）或數字面板表（DPM）。對于更復雜的系統，其 BCD 輸出還通過 STROBE、OVERRANGE、UNDERRANGE、RUN/HOLD 和 BUSY 線增強，便于與微處理器和 UART 接口，使其成為基于微處理器的數據采集和控制系統的理想選擇。

主要特性

• 高精度與高分辨率：±20000 計數分辨率，保證 ±1 計數精度，能夠提供精確的測量結果。
• 自動量程功能：具備過范圍和欠范圍信號，實現自動量程切換，適應不同的測量需求。
• 易于接口：與 UART 和微處理器輕松接口，TTL 兼容的多路復用 BCD 輸出，方便與外部設備連接。
• 低噪聲與高可靠性：自動調零精度優于 10μV，零漂移為 0.5μV/°C，輸入偏置電流最大為 10pA，翻轉誤差小于 1 計數，保證了測量的穩定性和可靠性。
• 靜電放電保護：所有引腳設計能夠承受超過 2000V 的靜電放電（ESD）水平，增強了設備的抗干擾能力。

應用領域

ICL7135 廣泛應用于涉及模擬數據處理和顯示的各種測量應用，如壓力、電壓、電阻、溫度、重量、電流、速度和材料厚度等測量。

工作原理

ICL7135 分為模擬部分和數字部分。數字部分包括計數器、輸入和輸出接口以及控制邏輯，控制每個測量周期的時序。每個測量分為四個階段：自動調零（AZ）、信號積分（INT）、參考反積分（DE）和零積分（ZI）。

自動調零階段

在此階段，輸入 HI 和 LO 與輸入引腳斷開，并內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，同時積分器的同相輸入連接到緩沖器的輸入。這個反饋回路對自動調零電容 (C_{AZ}) 充電，以補償緩沖放大器、積分器和比較器的失調電壓。同時，參考電容連接到電壓參考源并充電到參考電壓。自動調零周期至少為 9800 個時鐘周期，除非出現過范圍讀數。過范圍后，擴展的零積分階段將自動調零階段減少到 3800 個時鐘周期。

信號積分階段

自動調零階段結束后，自動調零回路打開，輸入高和低切換到外部引腳 IN - HI 和 IN - LO。模擬部分對輸入高和低之間的差分電壓進行積分。差分電壓必須在 ICL7135 的共模范圍內。信號積分結束時，積分電容上的電壓與輸入高和低之間的差分電壓成正比，也與信號積分階段的長度成正比。信號積分階段精確持續 10000 個時鐘周期。此階段結束時確定輸入信號的極性。

反積分階段

信號積分結束后，輸入高和低與外部引腳斷開。積分器的同相輸入引腳內部連接到模擬公共端，緩沖器輸入連接到參考電容的一側。參考電容的另一側連接到模擬公共端。積分器輸出的極性（由比較器在信號積分階段結束時檢測）決定參考電容的哪個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調零階段充電到參考電壓，積分器輸入電壓現在是參考電壓。反積分階段持續 20001 個計數，或者直到比較器檢測到積分器輸出過零，以先發生者為準。返回零所需的時間與輸入信號成正比，與參考電壓成反比。數字部分對返回零所需的時鐘周期數進行計數，并將其鎖存為測量結果。顯示讀數公式為： [Displayed reading =10,000 × frac{V{IN}}{V{REF}}]

零積分階段

這是四個階段中的最后一個階段。積分器的同相輸入內部短接到模擬公共端，緩沖器輸入內部連接到比較器的輸出。這形成一個閉環，迫使積分器輸出為零。通常，此階段僅持續 100 到 200 個計數，足以消除由于比較器延遲和每個時鐘周期僅對比較器輸出采樣一次而產生的積分電容上的小殘留電荷。然而，如果在反積分階段結束時積分器輸出未返回零，則會出現過范圍情況，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 個計數，以確保在下一個測量周期開始之前積分電容完全放電。

關鍵組件選擇

為了在每個應用中實現最佳性能，必須仔細選擇模擬組件的值。影響組件值的因素包括讀數速率、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，應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出現，積分電阻值可計算為： [R_{INT }=frac{ full scale voltage }{20 mu A}]

積分電容

信號積分階段積分器的最大擺幅可計算為： [V swing =frac{I{INT} × T{INT}}{C{INT}}] 其中 (I{INT }=20 mu A)，(T{INT }=10000) 個時鐘周期（對于 120kHz 時鐘頻率為 83.3ms）。應在避免積分器輸出飽和的同時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 時才會飽和，但為了獲得最佳的積分線性度，積分器的輸出應至少遠離任一電源 1V。對于 ±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、翻轉和比率測量誤差。

自動調零電容

自動調零電容的大小將對整個系統的噪聲產生顯著影響，較大的自動調零電容會使系統更安靜。自動調零電容的介電吸收僅影響上電或過載恢復時的穩定速度，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調零電容，同時避免了沒有零積分階段的 A/D 轉換器中出現的“過范圍殘留”和滯后效應。

參考電容

與自動調零電容一樣，參考電容的介電吸收通常不是關鍵因素。只有在需要快速穩定時間的系統（如萬用表中的比率測量歐姆測量）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，因為它必須在信號積分和參考反積分階段浮動時存儲參考電壓。這兩個階段中的任何泄漏或電荷損失都會導致 ICL7135 的比例因子發生有效變化。在大多數應用中，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 (V{IN}=2 x V{REF}) 時，將出現 20000 的滿量程讀數。由于 ICL7135 的 20000 計數分辨率相當于 50ppm 分辨率，因此對于高精度絕對測量，建議使用高穩定性的參考源。

翻轉電阻和二極管

ICL7135 使用圖 1 中的電路進行翻轉測試，電路中包含 100kΩ 電阻和二極管。二極管不是關鍵元件，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、時鐘頻率以及參考電容上“電荷吸出”導致的翻轉誤差量。對于大多數電路，100kΩ 是最佳值，也是測試 ICL7135 時使用的值。

加速電阻

與積分電容串聯的 27Ω 加速電阻在積分電容電壓上增加一個基座電壓。這個基座電壓使過零提前發生，從而為比較器提供一個過驅動電壓，加快其響應速度并減少由于比較器延遲導致的轉換誤差。如果積分器電流發生變化，加速電阻值應相應改變，以使 (I{INT} x R{SPEEDUP} =500 mu V)。

時鐘頻率

時鐘源在轉換期間應無短期相位和頻率抖動，但長期穩定性不是關鍵因素。選擇時鐘頻率以獲得所需的轉換速率，并最大化對電源線頻率干擾的正常模式抑制。轉換速率與時鐘頻率成正比，每個轉換需要 40002 個時鐘周期。為了實現最大的正常模式抑制，信號積分周期應為電源線周期的整數倍。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 是信號積分期間發生的線周期數。為了實現最大的正常模式抑制，N 應為整數。

總結

ICL7135 以其高精度、高可靠性和易于接口的特點，在電子測量和數據采集領域具有廣泛的應用前景。通過深入了解其工作原理和關鍵組件的選擇，工程師可以更好地發揮 ICL7135 的性能，設計出更加精確和穩定的測量系統。在實際應用中，工程師需要根據具體的需求和條件，合理選擇組件值，以確保系統的最佳性能。你在使用 ICL7135 過程中遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗。