探索MAXIM ICL7129A/MAX7129：高精度4-1/2位單芯片A/D轉換器

在電子設計領域，高精度的模擬數字轉換一直是工程師們追求的目標。今天，我們就來深入了解一下MAXIM公司的ICL7129A/MAX7129，一款具備LCD驅動功能的4-1/2位單芯片A/D轉換器，看看它在實際應用中能為我們帶來哪些驚喜。

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產品概述

ICL7129A/MAX7129是一款高精度的單片4-1/2位A/D轉換器，能夠直接驅動多路復用液晶顯示器。它采用了獨特的“連續積分”技術，在2.00000V和200.00mV量程上都能實現±20,000計數分辨率。該轉換器具有高阻抗差分輸入、出色的差分線性度、真正的比例運算和自動極性等特點。要制作精密的數字電壓表（DVM）或數字面板表（DPM），僅需一個參考源作為外部有源組件。此外，它還具備過量程和欠量程輸出以及10:1量程切換輸入，方便設計自動量程系統。同時，它能檢測并標記低電量狀態，還可進行連續性檢查，并提供視覺指示和邏輯電平輸出，可用于產生聲音信號。

關鍵特性

1. 高分辨率：±19,999計數分辨率，能滿足高精度測量需求。
2. 低輸入偏置電流：MAX7129的最大輸入偏置電流僅為10pA，減少了測量誤差。
3. 低噪聲：ICL7129A的峰峰值噪聲低至3μV，大大提高了測量的準確性。
4. 集成LCD驅動：板載多路復用LCD顯示驅動器，可直接驅動4-1/2位、4個小數點和3個指示器，簡化了設計。
5. 功能豐富：具備即時連續性檢測器、低電量檢測器和指示器、過量程/欠量程輸出、精確的10:1量程選擇等功能。
6. ESD保護：顯著改善了靜電放電（ESD）保護性能，提高了產品的可靠性。
7. 低功耗設計：采用單片、低功耗CMOS設計，無需補償電容，降低了功耗和成本。

技術原理

轉換技術

ICL7129A/MAX7129與早期的積分型A/D轉換器有兩點不同。首先，它采用了一種稱為“連續積分”的雙斜率方法變體；其次，它使用數字自動調零，而不是需要外部自動調零電容的模擬自動調零環路。早期的轉換器在自動調零電容上存儲偏移校正電壓，雖然這種方法適用于100μV分辨率的A/D轉換器，但自動調零環路會導致早期積分型A/D轉換器的噪聲大幅增加，使其不適合10μV分辨率的系統。ICL7129A/MAX7129通過進行兩次5%位分辨率的轉換，消除了自動調零電容和與自動調零環路相關的噪聲。第一次轉換是將A/D連接到外部輸入（Input HI和Input LO）進行的；第二次轉換是將A/D輸入內部短路進行的。第二次轉換的結果與A/D的偏移成正比，將其從第一次讀數中數字相減，即可得到經過偏移校正的自動調零測量結果。

連續積分過程

該轉換器通過多次雙斜率轉換來增強雙斜率轉換技術，每次連續轉換的分辨率都是前一次的10倍。“連續積分”技術的關鍵在于每次轉換后對積分器電容上的殘余電壓進行乘法運算。ICL7129A/MAX7129首先進行3%位的雙斜率轉換，去積分周期在積分器輸出過零后的下一個正時鐘沿終止，此時積分器電容上會留下一小部分殘余電壓。與其他A/D轉換器不同的是，ICL7129A/MAX7129將這個殘余電壓乘以10，然后進行另一次雙斜率轉換。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現了4%位的分辨率。第二次去積分周期結束后留下的積分器電容殘余電壓再次乘以10，ICL7129A/MAX7129進行第三次去積分周期，此時達到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：

• 零輸入讀數和零讀數漂移：在200mV量程下，零輸入讀數為0000，零讀數漂移為±0.5讀數/°C。
• 比例讀數：當VIN = VREF = 1000mV，RANGE = 2V時，比例讀數在9998 - 10000讀數之間。
• 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。
• 翻轉誤差：當-VIN = +VIN = 199mV時，翻轉誤差小于1計數。
• 線性誤差：200mV量程下，線性誤差為0.5計數。
• 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%的時間內峰峰值噪聲不超過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，但在噪聲方面表現更優，在200mV量程下，95%的時間內峰峰值噪聲不超過3.0μV。

引腳配置與功能

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

• OSC1、OSC2、OSC3：用于時鐘振蕩，可選擇晶體或RC振蕩方式。
• ANNUNCIATOR DRIVE：用于驅動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，用于驅動液晶顯示器的各個段。
• BP1 - BP3：背板輸出，用于驅動液晶顯示器的背板。
• VDISP：顯示驅動器的負電源。
• DP4/OR、DP3/UR：具有雙重功能，既可以控制小數點的顯示，又可以作為過量程和欠量程輸出。
• LATCH/HOLD：控制數據的鎖存和保持，可用于控制顯示的更新。
• CONTINUITY：連續性檢測輸入和輸出，用于檢測輸入之間的電壓是否小于200mV。

應用領域

ICL7129A/MAX7129可廣泛應用于各種精密數字電壓表、萬用表和面板表等領域，主要用于模擬數據的測量和顯示，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。緩沖器的靜態電流為70μA，在輸出電流為13μA時具有良好的線性度。在滿量程輸入電壓下，緩沖器的最大輸出電流出現，此時積分電阻的最佳值可通過公式 (R{INT}=frac{full scale voltage}{13 mu A}) 計算，例如在2V滿量程時，(R{INT}=frac{2V}{13 mu A}=150 kOmega)。積分電阻值過高會增加對噪聲的敏感度，導致雜散泄漏電流引起的誤差增加；值過低則會因試圖從緩沖器和積分器中吸取過多電流而降低積分線性度。

積分電容

積分器在信號積分階段的最大擺幅可通過公式 (V{swing}=frac{I{INT} × T{INT}}{C{INT}}) 計算，其中 (I{INT}=13 mu A)（當積分電阻按上述方法選擇時），(T{INT}=1000) 個時鐘周期（對于120kHz的振蕩器頻率，為16.7ms）。為了避免積分器輸出飽和，同時使積分器擺幅范圍最大化，積分器的輸出應至少與任一電源保持1V的距離。由于Common大約比V?低3V，積分器擺幅應為2V。將這些值代入公式，可計算出積分電容 (C_{INT}=frac{13.3 mu A × 16.7 ms}{2 V}=0.1 mu F)。積分電容值過低會使積分器擺幅過大，導致積分器飽和并引起積分線性誤差；值過高則會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，積分電容應具有低介電吸收特性，以獲得低積分非線性、翻轉和比例誤差。聚丙烯電容和特氟龍電容是比較合適的選擇，在不太關鍵的應用中，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鍵因素，只有在需要快速穩定時間的系統中，如數字萬用表的比例歐姆測量中，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，因為它在積分和去積分階段都要存儲參考電壓。在這些階段，任何泄漏或電荷損失都會導致ICL7129A/MAX7129的比例因子發生變化。對于大多數應用，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導致“電荷吸出”效應，從而對參考電容的值設置下限。在大多數應用中，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）。在積分階段結束時，比較器確定積分器輸出的極性，數字部分關閉模擬開關，使參考電容連接到Common和緩沖器輸入，其極性應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信號時，積分器輸出為正，ICL7129A/MAX7129數字部分會在去積分階段將 (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渡到去積分階段時，(C_{REF}) 端子的電壓不會改變。然而，如果積分階段的輸入電壓為正，ICL7129A/MAX7129數字部分會將Ref (Cap ^{+}) 端子連接到Common。在這種情況下，參考電容的兩個端子都會向負方向移動1V。參考電容端子上的任何雜散電容在其1V移動過程中也必須充電，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“翻轉誤差”，通過使用1μF或更大的參考電容值，可以將其降低到小于1計數。

晶體振蕩器組件

ICL7129A/MAX7129的晶體振蕩器設計用于與音叉型晶體配合使用，如Statek CX - 1V系列。兩個電容不是關鍵組件，可以使用低成本的盤式陶瓷電容。晶體頻率應為120kHz以抑制60Hz的正常模式信號，或100kHz以抑制50Hz的正常模式信號。在200mV量程下，使用這些晶體頻率時，積分將是60/50Hz信號的10個周期；在2V量程下，是1個周期。在2V量程上，沒有單一的振蕩器頻率能同時對50Hz和60Hz實現良好的正常模式抑制，但100kHz的振蕩器頻率在200mV量程上可以同時抑制50Hz和60Hz。

實際應用注意事項

電源供應

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雜電源的大型系統中。在使用9V電池供電時，可參考數據手冊首頁的典型工作電路。對于使用+5V和 - 5V電源的系統，需要注意測量是相對于地進行的。COMMON不連接到INPUT LO，僅用作外部電壓參考的預調節器。ICL7129A/MAX7129的數字地（DGND，引腳36）不直接連接到電源地，其數字輸入具有到DGND的保護二極管，不應驅動到低于DGND的任何電壓。為了解決這個問題，可以在ICL7129A/MAX7129的DGND端子和±5V系統的數字地之間放置一個100Ω電阻，如果DGND端子的電壓比±5V系統的數字地更正，則該電阻會將其下拉，防止輸入保護二極管正向偏置。如果DGND電壓比系統數字地更負，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用中，也可以使用單極性電源為ICL7129A/MAX7129供電，但測量必須相對于COMMON或ICL7129A/MAX7129輸入共模范圍內的其他電壓進行。

電壓參考

Common輸出的典型溫度系數為±80ppm/°C，由于ICL7129A/MAX7129的分辨率為20,000分之一，即50ppm，因此除非環境溫度保持恒定，否則需要一個精密的外部參考。數據手冊首頁的典型工作電路圖示中，使用了一個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調節器。ICL7129A/MAX7129在2V和200mV滿量程操作時，參考電壓約為1.000V。要調整參考電壓，可以先施加一個精確的1000.05mV輸入電壓，然后調整參考電壓，直到顯示讀數在10000和10001之間均勻交替。

指示器驅動

Annunciator Drive輸出是一個背板頻率的方波，其電壓從V?到VDISP擺動。任何連接到Annunciator Drive的段都會被打開，而不管哪個背板驅動該段。可以使用外部邏輯電平來控制指示器段，具體方法可參考相關電路圖示。

顯示電壓補償

在大多數應用中，將VDISP（引腳19）連接到DGND（引腳36）即可獲得足夠的顯示效果。但在預期溫度范圍較寬的應用中，一些多路復用液晶顯示器的電壓驅動水平可能需要隨溫度變化，以保持良好的顯示對比度和視角。溫度補償的程度取決于所使用的液晶類型，顯示器制造商通常會指定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閾值溫度系數為 - 4mV/°C，對應于VDISP引腳的溫度系數為 + 12mV/°C。可以使用兩個電路來調整VDISP引腳的溫度補償，使其達到約 + 12mV/°C。DGND和VDISP之間的二極管應具有低導通電壓，以確保VDISP相對于DGND不會被驅動到負300mV以上。

輸入保護

ICL7129A/MAX7129的輸入引腳內置了保護二極管，可保護其免受高達2000V的靜電放電（ESD）（符合Mil Standard 883，Method 3015.1測試電路）。這些二極管還可保護ICL7129A/MAX7129在萬用表電路中免受過大的輸入電壓過載，但前提是流入這些二極管的電流應限制在小于1mA。因此，如果輸入電流限制電阻為1MΩ，ICL7129A/MAX7129在高達1000V的輸入電壓下將得到充分保護。

MAXIM ICL7129A/MAX7129以其高精度、豐富的功能和良好的性能，為電子工程師在設計精密測量儀器時提供了一個優秀的選擇。在實際應用中，合理選擇組件和注意相關的應用事項，能夠充分發揮其優勢，實現準確可靠的測量和顯示。你在使用類似的A/D轉換器時，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗。