深入剖析ICL7135：4 1/2 位 A/D 转换器的卓越性能与应用

引言

在电子测量与数据采集领域，A/D 转换器扮演着至关重要的角色。Maxim 的 ICL7135 作为一款高精度的 4 1/2 位 A/D 转换器，凭借其出色的性能和广泛的应用场景，成为众多工程师的首选。本文将深入探讨 ICL7135 的特性、工作原理、应用以及关键组件的选择，帮助工程师更好地理解和应用这款优秀的转换器。

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ICL7135 概述

ICL7135 是一款高精度的单片 4 1/2 位 A/D 转换器，它结合了双斜率转换的可靠性、±1/20000 的计数精度以及 2.0000V 的满量程能力。其特点包括高阻抗差分输入、近乎理想的差分线性度、真正的比率测量操作、自动调零和自动极性功能。多路复用 BCD 输出和数字驱动器使其能够轻松与外部显示驱动器（如 Maxim ICM7211A）接口，只需一个参考源和一个时钟，就能构建精确的数字电压表（DVM）或数字面板表（DPM）。对于更复杂的系统，其 BCD 输出还通过 STROBE、OVERRANGE、UNDERRANGE、RUN/HOLD 和 BUSY 线增强，便于与微处理器和 UART 接口，使其成为基于微处理器的数据采集和控制系统的理想选择。

主要特性

• 高精度与高分辨率：±20000 计数分辨率，保证 ±1 计数精度，能够提供精确的测量结果。
• 自动量程功能：具备过范围和欠范围信号，实现自动量程切换，适应不同的测量需求。
• 易于接口：与 UART 和微处理器轻松接口，TTL 兼容的多路复用 BCD 输出，方便与外部设备连接。
• 低噪声与高可靠性：自动调零精度优于 10µV，零漂移为 0.5µV/°C，输入偏置电流最大为 10pA，翻转误差小于 1 计数，保证了测量的稳定性和可靠性。
• 静电放电保护：所有引脚设计能够承受超过 2000V 的静电放电（ESD）水平，增强了设备的抗干扰能力。

应用领域

ICL7135 广泛应用于涉及模拟数据处理和显示的各种测量应用，如压力、电压、电阻、温度、重量、电流、速度和材料厚度等测量。

工作原理

ICL7135 分为模拟部分和数字部分。数字部分包括计数器、输入和输出接口以及控制逻辑，控制每个测量周期的时序。每个测量分为四个阶段：自动调零（AZ）、信号积分（INT）、参考反积分（DE）和零积分（ZI）。

自动调零阶段

在此阶段，输入 HI 和 LO 与输入引脚断开，并内部短接到模拟公共端。比较器的输出连接到积分器的反相输入，同时积分器的同相输入连接到缓冲器的输入。这个反馈回路对自动调零电容 (C_{AZ}) 充电，以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。同时，参考电容连接到电压参考源并充电到参考电压。自动调零周期至少为 9800 个时钟周期，除非出现过范围读数。过范围后，扩展的零积分阶段将自动调零阶段减少到 3800 个时钟周期。

信号积分阶段

自动调零阶段结束后，自动调零回路打开，输入高和低切换到外部引脚 IN - HI 和 IN - LO。模拟部分对输入高和低之间的差分电压进行积分。差分电压必须在 ICL7135 的共模范围内。信号积分结束时，积分电容上的电压与输入高和低之间的差分电压成正比，也与信号积分阶段的长度成正比。信号积分阶段精确持续 10000 个时钟周期。此阶段结束时确定输入信号的极性。

反积分阶段

信号积分结束后，输入高和低与外部引脚断开。积分器的同相输入引脚内部连接到模拟公共端，缓冲器输入连接到参考电容的一侧。参考电容的另一侧连接到模拟公共端。积分器输出的极性（由比较器在信号积分阶段结束时检测）决定参考电容的哪个端子连接到缓冲器输入。选择参考电容的极性，使积分器输出始终向模拟公共端返回。由于参考电容在自动调零阶段充电到参考电压，积分器输入电压现在是参考电压。反积分阶段持续 20001 个计数，或者直到比较器检测到积分器输出过零，以先发生者为准。返回零所需的时间与输入信号成正比，与参考电压成反比。数字部分对返回零所需的时钟周期数进行计数，并将其锁存为测量结果。显示读数公式为： [Displayed reading =10,000 × frac{V{IN}}{V{REF}}]

零积分阶段

这是四个阶段中的最后一个阶段。积分器的同相输入内部短接到模拟公共端，缓冲器输入内部连接到比较器的输出。这形成一个闭环，迫使积分器输出为零。通常，此阶段仅持续 100 到 200 个计数，足以消除由于比较器延迟和每个时钟周期仅对比较器输出采样一次而产生的积分电容上的小残留电荷。然而，如果在反积分阶段结束时积分器输出未返回零，则会出现过范围情况，并可能在积分电容上留下残留电压。在这种情况下，零积分阶段增加到 6200 个计数，以确保在下一个测量周期开始之前积分电容完全放电。

关键组件选择

为了在每个应用中实现最佳性能，必须仔细选择模拟组件的值。影响组件值的因素包括读数速率、输入共模电压、满量程和参考电压以及电源电压。

积分电阻

选择积分电阻值时，应使缓冲器的最大输出电流在 5 到 40µA 之间，以获得良好的线性度。缓冲器的静态电流为 100µA，能够以出色的线性度提供 20µA 的输出电流。缓冲器的最大输出电流在满量程输入电压时出现，积分电阻值可计算为： [R_{INT }=frac{ full scale voltage }{20 mu A}]

积分电容

信号积分阶段积分器的最大摆幅可计算为： [V swing =frac{I{INT} × T{INT}}{C{INT}}] 其中 (I{INT }=20 mu A)，(T{INT }=10000) 个时钟周期（对于 120kHz 时钟频率为 83.3ms）。应在避免积分器输出饱和的同时最大化积分器的摆幅范围。通常，积分器输出在接近任一电源 0.3V 时才会饱和，但为了获得最佳的积分线性度，积分器的输出应至少远离任一电源 1V。对于 ±5V 电源且模拟公共端和 IN LO 接地，±3.5V 到 ±4V 的摆幅范围是最佳的。重新排列上述公式并插入值，(C{INT}) 可计算为： [C_{INT }=frac{20 mu A × 83.3 ms}{3.5 V} × 0.47 mu F] 如果模拟公共端或 IN LO 未接地，或者电源电压小于 ±5V，则必须减小积分器的摆幅。积分电容必须具有低介电吸收，以获得低积分非线性、翻转和比率测量误差。

自动调零电容

自动调零电容的大小将对整个系统的噪声产生显著影响，较大的自动调零电容会使系统更安静。自动调零电容的介电吸收仅影响上电或过载恢复时的稳定速度，几乎可以使用任何类型的电容。ICL7135 的零积分阶段允许使用大的自动调零电容，同时避免了没有零积分阶段的 A/D 转换器中出现的“过范围残留”和滞后效应。

参考电容

与自动调零电容一样，参考电容的介电吸收通常不是关键因素。只有在需要快速稳定时间的系统（如万用表中的比率测量欧姆测量）中，才需要低介电吸收的参考电容。参考电容需要是低泄漏电容，因为它必须在信号积分和参考反积分阶段浮动时存储参考电压。这两个阶段中的任何泄漏或电荷损失都会导致 ICL7135 的比例因子发生有效变化。在大多数应用中，低成本的薄膜电容（如聚酯或聚苯乙烯）是合适的。

参考电压

当 (V{IN}=2 x V{REF}) 时，将出现 20000 的满量程读数。由于 ICL7135 的 20000 计数分辨率相当于 50ppm 分辨率，因此对于高精度绝对测量，建议使用高稳定性的参考源。

翻转电阻和二极管

ICL7135 使用图 1 中的电路进行翻转测试，电路中包含 100kΩ 电阻和二极管。二极管不是关键元件，通常是低成本的 1N4148。电阻值取决于许多因素，包括积分器摆幅、时钟频率以及参考电容上“电荷吸出”导致的翻转误差量。对于大多数电路，100kΩ 是最佳值，也是测试 ICL7135 时使用的值。

加速电阻

与积分电容串联的 27Ω 加速电阻在积分电容电压上增加一个基座电压。这个基座电压使过零提前发生，从而为比较器提供一个过驱动电压，加快其响应速度并减少由于比较器延迟导致的转换误差。如果积分器电流发生变化，加速电阻值应相应改变，以使 (I{INT} x R{SPEEDUP} =500 mu V)。

时钟频率

时钟源在转换期间应无短期相位和频率抖动，但长期稳定性不是关键因素。选择时钟频率以获得所需的转换速率，并最大化对电源线频率干扰的正常模式抑制。转换速率与时钟频率成正比，每个转换需要 40002 个时钟周期。为了实现最大的正常模式抑制，信号积分周期应为电源线周期的整数倍。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}) 是线频率，通常为 50Hz 或 60Hz，N 是信号积分期间发生的线周期数。为了实现最大的正常模式抑制，N 应为整数。

总结

ICL7135 以其高精度、高可靠性和易于接口的特点，在电子测量和数据采集领域具有广泛的应用前景。通过深入了解其工作原理和关键组件的选择，工程师可以更好地发挥 ICL7135 的性能，设计出更加精确和稳定的测量系统。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求和条件，合理选择组件值，以确保系统的最佳性能。你在使用 ICL7135 过程中遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。