深入解析MAX133/134：3¾ 位数字万用表电路的卓越之选

在电子测量领域，3¾ 位数字万用表是一种常见且实用的工具。而 MAX133/134 作为用于此类万用表及数据采集系统的集成 A/D 转换器，以其出色的性能和丰富的功能，受到了广大电子工程师的青睐。下面，我们就来深入了解一下 MAX133/134 的特点、工作原理及应用。

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一、器件概述

1. 基本特性

MAX133 和 MAX134 主要用于 3¾ 位数字万用表、数据记录器和称重秤等数据采集系统。它们具有 ±40,000 计数的内部分辨率，转换时间为 50ms，每秒可进行 20 次转换，能实现 0.025% 的高精度测量。此外，还具备低功耗（典型工作电流 100μA）、微处理器接口等特点，可与 4、8 和 16 位微处理器配合使用。

2. 差异对比

MAX133 和 MAX134 的主要区别在于微处理器接口。MAX133 采用 4 位复用地址/数据总线，而 MAX134 则有 3 条独立地址线和 4 位双向数据总线。

二、关键性能指标

1. 绝对最大额定值

包括电源电压、模拟输入电压、参考输入电压、数字输入、功耗、存储温度和引脚焊接温度等方面的限制。例如，电源电压 (V^{+}) 到 (V^{-}) 最大为 +15V，存储温度范围为 -65°C 到 +160°C。

2. 电气特性

涵盖模拟性能（如零输入读数、积分线性度、CMRR 等）、交流时序和电源及数字部分（如数字地电压、模拟公共电压等）。以零输入读数为例，在读取零模式下，直流电压零输入偏移读数将在微处理器中进行数字校正。

三、系统设计与工作原理

1. 与微处理器的协作

MAX133/134 旨在与微处理器配合使用，它包含 A/D 及辅助电路，但不具备显示驱动能力。微处理器负责控制量程切换、零读数校正、范围/功能选择、读数显示等功能，而 MAX133/134 则执行具体的转换操作。

2. 主要模块

• A/D 部分：采用“残差乘法”转换方案，每 50 毫秒提供一次完整的 ±40,000 计数分辨率读数。微处理器需定期指令其进行零读数转换，以消除内部偏移。
• 输入范围切换：在不同电压测量范围下，通过选择合适的分流电阻将输入电压衰减至 400mV 范围。同时，为避免高频信号耦合误差，400mV 和电流输入在未选中时会连接到公共端。
• 欧姆和二极管测量：输入衰减电阻在欧姆模式下用作参考电阻，通过特定公式计算数字输出代码。在二极管测试范围，可通过连接 PTC 实现。
• 有源滤波器：2 极有源滤波器可提高共模抑制比，但会限制响应速度。在自动量程切换时，可考虑断开输入滤波器。
• 振荡器和蜂鸣器驱动：使用 32768Hz 音叉晶体，时钟信号用于序列和测量计数器，还可驱动蜂鸣器，频率由微处理器控制。
• 电源及相关电路：可由 9V 电池或 +5V 电源供电，模拟公共电压由齐纳二极管产生，数字地电压由内部电路生成，同时具备低电池检测功能。

3. 数字接口

MAX133 和 MAX134 的数字接口有所不同。MAX134 通过 4 位双向总线、3 条地址线和 2 条控制信号与微处理器通信；MAX133 则使用 7 条线，通过复用地址/数据总线和地址锁存使能线进行操作。

四、应用注意事项

1. 元件选择

• 积分电阻：在 X2 模式下，两个 (INT) 电阻需精确相等，以实现准确的乘以 2 操作。
• 积分电容：正常取值为 4.7nF，建议使用高质量聚丙烯电容，以减少介电吸收对积分线性度的影响。
• 有源滤波器元件：滤波器电阻值在 1M 到 3M 之间较为合适，电容建议使用聚丙烯电容，以减少介电吸收引起的误差。
• 晶体和振荡器电容：使用高 Q 值、低功耗的 32,768Hz 晶体，振荡器电容典型值为 10pF，需根据实际情况调整。
• 衰减网络：衰减网络电阻的电压系数和温度系数应尽可能低，以保证测量精度。
• 输入衰减补偿电容：其值应尽可能低，避免高频率、高电压信号导致转换误差。
• 正温度系数电阻（PTC）：在欧姆模式下，PTC 电阻值不宜过高，否则会降低系统性能。

2. A/D 转换方法和时序

MAX133/134 使用“残差乘法”技术，在 1638 个时钟周期内完成 ±40,000 计数转换。转换过程包括积分阶段、第一次反积分阶段、X10 阶段、第二次反积分阶段和第三次反积分阶段，各阶段由二进制序列计数器控制，结果计数器累加反积分阶段的计数。

3. 睡眠和保持模式

• 保持模式：在下一次转换结束时停止内部序列计数器，但不关闭振荡器和模拟电路，可用于加速自动量程切换。
• 睡眠模式：关闭除 DGND 电源和振荡器外的所有模拟电路，降低功耗。但从睡眠模式恢复后，前几次转换结果可能无效。

4. 输入保护和外部 AC - DC 转换器

• 输入保护：在欧姆测量中使用 PTC 热敏电阻，电压范围通过 10M 输入电阻自动保护，电流范围需使用保险丝或断路器。
• 外部 AC - DC 转换器：可使用典型的半波外部 AC - DC 转换器，也可连接真正的 RMS 到 DC 转换器。

5. 印刷电路板布局

需注意减少积分电容和缓冲输出的杂散电容，将 (CINT) 靠近积分器输入引脚，最小化连接电阻对测量的影响。

五、软件相关

1. 自动量程切换

可通过检测最显著的两位数字是否大于 45 来判断是否超量程，在连续运行或保持模式下进行量程切换。

2. 减少转换噪声

通过平均读数可降低噪声，在数据采集系统中使用全分辨率时，平均 N 次读数可将噪声降低 N 倍。

3. BCD 到二进制转换

可采用标准算法，从最高有效位开始读取转换结果，将其放入多字节累加器并乘以 10，再加上下一位数字的结果，重复操作直至所有 5 位数字处理完毕。

六、特殊应用场景

1. 数据采集系统

可将输入衰减器输入用作多路复用器，调整 MAX133/134 的满量程范围以匹配输入信号电压跨度，实现单极性操作和比例测量。

2. 不同时钟频率操作

时钟频率低于 32kHz 可改善噪声性能，但会降低读数速率；高于 50kHz 可能导致差分非线性误差。使用非 32,768Hz 时钟频率时，需调整积分电容值。

3. 扩展灵敏度

通过改变 (R{INT1}) 和 (R{INT2}) 的比例，可将 X2 模式的灵敏度提高 10 倍，实现 40mV 满量程范围的 1μV 分辨率。

4. 禁用有源滤波器

在数据采集系统信号源阻抗较低时，可降低滤波器电阻值；若需要快速稳定，可禁用滤波器。

总之，MAX133/134 凭借其出色的性能和灵活的设计，为电子工程师在数字万用表和数据采集系统设计中提供了强大的支持。在实际应用中，工程师需根据具体需求合理选择元件、优化布局和编写软件，以充分发挥其优势。你在使用 MAX133/134 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享。