深入剖析ICL7135：4 1/2 位BCD输出A/D转换器的卓越性能与应用

在电子工程师的设计世界里，A/D转换器是连接模拟信号与数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨Intersil公司的ICL7135这款4 1/2位BCD输出A/D转换器，它以其高精度、多功能和经济性在DVM/DPM市场中占据重要地位。

文件下载：ICL7135CPI.pdf

1. 产品概述

ICL7135结合了双斜率转换的可靠性，具备±1 in 20,000的计数精度，适用于可视化显示的数字电压表（DVM）和数字面板表（DPM）。它拥有2.0000V的满量程能力、自动调零和自动极性功能，同时具备真正的比例运算、近乎理想的差分线性度和真正的差分输入。除了显示驱动器、参考电压源和时钟外，所有必要的有源器件都集成在单个CMOS芯片上。

1.1 订购信息

PART NUMBER	PART MARKING	TEMP. RANGE (°C)	PACKAGE	PKG. DWG. #
ICL7135CPI	ICL7135CPI	0 to +70	28 Ld PDIP	E28.6
ICL7135CPIZ (Note 1)	ICL7135CPIZ	0 to +70	28 Ld PDIP (Pb-free) (Note 2)	E28.6

需要注意的是，Intersil的无铅加退火产品采用特殊的无铅材料，符合RoHS标准，并且适用于SnPb和无铅焊接操作。无铅PDIP仅适用于通孔波峰焊工艺，不适用于回流焊工艺。

1.2 产品特性

• 高精度：在整个±20000计数范围内（2.0000V满量程），精度保证在±1计数。
• 零输入读数保证：0V输入时保证零读数。
• 低输入泄漏电流：典型输入泄漏电流为1pA。
• 真正的差分输入：具备良好的共模抑制比（CMRR）。
• 精确的极性检测：零计数时具有真正的极性，可实现精确的零检测。
• 单参考电压：仅需一个参考电压。
• 过量程和欠量程信号：具备自动量程能力。
• TTL兼容输出：所有输出与TTL电平兼容。
• 闪烁输出：过量程时闪烁输出，提供可视化指示。
• 辅助输入/输出：六个辅助输入/输出可用于与UART、微处理器或其他电路接口。
• 多路复用BCD输出：方便数据传输。
• 无铅加退火版本：符合RoHS标准。

2. 电气特性

2.1 绝对最大额定值

项目	额定值
电源电压V+	+6V
电源电压V-	-9V
模拟输入电压（任一输入）	V+ to V-
参考输入电压（任一输入）	V+ to V-
时钟输入电压	GND to V+
工作温度范围	0°C to +70°C

2.2 热信息

项目	数值
热阻（典型值）	55°C/W（PDIP封装）
最大结温	+150°C
最大存储温度范围	-65°C to +150°C
最大引脚温度（焊接10s）	+300°C

2.3 电气规格

在V+ = +5V，V- = -5V，TA = +25°C，CLK设置为3读数/秒的条件下，ICL7135的各项电气参数表现出色。例如，零输入读数在0V输入时为±00000计数，比例误差在±3计数以内，线性度在满量程范围内误差小于±0.5 LSB等。

3. 详细工作原理

3.1 模拟部分

每个测量周期分为四个阶段：自动调零（AZ）、信号积分（INT）、去积分（DE）和零积分（ZI）。

• 自动调零阶段：输入高低端与引脚断开并内部短接到模拟公共端，参考电容充电到参考电压，反馈回路闭合以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压。
• 信号积分阶段：自动调零回路打开，内部输入高低端连接到外部引脚，转换器对IN HI和IN LO之间的差分电压进行固定时间的积分。
• 去积分阶段：输入低端内部连接到模拟公共端，输入高端连接到之前充电的参考电容，积分器输出返回零的时间与输入信号成正比。
• 零积分阶段：输入低端短接到模拟公共端，反馈回路闭合使积分器输出返回零。

3.2 数字部分

ICL7135包含多个引脚，方便在更复杂的系统中使用。

• Run/HOLD（引脚25）：高电平（或开路）时，A/D转换器自由运行；低电平时，完成当前测量周期后保持读数，短正脉冲可启动新的测量周期。
• STROBE（引脚26）：负向输出脉冲，用于将BCD数据传输到外部锁存器、UART或微处理器。
• BUSY（引脚21）：信号积分开始时变高，直到过零后的第一个时钟脉冲或过量程时测量结束。
• OVERRANGE（引脚27）：输入信号超过转换器范围时引脚变正。
• UNDERRANGE（引脚28）：读数为量程的9%或更小时引脚变正。
• POLARITY（引脚23）：正输入信号时引脚为正，可用于零检测。
• Digit Drives（引脚12、17、18、19和20）：每个数字驱动是一个持续200个时钟脉冲的正向信号，扫描顺序为D5（MSD）、D4、D3、D2、D1（LSD）。
• BCD（引脚13、14、15和16）：二进制编码的十进制位B8、B4、B2和B1与数字驱动信号同时开启。

4. 组件值选择

为了实现模拟部分的最佳性能，需要仔细选择积分电容和电阻、自动调零电容、参考电压和转换率等组件值。

• 积分电阻：由满量程输入电压和用于充电积分电容的缓冲器输出电流决定，计算公式为 (R_{INT}=frac{full scale voltage}{20 mu A})。
• 积分电容：积分电阻和电容的乘积应选择为提供最大电压摆幅，以确保积分器不会饱和，计算公式为 (C_{INT}=frac{(10,000)(clock period)(20 mu A)}{integrator output voltage swing})。
• 自动调零和参考电容：自动调零电容的物理尺寸会影响系统噪声，参考电容应足够大以忽略其节点到地的杂散电容。
• 参考电压：模拟输入产生满量程输出所需的电压为 (V{IN}=2V{REF})，参考电压的稳定性对转换器的整体绝对精度至关重要。
• 翻转电阻和二极管：可用于校正ICL7135中的小翻转误差。

5. 时钟频率

5.1 最大时钟频率

大多数双斜率A/D转换器的最大转换率受比较器频率响应的限制。ICL7135在160kHz时钟频率下，比较器延迟会导致读数变化。对于输入信号始终为单极性的应用，时钟频率可提高到约1MHz。通过在积分电容串联一个低值电阻，可以补偿比较器延迟，将最大时钟频率提高约3倍。

5.2 最小时钟频率

最小时钟频率由自动调零和参考电容的泄漏决定，大多数设备在长达10s的测量周期内不会出现可测量的泄漏误差。

5.3 60/50Hz抑制

为了实现对60Hz或50Hz拾取的最大抑制，信号积分周期应是60Hz或50Hz的倍数，可选择合适的振荡器频率。

6. 典型应用

6.1 LED显示应用

使用ICL8069作为1.2V温度补偿电压参考，可实现4 1/2位（±2.000V）满量程的A/D转换器，带有LED读数显示。

6.2 等离子显示应用

通过Dionics的高压阳极驱动缓冲器和相关电路，可驱动等离子类型的显示。

6.3 LCD显示应用

使用ICM7211A等显示驱动器，可将ICL7135的输出与LCD显示接口。

6.4 与UART和微处理器接口

ICL7135可以与UART和微处理器方便地接口，实现数据传输和控制。

7. 总结

ICL7135以其高精度、多功能和经济性，成为电子工程师在设计数字电压表和数字面板表等应用中的理想选择。通过深入了解其工作原理、组件值选择和应用电路，工程师可以充分发挥其性能优势，设计出高质量的电子系统。在实际应用中，还需要注意避免接地环路、选择合适的时钟源等问题，以确保系统的稳定性和准确性。你在使用ICL7135的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。