ICL7135C 和 TLC7135C：4 1/2 位高精度模数转换器的深度解析

在电子设计领域，高精度的模数转换器（ADC）是实现模拟信号数字化的关键组件。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（Texas Instruments）生产的 ICL7135C 和 TLC7135C 这两款 4 1/2 位高精度模数转换器。

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一、关键特性

高精度与低误差

• 分辨率与线性度：这两款转换器具备 50 ppm（即 1/20000）的分辨率，最大线性误差仅为 1 个计数，零误差小于 10 μV，零漂移小于 0.5 μV/°C，能够实现高精度的模拟到数字转换。
• 低输入电流：输入电流典型值为 1 pA，低输入电流有效降低了源阻抗误差，提高了测量的准确性。
• 低翻转误差：最大翻转误差限制在±1 个计数，确保了转换结果的稳定性。

丰富的接口与控制功能

• 多路 BCD 输出：提供多路二进制编码十进制（BCD）输出，方便与 LED 或 LCD 解码器/驱动器以及微处理器等设备进行接口连接。
• 控制信号支持：BUSY、STROBE、RUN/HOLD、OVER RANGE 和 UNDER RANGE 等控制信号，可支持基于微处理器的测量系统，还能通过通用异步收发器（UART）实现远程数据采集。

其他特性

• 真差分输入：采用真差分输入方式，能够有效抑制共模干扰。
• 自动量程功能：具备自动量程能力，通过过范围和欠范围信号实现量程的自动调整。
• TTL 兼容输出：输出信号与 TTL 电平兼容，方便与其他数字电路集成。

二、电气与工作特性

绝对最大额定值

在使用这两款转换器时，需要注意其绝对最大额定值，例如电源电压（VCC+ 相对于 VCC -）最大为 15 V，模拟输入电压范围为 VCC - 到 VCC + 等。超出这些额定值可能会对器件造成永久性损坏。

推荐工作条件

推荐的工作条件包括电源电压、参考电压、时钟频率等。例如，电源电压 VCC + 推荐范围为 4 - 6 V，VCC - 为 -3 到 -8 V，参考电压 Vref 为 1 V 等。合理设置这些参数能够确保转换器在最佳状态下工作。

电气特性

在特定的测试条件下（如 (V{CC}+ = 5V)，(V{CC}- = 5V)，(V{ref} = 1V)，(f{clock} = 120kHz)，(T_{A} = 25^{circ}C)），转换器表现出一系列电气特性，如高电平输出电压、低电平输出电压、输出噪声电压、输入电流等。这些特性是评估转换器性能的重要指标。

工作特性

转换器的工作特性包括满量程温度系数、线性误差、差分线性误差、翻转误差等。例如，满量程温度系数在 0 - 70°C 范围内最大为 5 ppm/°C，线性误差在 -2 V 到 2 V 的输入电压范围内典型值为 0.5 个计数。

三、工作原理

ICL7135C 和 TLC7135C 的测量周期由四个阶段组成：

自动调零阶段

内部 IN + 和 IN - 输入与外部端子断开，内部连接到模拟公共端（ANLG COMMON），参考电容充电至参考电压，自动调零电容充电以补偿缓冲放大器、积分器和比较器的失调电压，使输入的整体失调小于 10 μV。

信号积分阶段

自动调零环路打开，内部 IN + 和 IN - 输入连接到外部端子，对输入的差分电压进行固定时间的积分，同时记录输入信号的极性。

反积分阶段

使用参考电压进行反积分，内部 IN - 连接到 ANLG COMMON，IN + 连接到已充电的参考电容，积分器输出极性回到零的时间与输入信号的幅度成正比，该时间通过数字显示表示。

零积分阶段

内部 IN - 连接到 ANLG COMMON，系统配置为闭环，使积分器输出回到零。通常需要 100 - 200 个时钟脉冲，过范围转换后需要 6200 个脉冲。

四、模拟与数字电路描述

模拟电路

• 输入信号范围：输入放大器的共模范围从负电源上方 1 V 到正电源下方 1 V，在此范围内共模抑制比（CMRR）典型值为 86 dB。
• 模拟公共端：在自动调零、反积分和零积分阶段，模拟公共端（ANLG COMMON）与内部 IN - 连接。合理设置 IN - 的电压并将模拟公共端与之连接，可以去除共模电压，提高转换精度。
• 参考电压：参考电压相对于模拟公共端为正，转换结果的准确性依赖于参考电压的质量，因此高精度转换需要使用高质量的参考源。

数字电路

• RUN/HOLD 输入：当该输入为高电平或开路时，器件连续进行测量周期；为低电平时，完成当前测量周期后保持转换读数，直到再次触发新的测量周期。
• STROBE 输入：负脉冲将 BCD 转换数据传输到外部锁存器、UART 或微处理器，通过合理设置 STROBE 脉冲的位置，确保正确的数据锁存。
• BUSY 输出：在信号积分阶段开始时变为高电平，直到过零后的第一个时钟脉冲或过范围条件下测量周期结束时变为低电平，可用于串行传输转换结果。
• OVER - RANGE 输出：过范围条件下，在测量周期结束且 BUSY 信号变低后变为高电平，下一个测量周期的反积分阶段开始时变为低电平。
• UNDER - RANGE 输出：当转换结果小于或等于满量程范围的 9%（计数为 1800）时，在 BUSY 信号结束时变为高电平，下一个测量周期的信号积分阶段开始时变为低电平。
• POLARITY 输出：正输入信号时为高电平，在每个反积分阶段开始时更新，对所有输入包括 ±0 和过范围信号都有效。
• Digit - Drive 输出：每个数字驱动输出（D1 - D5）依次高电平 200 个时钟脉冲，过范围时所有数字驱动输出在选通序列结束到反积分阶段开始期间被消隐。
• BCD 输出：给定数字的 BCD 位（B1、B2、B4 和 B8）依次激活，同时相应的数字驱动线也被激活。

五、系统设计考虑

元件选择

• 积分电阻：积分电阻 (R_{INT}) 的值由满量程输入电压和积分放大器的输出电流决定，推荐的积分放大器电流为 20 μA。
• 积分电容：积分电阻和电容的乘积应选择合适，以避免积分放大器输出饱和，推荐的电容值为 0.47 μF。同时，应选择低介电吸收的电容，如聚丙烯电容。
• 自动调零和参考电容：大电容有助于降低系统噪声，典型值为 1 μF。
• 参考电压：高精度绝对测量需要使用高质量的参考源。
• 翻转电阻和二极管：可用于校正翻转误差，推荐的电阻值为 100 kΩ，在非关键应用中可能不需要。

时钟频率

• 最大时钟频率：对于大多数双斜率 A/D 转换器，最大转换速率受比较器频率响应的限制。在该电路中，时钟频率超过 160 kHz 可能会导致仪器在噪声峰值时闪烁。对于单极性输入信号，时钟频率可达 1 MHz；对于双极性信号，可通过串联一个 10 - 50 Ω 的电阻来补偿比较器延迟，使时钟频率可达 480 kHz。
• 最小时钟频率：最小时钟频率受自动调零和参考电容的泄漏影响，测量周期高达 10 μs 时不受泄漏误差影响。
• 50 Hz 或 60 Hz 干扰抑制：为了最大程度地抑制 50 Hz 或 60 Hz 的干扰，应选择合适的时钟频率，使信号积分阶段包含 50 Hz 或 60 Hz 周期的整数倍。

其他考虑

• 零交叉触发器：通过延迟一个时钟周期进行零交叉检测，并在反积分阶段开始时禁用计数器一个时钟周期，以消除检测延迟带来的误差。
• 噪声：零附近的峰 - 峰噪声约为 15 μV，接近满量程时增加到约 30 μV，大部分噪声来自自动调零环路。
• 模拟和数字接地：高精度应用中应避免接地环路，数字电路的回流电流不应流入模拟地线。
• 电源：转换器设计用于 ±5 V 电源，但当输入信号相对于电源中点变化不超过 ±1.5 V 时，也可使用 5 V 电源。

六、封装信息

ICL7135C 和 TLC7135C 提供多种封装选项，如塑料双列直插（N）和小外形（DW）封装。以 TLC7135CDW 和 TLC7135CDWR 为例，它们采用 SOIC 封装，引脚数为 28，不同的封装数量和包装形式适用于不同的应用需求。

在实际设计中，电子工程师们需要根据具体的应用场景和性能要求，合理选择和使用 ICL7135C 和 TLC7135C 这两款高精度模数转换器。你在使用这类转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。