探索MAXIM ICL7126：低功耗3 1/2位A/D转换器的卓越性能

在电子工程师的设计世界中，A/D转换器是连接模拟与数字世界的关键桥梁。今天，我们将深入探讨MAXIM公司的ICL7126低功耗3 1/2位A/D转换器，它的诸多特性为各类应用带来了新的可能性。

文件下载：ICL7126RCPL+.pdf

一、器件概述

ICL7126是一款单片式模拟 - 数字转换器，具有极高的输入阻抗。片上的有源组件包括段驱动器、段解码器、电压基准和时钟电路。它能够直接驱动非多路复用的液晶（LCD）显示器，无需外部显示驱动电路，显著降低的功耗使其成为便携式系统的理想选择。

特性亮点

1. 低功耗：功耗保证小于1mW，使用9V电池时典型续航可达3000小时。
2. 快速恢复：保证从超量程状态快速恢复到首次读数。
3. 零输入零读数：输入为零时，读数为零。
4. 直接驱动LCD：可直接连接LCD显示器，简化设计。
5. 抗干扰能力强：采用双斜率转换技术，能自动抑制工业环境中常见的干扰信号。
6. 高精度：将翻转误差降低到小于一个计数，零读数漂移小于1μV。
7. 低噪声：无滞后或超量程残留效应，噪声低至15μVp - p。

二、产品选型与应用场景

选型信息

PART	TEMP RANGE	PACKAGE
ICL7126CPL	0°C to +70°C	40 Lead Plastic DIP
ICL7126CJL	0°C to +70°C	40 Lead CERDIP
ICL7126COH	0°C to +70°C	44 Lead Plastic Chip Carrier
ICL7126C/D	0°C to +70°C	Dice

应用场景

该器件可广泛应用于各种数字面板仪表，常见的应用包括压力、电压、电阻、温度等模拟数据的测量和显示。

三、电气特性与性能参数

绝对最大额定值

输入电压在输入电流限制为100μA时可超过电源电压。功耗额定值假设器件所有引脚都焊接到印刷电路板上，最大电源电压为15V。

关键电气参数

PARAMETER	CONDITIONS	MIN	TYP	MAX	UNITS
零输入读数	VN = 0.0V，Full - Scale = 200.0mV	- 000.0	±000.0	+000.0	Digital Reading
比例读数	VN = VREF，VREF = 100mV	999	999/1000	1000	Digital Reading
翻转误差	- VIN = + VIN = 200.0mV，接近满量程	- 1	±0.2	+1	Counts
线性度	满量程 = 200mV 或 2.000V	- 1	±0.02	+1	Counts
共模抑制比	VCM = 1V，VN = 0V，满量程 = 200.0mV		50		μV/V
噪声	VN = 0V，满量程 = 200.0mV，95%时间内		15		μV
泄漏电流	V = 0V	1		10	μA
零读数漂移	V = 0V，0°C < T < + 70°C		0.2		μV/°C
比例因子温度系数	VN = 199.0mV，0°C < T < + 70°C，外部基准0ppm/°C		1	5	ppm/°C
电源电流（不包括公共电流）	VN = V	50		100	μA
模拟公共电压	公共端与正电源间接250kΩ	2.4	2.8	3.2	V
模拟公共温度系数	公共端与正电源间接250kΩ		80		ppm/°C
峰 - 峰段驱动电压	V + 至V - = 9V	5	6		V
峰 - 峰背板驱动电压	V + 至V - = 9V	4	5	6	V

四、工作原理与内部结构

模拟部分

每个测量周期分为四个阶段：

1. 自动调零（A - Z）：系统闭合输入环路，给自动调零电容CAZ充电，补偿比较器、缓冲放大器和积分器中的失调电压。系统的固有噪声决定了自动调零的精度。
2. 信号积分（INT）：内部输入高（IN - HI）和输入低（IN - LO）连接到外部引脚，断开内部短路并打开自动调零环路。转换器在固定时间内对IN - HI和IN - LO之间的差分电压进行积分。此差分电压可在较宽的共模范围内（任一电源的1V以内）。
3. 参考反积分（DI）：IN - H连接到先前充电的参考电容，IN - LO内部连接到模拟公共端。芯片内的电路确保电容以正确的极性连接，使积分器输出回到零。输入信号决定输出回到零所需的时间，显示的数字读数为 (1000 × frac{V{IN}}{V{REF}})。
4. 零积分（ZI）：输入低与模拟公共端短路，参考电容充电到参考电压。系统在输入高周围闭合反馈环路，使积分器输出回到零。该阶段通常持续11到140个时钟脉冲，但在“重度”超量程转换后会延长到740个时钟脉冲。

数字部分

数字部分的时钟电路有三种时钟源选择方式：

1. 在39和40引脚之间连接晶体。
2. 将外部振荡器连接到40引脚。
3. 使用三个引脚构成RC振荡器。

时钟频率除以四驱动十进制计数器，该频率进一步分频形成四个转换周期阶段，即信号积分（1000计数）、参考反积分（0到2000计数）、自动调零（260到2989计数）和零积分（11到740计数）。

五、元件值选择

自动调零电容

对于2V量程，0.1μF电容即可；对于200mV满量程，推荐使用0.47μF电容以提高噪声抑制能力。

参考电容

大多数应用中，0.1μF电容可接受。当存在大的共模电压且使用200mV量程时，需使用1.0μF电容以防止翻转误差。

积分电容

为确保积分器不饱和，选择合适的积分电容。以每秒一次读数为例（16kHz时钟），CINT的标称值为0.15μF。不同振荡器频率时，该值应成反比变化以保持相同的输出摆幅。建议使用聚丙烯电容以减小线性误差。

积分电阻

积分电阻应足够大，使放大器在整个输入电压范围内处于线性区域；同时应足够小，避免对PCB板提出过高的泄漏要求。对于200mV量程，推荐使用180kΩ电阻。

参考电压

对于2V和200mV量程，VREF应分别为1V和100mV。在许多应用中，A/D连接到传感器时，输入电压和数字读数之间的比例因子可能不是1。可根据具体需求选择合适的参考电压和积分电阻。

振荡器元件

推荐使用50pF电容，电阻可根据公式 (f = 0.45 / RC) 选择。例如，48kHz时钟（每秒3次读数）时，(R = 180kΩ)；16kHz时，(R = 560kΩ)。

六、使用注意事项

1. 测试引脚：测试引脚有两个功能，一是作为7126的负电源，用于外部段驱动器或其他指示器；二是进行灯测试，将TEST引脚拉高（V +）时，所有段将点亮，显示应为 - 1888。但在灯测试模式下，段上有恒定直流电压，长时间处于该模式可能会烧坏LCD。
2. 共模电压处理：模拟公共端用于设置电池供电时的共模电压。当输入信号相对于电源浮动时，该引脚可设置比正电源低约2.8V的电压。若IN - LO与模拟公共端不同，系统中存在共模电压，可通过转换器出色的共模抑制比来处理。

MAXIM ICL7126以其低功耗、高精度、抗干扰等特性，在数字面板仪表等领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计时，可根据具体需求合理选择元件值，充分发挥该转换器的性能优势。大家在实际应用中是否遇到过类似A/D转换器的设计难题呢？欢迎在评论区分享交流。