探索MAXIM ICL7129A/MAX7129：高精度4-1/2位单芯片A/D转换器

在电子设计领域，高精度的模拟数字转换一直是工程师们追求的目标。今天，我们就来深入了解一下MAXIM公司的ICL7129A/MAX7129，一款具备LCD驱动功能的4-1/2位单芯片A/D转换器，看看它在实际应用中能为我们带来哪些惊喜。

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产品概述

ICL7129A/MAX7129是一款高精度的单片4-1/2位A/D转换器，能够直接驱动多路复用液晶显示器。它采用了独特的“连续积分”技术，在2.00000V和200.00mV量程上都能实现±20,000计数分辨率。该转换器具有高阻抗差分输入、出色的差分线性度、真正的比例运算和自动极性等特点。要制作精密的数字电压表（DVM）或数字面板表（DPM），仅需一个参考源作为外部有源组件。此外，它还具备过量程和欠量程输出以及10:1量程切换输入，方便设计自动量程系统。同时，它能检测并标记低电量状态，还可进行连续性检查，并提供视觉指示和逻辑电平输出，可用于产生声音信号。

关键特性

1. 高分辨率：±19,999计数分辨率，能满足高精度测量需求。
2. 低输入偏置电流：MAX7129的最大输入偏置电流仅为10pA，减少了测量误差。
3. 低噪声：ICL7129A的峰峰值噪声低至3μV，大大提高了测量的准确性。
4. 集成LCD驱动：板载多路复用LCD显示驱动器，可直接驱动4-1/2位、4个小数点和3个指示器，简化了设计。
5. 功能丰富：具备即时连续性检测器、低电量检测器和指示器、过量程/欠量程输出、精确的10:1量程选择等功能。
6. ESD保护：显著改善了静电放电（ESD）保护性能，提高了产品的可靠性。
7. 低功耗设计：采用单片、低功耗CMOS设计，无需补偿电容，降低了功耗和成本。

技术原理

转换技术

ICL7129A/MAX7129与早期的积分型A/D转换器有两点不同。首先，它采用了一种称为“连续积分”的双斜率方法变体；其次，它使用数字自动调零，而不是需要外部自动调零电容的模拟自动调零环路。早期的转换器在自动调零电容上存储偏移校正电压，虽然这种方法适用于100μV分辨率的A/D转换器，但自动调零环路会导致早期积分型A/D转换器的噪声大幅增加，使其不适合10μV分辨率的系统。ICL7129A/MAX7129通过进行两次5%位分辨率的转换，消除了自动调零电容和与自动调零环路相关的噪声。第一次转换是将A/D连接到外部输入（Input HI和Input LO）进行的；第二次转换是将A/D输入内部短路进行的。第二次转换的结果与A/D的偏移成正比，将其从第一次读数中数字相减，即可得到经过偏移校正的自动调零测量结果。

连续积分过程

该转换器通过多次双斜率转换来增强双斜率转换技术，每次连续转换的分辨率都是前一次的10倍。“连续积分”技术的关键在于每次转换后对积分器电容上的残余电压进行乘法运算。ICL7129A/MAX7129首先进行3%位的双斜率转换，去积分周期在积分器输出过零后的下一个正时钟沿终止，此时积分器电容上会留下一小部分残余电压。与其他A/D转换器不同的是，ICL7129A/MAX7129将这个残余电压乘以10，然后进行另一次双斜率转换。由于积分器电容上的残余电压被乘以10，第二次去积分周期的分辨率也提高了10倍，从而在第二次去积分周期中实现了4%位的分辨率。第二次去积分周期结束后留下的积分器电容残余电压再次乘以10，ICL7129A/MAX7129进行第三次去积分周期，此时达到5%位的分辨率。

电气特性

MAX7129电气特性

在特定条件下（V⁺到V⁻ = 9V，VREF = 1.00V，TA = +25°C，fCLK = 120kHz），MAX7129具有以下电气特性：

• 零输入读数和零读数漂移：在200mV量程下，零输入读数为0000，零读数漂移为±0.5读数/°C。
• 比例读数：当VIN = VREF = 1000mV，RANGE = 2V时，比例读数在9998 - 10000读数之间。
• 量程变化精度：在低量程和高量程下，量程变化精度为0.9999 - 1.0001比例。
• 翻转误差：当-VIN = +VIN = 199mV时，翻转误差小于1计数。
• 线性误差：200mV量程下，线性误差为0.5计数。
• 输入共模抑制比：在200mV量程下，输入共模抑制比为110dB。
• 输入共模电压范围：在200mV量程下，输入共模电压范围为(V⁻)+1.5V到(V⁺)-0.5V。
• 噪声：在200mV量程下，95%的时间内峰峰值噪声不超过7.0μV。
• 输入泄漏电流：IN HI端最大为10pA，IN LO端最大为40pA。

ICL7129A电气特性

ICL7129A的电气特性与MAX7129类似，但在噪声方面表现更优，在200mV量程下，95%的时间内峰峰值噪声不超过3.0μV。

引脚配置与功能

ICL7129A/MAX7129的引脚具有多种功能，以下是部分关键引脚的介绍：

• OSC1、OSC2、OSC3：用于时钟振荡，可选择晶体或RC振荡方式。
• ANNUNCIATOR DRIVE：用于驱动指示器的背板方波输出。
• B1 - B4、C1 - C4、A1 - A4、G1 - G4、D1 - D4、F1 - F4、E1 - E4、DP1 - DP4：输出到显示段，用于驱动液晶显示器的各个段。
• BP1 - BP3：背板输出，用于驱动液晶显示器的背板。
• VDISP：显示驱动器的负电源。
• DP4/OR、DP3/UR：具有双重功能，既可以控制小数点的显示，又可以作为过量程和欠量程输出。
• LATCH/HOLD：控制数据的锁存和保持，可用于控制显示的更新。
• CONTINUITY：连续性检测输入和输出，用于检测输入之间的电压是否小于200mV。

应用领域

ICL7129A/MAX7129可广泛应用于各种精密数字电压表、万用表和面板表等领域，主要用于模拟数据的测量和显示，如压力、重量、电压、电流、电阻、速度、温度和材料厚度等。

组件选择

积分电阻

为了获得最佳线性度，应选择积分电阻值，使缓冲器的最大输出电流在5 - 20μA之间。缓冲器的静态电流为70μA，在输出电流为13μA时具有良好的线性度。在满量程输入电压下，缓冲器的最大输出电流出现，此时积分电阻的最佳值可通过公式 (R{INT}=frac{full scale voltage}{13 mu A}) 计算，例如在2V满量程时，(R{INT}=frac{2V}{13 mu A}=150 kOmega)。积分电阻值过高会增加对噪声的敏感度，导致杂散泄漏电流引起的误差增加；值过低则会因试图从缓冲器和积分器中吸取过多电流而降低积分线性度。

积分电容

积分器在信号积分阶段的最大摆幅可通过公式 (V{swing}=frac{I{INT} × T{INT}}{C{INT}}) 计算，其中 (I{INT}=13 mu A)（当积分电阻按上述方法选择时），(T{INT}=1000) 个时钟周期（对于120kHz的振荡器频率，为16.7ms）。为了避免积分器输出饱和，同时使积分器摆幅范围最大化，积分器的输出应至少与任一电源保持1V的距离。由于Common大约比V⁺低3V，积分器摆幅应为2V。将这些值代入公式，可计算出积分电容 (C_{INT}=frac{13.3 mu A × 16.7 ms}{2 V}=0.1 mu F)。积分电容值过低会使积分器摆幅过大，导致积分器饱和并引起积分线性误差；值过高则会减小积分器摆幅范围，增加比较器噪声的影响。如果在IN LO端施加正共模电压，则需要减小积分电容值，以确保积分器输出电压至少比V⁺低1V。此外，积分电容应具有低介电吸收特性，以获得低积分非线性、翻转和比例误差。聚丙烯电容和特氟龙电容是比较合适的选择，在不太关键的应用中，聚苯乙烯和聚碳酸酯电容也可使用。

参考电容

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中，如数字万用表的比例欧姆测量中，才需要低介电吸收的参考电容。参考电容必须是低泄漏电容，因为它在积分和去积分阶段都要存储参考电压。在这些阶段，任何泄漏或电荷损失都会导致ICL7129A/MAX7129的比例因子发生变化。对于大多数应用，聚酯或聚苯乙烯等低成本薄膜电容是合适的选择。此外，参考电容端子上的杂散电容会导致“电荷吸出”效应，从而对参考电容的值设置下限。在大多数应用中，Ref Lo输入端子连接到Common，Ref Hi输入比Common高1V。在积分和空闲阶段，参考电容连接到参考输入（(C{REF}^{+}) 连接到Ref Hi，(C{REF}^{-}) 连接到Ref Lo）。在积分阶段结束时，比较器确定积分器输出的极性，数字部分关闭模拟开关，使参考电容连接到Common和缓冲器输入，其极性应使积分器输出在去积分阶段向Common返回。在积分阶段输入为负信号时，积分器输出为正，ICL7129A/MAX7129数字部分会在去积分阶段将 (C{REF}) 端子连接到Common。由于 (C{REF}) 端子在积分阶段也连接到Common，因此在从积分阶段过渡到去积分阶段时，(C_{REF}) 端子的电压不会改变。然而，如果积分阶段的输入电压为正，ICL7129A/MAX7129数字部分会将Ref (Cap ^{+}) 端子连接到Common。在这种情况下，参考电容的两个端子都会向负方向移动1V。参考电容端子上的任何杂散电容在其1V移动过程中也必须充电，从而降低参考电容上的电压，改变正输入电压的比例因子。这种误差称为“翻转误差”，通过使用1μF或更大的参考电容值，可以将其降低到小于1计数。

晶体振荡器组件

ICL7129A/MAX7129的晶体振荡器设计用于与音叉型晶体配合使用，如Statek CX - 1V系列。两个电容不是关键组件，可以使用低成本的盘式陶瓷电容。晶体频率应为120kHz以抑制60Hz的正常模式信号，或100kHz以抑制50Hz的正常模式信号。在200mV量程下，使用这些晶体频率时，积分将是60/50Hz信号的10个周期；在2V量程下，是1个周期。在2V量程上，没有单一的振荡器频率能同时对50Hz和60Hz实现良好的正常模式抑制，但100kHz的振荡器频率在200mV量程上可以同时抑制50Hz和60Hz。

实际应用注意事项

电源供应

ICL7129A/MAX7129既可以作为电池供电的手持仪器使用，也可以集成到具有更复杂电源的大型系统中。在使用9V电池供电时，可参考数据手册首页的典型工作电路。对于使用+5V和 - 5V电源的系统，需要注意测量是相对于地进行的。COMMON不连接到INPUT LO，仅用作外部电压参考的预调节器。ICL7129A/MAX7129的数字地（DGND，引脚36）不直接连接到电源地，其数字输入具有到DGND的保护二极管，不应驱动到低于DGND的任何电压。为了解决这个问题，可以在ICL7129A/MAX7129的DGND端子和±5V系统的数字地之间放置一个100Ω电阻，如果DGND端子的电压比±5V系统的数字地更正，则该电阻会将其下拉，防止输入保护二极管正向偏置。如果DGND电压比系统数字地更负，10Ω电阻将限制DGND吸收的电流量。在不方便或不适合使用电池供电的应用中，也可以使用单极性电源为ICL7129A/MAX7129供电，但测量必须相对于COMMON或ICL7129A/MAX7129输入共模范围内的其他电压进行。

电压参考

Common输出的典型温度系数为±80ppm/°C，由于ICL7129A/MAX7129的分辨率为20,000分之一，即50ppm，因此除非环境温度保持恒定，否则需要一个精密的外部参考。数据手册首页的典型工作电路图示中，使用了一个1.2V的带隙电压源作为ICL7129A/MAX7129的参考，Common仅用作带隙参考的预调节器。ICL7129A/MAX7129在2V和200mV满量程操作时，参考电压约为1.000V。要调整参考电压，可以先施加一个精确的1000.05mV输入电压，然后调整参考电压，直到显示读数在10000和10001之间均匀交替。

指示器驱动

Annunciator Drive输出是一个背板频率的方波，其电压从V⁺到VDISP摆动。任何连接到Annunciator Drive的段都会被打开，而不管哪个背板驱动该段。可以使用外部逻辑电平来控制指示器段，具体方法可参考相关电路图示。

显示电压补偿

在大多数应用中，将VDISP（引脚19）连接到DGND（引脚36）即可获得足够的显示效果。但在预期温度范围较宽的应用中，一些多路复用液晶显示器的电压驱动水平可能需要随温度变化，以保持良好的显示对比度和视角。温度补偿的程度取决于所使用的液晶类型，显示器制造商通常会指定LCD阈值电压的温度变化，该阈值电压约为最佳峰值显示电压的1/3。峰值显示电压等于((V^{+}-V_{DISP}))，因此典型的LCD阈值温度系数为 - 4mV/°C，对应于VDISP引脚的温度系数为 + 12mV/°C。可以使用两个电路来调整VDISP引脚的温度补偿，使其达到约 + 12mV/°C。DGND和VDISP之间的二极管应具有低导通电压，以确保VDISP相对于DGND不会被驱动到负300mV以上。

输入保护

ICL7129A/MAX7129的输入引脚内置了保护二极管，可保护其免受高达2000V的静电放电（ESD）（符合Mil Standard 883，Method 3015.1测试电路）。这些二极管还可保护ICL7129A/MAX7129在万用表电路中免受过大的输入电压过载，但前提是流入这些二极管的电流应限制在小于1mA。因此，如果输入电流限制电阻为1MΩ，ICL7129A/MAX7129在高达1000V的输入电压下将得到充分保护。

MAXIM ICL7129A/MAX7129以其高精度、丰富的功能和良好的性能，为电子工程师在设计精密测量仪器时提供了一个优秀的选择。在实际应用中，合理选择组件和注意相关的应用事项，能够充分发挥其优势，实现准确可靠的测量和显示。你在使用类似的A/D转换器时，遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。