主流A/D轉(zhuǎn)換芯片學(xué)習(xí)詳解

一、ICL7106介紹

　　ICL7106是intersil公司推出的一款3½位A/D轉(zhuǎn)換器電壓應(yīng)用芯片,主要用于儀器儀表，能構(gòu)成3½位液晶顯示的數(shù)字電壓表。ICL7106是目前廣泛應(yīng)用的一種A/D轉(zhuǎn)換器。

　　ICL7106引腳封裝圖

二、 ICL7106芯片結(jié)構(gòu)簡述

　　ICL7106是高性能、低功耗的三位半A/D轉(zhuǎn)換電路，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。含有七段譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)器、參考源、時(shí)鐘系統(tǒng)以及背光電極驅(qū)動(dòng)，可直接驅(qū)動(dòng)LCD。

　　ICL7106將高精度、通用性和低成本很好的結(jié)合在一起，有低于10μA的自動(dòng)校零功能，零漂小于1μV/℃，低于10pA的輸入電流，極性轉(zhuǎn)換誤差小于一個(gè)字。真正的差動(dòng)輸入和差動(dòng)參考源在各種系統(tǒng)中都很有用。另外，只需用十個(gè)左右的無源元件和一個(gè)LCD屏就可以構(gòu)成高性能的儀表面板，實(shí)現(xiàn)了低成本和單電源工作。

　　三、 ICL7106的工作原理

　　ICL7106 內(nèi)部包括模擬電路和數(shù)字電路兩大部分，二者是互相聯(lián)系的。一方面由控制邏輯產(chǎn)生控制信號，按規(guī)定時(shí)序?qū)⒍嗦纺M開關(guān)接通或斷開，保證A/D 轉(zhuǎn)換正常進(jìn)行；另一方面模擬電路中的比較器輸出信號又控制著數(shù)字電路的工作狀態(tài)和顯示結(jié)果。下面介紹各部分的工作原理。

　?。?）模擬電路

　　模擬電路由雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。主要包括2.8V基準(zhǔn)電壓源（E0）、緩沖器（A1）、積分器（A2）、比較器（A3）和模擬開關(guān)等組成。緩沖器A4專門用來提高COM端帶負(fù)載的能力，可謂設(shè)計(jì)數(shù)字多用表的電阻擋、二極管擋和hFE擋提供便利條件。這種轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度高、抗串模干擾能力強(qiáng)、電路簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合做低速模／數(shù)轉(zhuǎn)換。每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分三個(gè)階段進(jìn)行：自動(dòng)調(diào)零（AZ）、正向積分（INT）、反向積分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ…的順序進(jìn)行循環(huán)。令計(jì)數(shù)脈沖的周期為TCP，每個(gè)測量周期共需4000TCP。其中，正向積分時(shí)間固定不變，T1＝1000TCP。儀表顯示值

　　將T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得

　　N＝10UIN 或UIN＝0.1N

　　只要把小數(shù)點(diǎn)定在十位上，即可直讀結(jié)果。滿量程時(shí)N＝2000，此時(shí)UM＝2UREF＝200mV，儀表顯示超量程符號“1”。若需改裝成2V量程的數(shù)字電壓表，可按表1選擇元件值。

　　表1 200mV與2V量程元件對照

　　欲測量2V以上的直流電壓，必須利用精密電阻分壓器對UIN進(jìn)行衰減。積分電阻應(yīng)采用金屬膜電阻，積分電容宜選絕緣性好、介質(zhì)吸收系數(shù)小的聚苯乙烯電容或聚丙烯電容。

　　為了提高儀表抗串模干擾的能力，正向積分時(shí)間（亦稱采樣時(shí)間）T1應(yīng)是工頻周期的整倍數(shù)。我國采用50Hz交流電網(wǎng)，其周期為20ms，應(yīng)選

　　T1＝n·20（ms）

　　式中，n＝1，2，3，…。例如取n＝2、4、5時(shí)，T1＝40ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干擾。這是因?yàn)榉e分過程有取平均的作用，只要干擾電壓的平均值為零，就不影響積分器輸出。但n值也不宜過大，以免測量速率太低。

（2）數(shù)字電路

　　數(shù)字電路如下圖所示。主要包括8個(gè)單元：①時(shí)鐘振蕩器；②分頻器；③計(jì)數(shù)器；④鎖存器；⑤譯碼器；⑥異或門相位驅(qū)動(dòng)器；⑦控制邏輯；⑧LCD顯示器。時(shí)鐘振蕩器由ICL7106內(nèi)部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C組成。若取R＝120kΩ，C＝100PF，則f0＝40kHz。f0經(jīng)過4分頻后得到計(jì)數(shù)頻率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。此時(shí)測量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，測量速率為2.5次／秒。f0還經(jīng)過 800分頻，得到50Hz方波電壓，接LCD的背電極BP。LCD須采用交流驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)筆段電極a～g與背電極BP呈等電位時(shí)不顯示，當(dāng)二者存在一定的相位差時(shí)，液晶才顯示。因此，可將兩個(gè)頻率與幅度相同而相位相反的方波電壓，分別加至某個(gè)筆段引出端與BP端之間，利用二者電位差來驅(qū)動(dòng)該筆段顯示。驅(qū)動(dòng)電路采用異或門。其特點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè)輸入端的狀態(tài)相異時(shí)（一個(gè)為高電平，另一個(gè)為低電平），輸出為高電平；反之輸出低電平。7段LCD驅(qū)動(dòng)電路如圖所示。圖中，加在a、b、c筆段上的方波電壓與BP端方波電壓的相位相反，存在電位差，使這三段顯示。而d、e、f、g段消隱，故可顯示數(shù)字“7”。顯見，只要在異或門輸入端加控制信號（即譯碼器輸出的高、低電平），用以改變驅(qū)動(dòng)器輸出方波的相位，就能顯示所需數(shù)字。

　　ICL7106主要參數(shù)：

四、 ICL7106的性能特點(diǎn)

　?。?）＋7V～＋15V單電源供電，可選9V疊層電池，有助于實(shí)現(xiàn)儀表的小型化。低功耗（約16mW），一節(jié)9V疊層電池能連續(xù)工作200小時(shí)或間斷使用半年左右。

　?。?）輸入阻抗高（1010Ω），對輸入信號無衰減作用。內(nèi)設(shè)時(shí)鐘電路、＋2.8V基準(zhǔn)電壓源、異或門輸出電路，能直接驅(qū)動(dòng)3½位LCD顯示器。

　?。?）屬于雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確度達(dá)±0.05％，轉(zhuǎn)換速率通常選2次／秒～5次／秒。具有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)判定極性等功能。通過對芯片的功能檢查，可迅速判定其質(zhì)量好壞。

　?。?）外圍電路簡單，僅需配5只電阻、5只電容和LCD顯示器，即可構(gòu)成一塊DVM。其抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。

（5） 內(nèi)部有時(shí)鐘電路，可接阻容元件構(gòu)成多諧振蕩器，也可用外時(shí)鐘輸入。

（6）內(nèi)部噪聲低，顯示穩(wěn)定。

（7）具有極性識別功能，在零附近時(shí)也能正確反映極性。

（8） 低功耗。

　　封裝形式：DIP40、LQFP44或COB。

　　五、ICL7106產(chǎn)品規(guī)格分類

六、ICL7106典型應(yīng)用電路

　　1. ICL7106 組成直流電壓測量電路

　　ICL7106 是雙積分型 CMOS 工藝 4 位 BCD 碼輸出 A/D 轉(zhuǎn)換器，它包含雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、自動(dòng)極性變換、調(diào)零電路、七段譯碼器、LCD 驅(qū)動(dòng)器及控制電路等。電路采用 9V 單電源供電，CMOS 差動(dòng)輸入，可直接驅(qū)動(dòng)位液晶顯示器（LCD）。 ICL7106 組成直流電壓測量電路如圖 4 所示。

　　電路中 V+對 V之間接 9V 直流電壓，通過內(nèi)部基準(zhǔn)電壓發(fā)生器在 V+到 COM 之間產(chǎn)生2.8V 基準(zhǔn)電壓，經(jīng)分壓電阻加在 REF+、REF基準(zhǔn)電壓輸入端。當(dāng)輸入量程為 200mV 時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)至 100mV；當(dāng)輸入量程為 2V 時(shí)，基準(zhǔn)電壓為 1V。OSC1～OSC3 是時(shí)鐘振蕩電路引出端，外 接定時(shí)電阻、電 容產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。I N+、I N是差動(dòng)輸入端，將 IN與模擬地 COM相連，IN+對 COM 之間為模擬電壓輸入。U接個(gè)位驅(qū)動(dòng)、T接十位驅(qū)動(dòng)、H 接百位驅(qū)動(dòng)、a bK是千位驅(qū)動(dòng)、P0 為“”號驅(qū)動(dòng)、BP 接液晶背板。AZ、BUFF 和 INT 分別接調(diào)零電容、積分電阻和積分電容，通過調(diào)整它們及基準(zhǔn)電壓，可將輸入量程調(diào)至 2V（本電路為 200mV）。

2. ICL7106 典型測試測量電路（200mv滿量程）