主流A/D转换芯片学习详解

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一、ICL7106介绍

　　ICL7106是intersil公司推出的一款3?位A/D转换器电压应用芯片,主要用于仪器仪表，能构成3?位液晶显示的数字电压表。ICL7106是目前广泛应用的一种A/D转换器。

　　ICL7106引脚封装图



二、 ICL7106芯片结构简述

　　ICL7106是高性能、低功耗的三位半A/D转换电路，具有很强的抗干扰能力。含有七段译码器、显示驱动器、参考源、时钟系统以及背光电极驱动，可直接驱动LCD。

　　ICL7106将高精度、通用性和低成本很好的结合在一起，有低于10μA的自动校零功能，零漂小于1μV/℃，低于10pA的输入电流，极性转换误差小于一个字。真正的差动输入和差动参考源在各种系统中都很有用。另外，只需用十个左右的无源元件和一个LCD屏就可以构成高性能的仪表面板，实现了低成本和单电源工作。

　　三、 ICL7106的工作原理

　　ICL7106 内部包括模拟电路和数字电路两大部分，二者是互相联系的。一方面由控制逻辑产生控制信号，按规定时序将多路模拟开关接通或断开，保证A/D 转换正常进行；另一方面模拟电路中的比较器输出信号又控制着数字电路的工作状态和显示结果。下面介绍各部分的工作原理。


　　（1）模拟电路

　　模拟电路由双积分式A/D转换器构成。主要包括2.8V基准电压源（E0）、缓冲器（A1）、积分器（A2）、比较器（A3）和模拟开关等组成。缓冲器A4专门用来提高COM端带负载的能力，可谓设计数字多用表的电阻挡、二极管挡和hFE挡提供便利条件。这种转换器具有转换准确度高、抗串模干扰能力强、电路简单、成本低等优点，适合做低速模／数转换。每个转换周期分三个阶段进行：自动调零（AZ）、正向积分（INT）、反向积分（DE），并按照AZ→INT→DE→AZ…的顺序进行循环。令计数脉冲的周期为TCP，每个测量周期共需4000TCP。其中，正向积分时间固定不变，T1＝1000TCP。仪表显示值
　　
　　将T1＝1000TCP，UREF＝100.0mV代入上式得

　　N＝10UIN 或UIN＝0.1N

　　只要把小数点定在十位上，即可直读结果。满量程时N＝2000，此时UM＝2UREF＝200mV，仪表显示超量程符号“1”。若需改装成2V量程的数字电压表，可按表1选择元件值。

　　表1 200mV与2V量程元件对照


　　欲测量2V以上的直流电压，必须利用精密电阻分压器对UIN进行衰减。积分电阻应采用金属膜电阻，积分电容宜选绝缘性好、介质吸收系数小的聚苯乙烯电容或聚丙烯电容。


　　为了提高仪表抗串模干扰的能力，正向积分时间（亦称采样时间）T1应是工频周期的整倍数。我国采用50Hz交流电网，其周期为20ms，应选

　　T1＝n·20（ms）

　　式中，n＝1，2，3，…。例如取n＝2、4、5时，T1＝40ms、80ms、100ms，能有效地抑制50Hz干扰。这是因为积分过程有取平均的作用，只要干扰电压的平均值为零，就不影响积分器输出。但n值也不宜过大，以免测量速率太低。

（2）数字电路

　　数字电路如下图所示。主要包括8个单元：①时钟振荡器；②分频器；③计数器；④锁存器；⑤译码器；⑥异或门相位驱动器；⑦控制逻辑；⑧LCD显示器。时钟振荡器由ICL7106内部反相器F1、F2以及外部阻容元件R、C组成。若取R＝120kΩ，C＝100PF，则f0＝40kHz。f0经过4分频后得到计数频率fCP＝10kHz，即TCP＝0.1ms。此时测量周期T＝16000T0＝4000TCP＝0.4s，测量速率为2.5次／秒。f0还经过 800分频，得到50Hz方波电压，接LCD的背电极BP。LCD须采用交流驱动方式，当笔段电极a～g与背电极BP呈等电位时不显示，当二者存在一定的相位差时，液晶才显示。因此，可将两个频率与幅度相同而相位相反的方波电压，分别加至某个笔段引出端与BP端之间，利用二者电位差来驱动该笔段显示。驱动电路采用异或门。其特点是当两个输入端的状态相异时（一个为高电平，另一个为低电平），输出为高电平；反之输出低电平。7段LCD驱动电路如图所示。图中，加在a、b、c笔段上的方波电压与BP端方波电压的相位相反，存在电位差，使这三段显示。而d、e、f、g段消隐，故可显示数字“7”。显见，只要在异或门输入端加控制信号（即译码器输出的高、低电平），用以改变驱动器输出方波的相位，就能显示所需数字。


　　ICL7106主要参数：



四、 ICL7106的性能特点

　　（1）＋7V～＋15V单电源供电，可选9V叠层电池，有助于实现仪表的小型化。低功耗（约16mW），一节9V叠层电池能连续工作200小时或间断使用半年左右。

　　（2）输入阻抗高（1010Ω），对输入信号无衰减作用。内设时钟电路、＋2.8V基准电压源、异或门输出电路，能直接驱动3?位LCD显示器。

　　（3）属于双积分式A/D转换器，A/D转换准确度达±0.05％，转换速率通常选2次／秒～5次／秒。具有自动调零、自动判定极性等功能。通过对芯片的功能检查，可迅速判定其质量好坏。

　　（4）外围电路简单，仅需配5只电阻、5只电容和LCD显示器，即可构成一块DVM。其抗干扰能力强，可靠性高。

（5） 内部有时钟电路，可接阻容元件构成多谐振荡器，也可用外时钟输入。

（6）内部噪声低，显示稳定。

（7）具有极性识别功能，在零附近时也能正确反映极性。

（8） 低功耗。

　　封装形式：DIP40、LQFP44或COB。

　　五、ICL7106产品规格分类

        六、ICL7106典型应用电路

　　1. ICL7106 组成直流电压测量电路

　　ICL7106 是双积分型 CMOS 工艺 4 位 BCD 码输出 A/D 转换器，它包含双积分 A/D 转换电路、基准电压发生器、时钟脉冲产生电路、自动极性变换、调零电路、七段译码器、LCD 驱动器及控制电路等。电路采用 9V 单电源供电，CMOS 差动输入，可直接驱动位液晶显示器（LCD）。 ICL7106 组成直流电压测量电路如图 4 所示。


　　电路中 V+对 V之间接 9V 直流电压，通过内部基准电压发生器在 V+到 COM 之间产生2.8V 基准电压，经分压电阻加在 REF+、REF基准电压输入端。当输入量程为 200mV 时，基准电压调至 100mV；当输入量程为 2V 时，基准电压为 1V。OSC1～OSC3 是时钟振荡电路引出端，外 接定时电阻、电 容产生内部时钟。I N+、I N是差动输入端，将 IN与模拟地 COM相连，IN+对 COM 之间为模拟电压输入。U接个位驱动、T接十位驱动、H 接百位驱动、a bK是千位驱动、P0 为“”号驱动、BP 接液晶背板。AZ、BUFF 和 INT 分别接调零电容、积分电阻和积分电容，通过调整它们及基准电压，可将输入量程调至 2V（本电路为 200mV）。
2. ICL7106 典型测试测量电路（200mv满量程）