主流A/D转换芯片学习详解（2）：ICL7106
描述
一、ICL7106介绍
ICL7106是intersil公司推出的一款3½位A/D转换器电压应用芯片,主要用于仪器仪表，能构成3½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3½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）
八、ICL7106典型热门方案参考应用
1. 数字电压表ICL7106/7107的应用
数字电压表（数字面板表）是当前电子、电工、仪器、仪表和测量领域大量使用的一种基本测量工具有关数字电压表的书籍和应用已经非常普及了。这里展示的一份由 ICL7106 A/D 转换电路组成的数字电压表（数字面板表）电路，就是一款最通用和最基本的电路。
与 ICL7106 相似的是 ICL7107 ，前者使用 LCD 液晶显示，后者则是驱动 LED 数码管作为显示，除此之外，两者的应用基本是相通的。
电路图中，仅仅使用一只 DC9V 电池，数字电压表就可以正常使用了。按照图示的元器件数值，该表头量程范围是±200.0mV。当需要测量 ±200mV 的电压时，信号从 V-IN 端输入，当需要测量 ±200mA 的电流时，信号从 A-IN 端输入，不需要加接任何转换开关，就可以得到两种测量内容。
也有许多场合，希望数字电压表（数字面板表）的量程大一些，那么，只需要更改 2 只元器件的数值，就可以实现量程为 ±2.000V 了。更改的元器件具体位置和数值见下图的 28 和 29 两只引脚：
在有了一只数字电压表（数字面板表）之后，按照下面的图示，给它配置一组分流电阻，就可以实现多量程数字电流表，分档从 ±200uA 到 ±20A 。但是要注意：在使用 20A 大电流档的时候，不能再有开关来切换量程，应该专门配置一只测量插孔，以防烧毁切换开关。
与多量程电流表对应的是经常需要使用多量程电压表，按照下图配置一组分压电阻，就可以得到量程从 ±200.0mV 至 ±1000V 的多量程电压表。
测量电阻与测量电流或者电压一样重要，俗称“三用表”，利用数字电压表做成的多量程电阻表，采用的是“比例法”测量，因此，它比起指针万用表的电阻测量来具有非常准确的精度，而且耗电很小，下图示中所配置的一组电阻就叫“基准电阻”，就是通过切换各个接点得到不同的基准电阻值，再由 Vref 电压与被测电阻上得到的 Vin 电压进行“比例读数”，当 Vref = Vin 时，显示就是 Vin/Vref*1000=1000 ，按照需要点亮屏幕上的小数点，就可以直接读出被测电阻的阻值来了。
在产品数字万用表中，为了节省成本和简化电路，测量电流的分流电阻和测量电压的分压电阻以及测量电阻的基准电阻往往就是同一组电阻。这里不讨论数字万用表的电路，仅仅是帮助读者在单独需要使用某种功能时，可以有一定的参考作用。
下图是一个最简单的 10 倍放大电路，运算放大器使用的是精度比较高的 OP07 ，利用它，可以把 0～200mV 的电压放大到 0～2.000V。在使用的数字电压表量程为 2.000V 时，（例如 ICL7135 组成的 41/2 数字电压表，基本量程就是 2.000V。）特别有用。
如果把它应用在基本量程为 ±200.0mV 的数字电压表上，就相当于把分辨力提高了 10 倍，在一些测量领域中，传感器的信号往往觉得太小了，这时，可以考虑在数字电压表前面加上这种放大器来提高分辨力。
在电流或者电压的测量中，经常遇见测量的并不是直流而是交流，这时候，绝对不可以把交流信号直接输入到数字电压表去，必须先把被测的交流信号变成直流信号后，才可以送入数字电压表进行测量。下图就是一个把交流信号转换成为直流信号的参考电路。（说明：更好的交流转换成为直流的电路是一种“真有效值”转换电路，但是由于其专用芯片价格昂贵，多应用在一些高档场合。）
本电路中，输入的是 0～200.0mV 的交流信号，输出的是 0～200.0mV 的直流信号，从信号幅度来看，并不要求电路进行任何放大，但是，正是电路本身具有的放大作用，才保证了其几乎没有损失地进行 AC - DC 的信号转换。因此，这里使用的是低功耗的高阻输入运算放大器，其不灵敏区仅仅只有 2mV 左右，在普通数字万用表中大量使用，电路大同小异。
在温度测量和其他物理及化学量的测量中，经常会出现“零点”的时候信号不是零的情况，这时候，下面的“电桥输入”电路就被优先采用了。可以根据被测信号的特点，用传感器替换电桥回路中的某一个电阻元件。数字电压表的两个输入端也不再有接地点，作为一种典型的“差分”输入来使用了。
电桥输入电路的变种还可以延伸到下面的电路，这是一个把 4～20mA 电流转换为数字显示的电路。它的零点就是 4mA 而不是 0mA 。当输入零点电流为 4 mA 的时候，利用 IN- 上面建立起来的电压，抵消掉 IN+ 由于 4mA 出现的无用信号，使得数字电压表差分输入=0，就实现了 4mA 输入时显示为 0 的要求。随着信号的继续增大，例如到了 20mA ，对数字电压表来说，相当于差分输入电流为 20-4=16mA ，这个 16mA 在 62.5R 电阻上的压降，就是数字电压表的最大输入信号。这时候，把数字电压表的基准电压调整到与 16*62.5=1000mV 相等，显示就是 1000 个字！
应用提示：
1.数字电压表（数字面板表）的具体应用电路是何止千万的，只要掌握了一些最基本的应用，就可以举一反三地越来越熟练，熟就能生巧，就能按照您的构思去得心应手地用好它！
2.尽管数字电压表的输入阻抗可以达到 1000 兆欧姆，但是，这个阻抗仅仅是对输入信号而言的，与通常电力系统泛称的“绝缘电阻”有着天壤之别！因此，千万不能把高于芯片供电电压的任何电压输入到电路中！以免造成损失或者危险！
3.数字电压表（数字面板表）属于一种测量工具，其本身的好坏直接影响到测量结果，因此，上面所有例子中，其使用的电阻要求精度均不能低于 1% ，在分流、分压和标准电阻链中，最好能够使用 0.5% 或者 0.1% 精度的电阻。电路中使用的电容器也要求使用一种俗称为 CBB 的电容，除各别地方之外，一般是不能使用瓷介电容的。
4.不要在电路本身没有送上工作电源的时候就加上信号，这很容易损坏芯片。断掉工作电源前也必须先把信号撤掉。
5.数字电压表（数字面板表）的使用和扩展应用，还必须很好阅读产品供货商提供的说明书，千万不要急于送电使用它。
2. 基于ICL7106的无源液晶显示模块的设计与实现（图）
无源液晶显示模块只需串接在两线制变送器4～20mA回路里，即可显示测量工程值或测量百分比，无需电池或外接电源
4～20mA信号是两线制变送器的传输标准。通常在控制室用数显表显示其测量工程值，或用计算机数据采集显示。所设计的无源液晶显示模块，只需串接在两线制变送器4～20mA回路里，即可显示测量工程值或测量百分比，无需电池或接入电源。可嵌入到现场仪表的表头就地显示，或安装在控制室集中显示，是一种通用的无源液晶显示模块。
工作原理
显示模块通过两个接线端串接到两线制变送器的4～20mA回路里，通过模块的可调精密并联稳压管产生2.5V的压降，再经过倍压提供模块的5V电源。信号采样电阻产生的最大200mV信号送入模数转换器的差分输入端，转换为数字量进行显示。模数转换器采用抗工频干扰强的双积分模数转换器 ICL7106，可以直接驱动3位半液晶显示器，如图1所示。
图1 无源液晶显示模块电路框图
电路设计
设计电路如图2所示。显示模块通过JLOOP端子串接在4～20mA信号回路。图中Z1是可调精密并联稳压器，吸收电流能力1～100mA。输出电压可用两个外部电阻R3、R4设置至2.5～30V之间的任何值，考虑到模块的压降和ICL7106的工作电压，这里取2.5V。R10、R11、R12 串并联为回路信号的取样电阻，对于不同的显示量程可便于调整信号满度。
图2 无源液晶显示模块电路图
ICL7660是Intersil公司采用CMOS工艺制成的高效率、小功率低压直流电源变换器，它不仅可将单电源转换成对称输出的双电源，还能实现倍压和多倍压输出，ICL7106的电源即由此获得。ICL7106也是Intersil公司生产的专门用于驱动LCD的双积分模数转换器，功耗极低，可由电池供电。芯片内部有时钟电路，外接阻容元件即可构成两级反相RC振荡器（图中R13、C1），内部有基准电压发生电路，在V+与COM之间有一个 2.8V典型值的基准电压源，但考虑到其温度稳定性，这里采用外接精密基准LM385-1.2V，再由分压器分压送到ICL7106的差分基准输入端。 Ws电位器用来微调显示满度以保证Vref+- Vref-＝Vm/2，Vm为满量程。ICL7106的差分输入特性使得IN+和IN-可以接受在共模电压范围内的差分电压，在V-+1～V+-0.5范围内，A/D转换器具有86dB的共模抑制比。图中Wz、R6、R7分压接入测量输入IN＋端，Wz用于调整量程下限。R8、C5组成低通滤波以滤去干扰。M1用于驱动小数点，DPS用于选择小数点显示位置。LCD SI71263是长沙太阳人公司生产的小型三位半液晶显示器。整个电路简单实用，采用表面贴封装的元件做成小型液晶显示模块，可直接嵌入到现场仪表的表头。
无源液晶显示模块的实现方法切实可行，具有设计简单、工作可靠等优点，具有很好的参考价值和实用性。
3. 由ICL7106构成的3，1 2位数字电压表电路图