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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK ADC-Chips der ICL71X6-Familie bei reduzierter Versorgungsspannung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Funkamateur-Designer Die ICL7106-Chips werden von Harris (Intersil) hergestellt. Maxim produziert außerdem ICs mit der Bezeichnung ICL7106 und seine Micro-Power-Variante MAX130 sowie den ICL7136 und seine verbesserte Variante MAX131. Der in [1] erwähnte ICL7126-Chip ist ein Micropower-Analogon des 7106. Der Harris ICL7136 ist ein Micropower-Analogon des 7106 und ersetzt den ICL7126. Die Mikroschaltung KR572PV5 wird vom Unternehmen Mikron (Zelenograd) hergestellt; Der ADC KR1175PV5 wird von Sapphire Software hergestellt. Es gibt Modifikationen der Mikroschaltung 7106 mit dem „Hold“-Modus – das sind 572PV8 (analog zu ICL7116), 572PV10 (hergestellt von Alpha oder Mikron) [1]. Die Mikroschaltungen der Familie sind in der Pinbelegung (für das DIP-40-Gehäuse) und den Schaltkreisen völlig identisch, weisen jedoch einige Schaltungsmerkmale auf, die zu Unterschieden in den Eigenschaften führen (Versorgungsspannung, Stromverbrauch, Rauschen, Stabilität). Für alle Maxim-Mikroschaltungen (und in ICL7136 Harris) erschien die vierte Phase im Zeitdiagramm (siehe [11]) – Integrator-Nullpunktkorrektur, die eine schnellere ADC-Wiederherstellung nach Überlastung ermöglicht (Überbereichswiederherstellung); Bei MAX130/131-Mikroschaltungen ist der Fehler (Rollover-Fehler) kleiner als eine der niedrigstwertigen Ziffern. Eine Besonderheit der Mikroschaltungen MAX130/131/138 ist ihre interne Referenzspannungsquelle (ION), die den Bandlückeneffekt für Silizium (Bandgap) nutzt [9]. Dies führt zu einer höheren Temperaturstabilität bei geringerem Geräuschpegel im Vergleich zu ION auf Zener-Basis. Durch das Vorhandensein eines solchen ION können Sie den zulässigen Versorgungsspannungsbereich der MAX13x-Mikroschaltungen auf 4,5 ... 14 V erweitern. Die MAX138-Mikroschaltung zeichnet sich außerdem durch einen eingebauten Wechselrichter aus, der eine externe unipolare Versorgung in eine umwandelt interne bipolare. In typischen Schemata für die Verwendung von ADC-Mikroschaltungen dieser Serien sind die Werte der Elemente etwas unterschiedlich. Einzelheiten finden Sie in der Dokumentation des Herstellers. In [1] auf S. 222-224 Tabellen mit Unterschieden in den Parametern dieser Mikroschaltungen und den empfohlenen Werten der Elemente werden dargestellt. ADCs (ICL7107 und seine Analoga), die für den Betrieb mit LED-Anzeigen konzipiert sind, wurden vom Autor nicht untersucht, müssen aber erwähnt werden. In der proprietären Dokumentation für verschiedene Arten von Mikroschaltungen dieser Familie wird ein konkretes Beispiel für die Stromversorgung des ICL7107 aus einer „unipolaren“ Quelle von +5 V betrachtet. Die Bedingungen, unter denen eine Verringerung der Versorgungsspannung zulässig ist, sind wie folgt:
Für die Mikroschaltung ICL7107 (KR572PV2) beträgt die Nennstromversorgung ±5 V, wobei der Mittelpunkt mit dem entsprechenden Ausgang der Mikroschaltung verbunden ist – GND (Pin 21). Durch diese Verbindung ist die Versorgungsspannung des digitalen Teils des ADC unabhängig von der Gesamtversorgungsspannung fest. Beim ICL7106 ADC wird bei Versorgungsspannungen unter 6,8 V die Versorgungsspannung des Digitalteils nicht stabilisiert, da der interne Regler nicht funktioniert. Die analogen Abschnitte sowie die Spannungsregler des ICL7106 und des ICL7107 sind gleich, was bedeutet, dass die Leistungsbedingungen des digitalen Abschnitts des ADC der einzige Grund sind, warum Hersteller den Einsatz des ICL7106 bei reduzierter Spannung nicht zulassen . Die Gründe für die Stabilisierung der Stromversorgung für digitale Logik liegen in der Frequenzinstabilität des RC-Generators, die den Messvorgang nur bedingt beeinträchtigt, sowie in einigen Einschränkungen der Versorgungsspannung des LCD . Das Problem der Frequenzstabilität kann durch den Einsatz eines Quarzresonators gelöst werden, und moderne LCDs arbeiten normalerweise mit einer Spannungsamplitude an den Segmenten von mindestens 3 V. Es gibt also keinen Grund, warum Sie nicht versuchen sollten, den ICL7106 mit einer reduzierten zu verwenden Versorgungsspannung. Betrachten Sie eine Variante eines Voltmeters mit ADC, bei der die Eingangssignalspannung 200 mV nicht überschreitet (siehe Abb. 1 in [12] – eine Schaltung eines Miniatur-Digitalvoltmeters). Lediglich eine externe Referenz und ein Bereichsumschalter unterscheiden dieses Gerät von einem herkömmlichen Multimeter. Mit einem Voltmeter-Layout (ohne Teiler) wurde der ADC getestet. Ein solcher ADC mit einem Indikator weist eine gute Wiederholgenauigkeit auf und kann mit jedem der aufgeführten Mikroschaltungstypen der betrachteten Familie betrieben werden. Im Layout wurden 20 ADC-Chips von sieben verschiedenen Typen und Herstellern getestet. Die Testergebnisse sind in der Tabelle zusammengefasst.
Nachfolgend finden Sie einige Kommentare zu den Ergebnissen der Messungen von Mikrochip-Parametern. Die Versorgungsspannung U min entspricht dem Wert, bei dem sich die Anzeigewerte um nicht mehr als eine niederwertigste Stelle (e.m.r.) ändern. Der Wert von Uref (intern) ist die beispielhafte Spannung zwischen Power-Pin 1 und Pin 32 (COMMON), wenn die Versorgungsspannung größer als Ucr min (analog) ist, d. h. mit internen Mikroschaltungsstabilisatoren. Dabei wird der interne ION mit einem Versorgungsstrom des externen ION von etwa 105 μA belastet. Parameter Ust min (analog, digital) – die minimale Versorgungsspannung der Mikroschaltung, bei der die internen Spannungsstabilisatoren des analogen bzw. digitalen Abschnitts des ADC eingeschaltet werden. Rint min - minimaler Widerstand Rint = R9, bei dem der ADC gleichzeitig die Linearität bei minimaler Versorgungsspannung (Upit min) und maximaler Spannung am ADC-Eingang beliebiger Polarität beibehält. Die praktische Verwendung der angegebenen Werte kann wie folgt sein: Für den ausgewählten ADC-Typ können Sie den entsprechenden Widerstand Rint min in der Tabelle finden und ihn um 20...30 % erhöhen und den resultierenden Wert in a verwenden spezifisches Design. In diesem Fall muss die Generatorfrequenz mindestens 32,768 kHz betragen und die Kapazität Sint \u6d C0,22 \u5d XNUMX μF darf eine Toleranz von nicht mehr als XNUMX % aufweisen. In der Spalte „Fehler“ wird die Differenz der Messwerte an den Endpunkten der Skala bei positiver und negativer Spannung am Eingang vermerkt. Für alle ADC-Typen (gemäß Passdaten) muss der Parameter kleiner als eine der niedrigstwertigen Ziffern sein. Die letzte Spalte zeigt die experimentellen Daten zu den Anzeigewerten, wenn +UBX ADC an den +Uref-Punkt angeschlossen ist (der linke Anschluss des Widerstands R8 gemäß dem Diagramm muss mit dem oberen Anschluss R5 verbunden sein). Dieser Parameter ist ein sehr wichtiger allgemeiner Indikator für die korrekte Funktion und Qualität des ADC. Entsprechend der internen Struktur der Mikroschaltung werden die aktuellen Messwerte des ADC als Zahl ausgedrückt, die 1000 Uin / Uion entspricht. Es scheint, dass der Indikator bei gleichen Spannungen immer genau und stabil 1000 anzeigen sollte. Sogar in der Dokumentation heißt es, dass Werte von 1000 oder 999 als akzeptabel gelten. Um die Frequenz des eingebauten ADC-Oszillators zu stabilisieren, wurde ein herkömmlicher Uhrenquarzresonator mit einer Frequenz von 32,768 kHz verwendet. Ein Versuch, einen Quarzresonator für eine Uhr gemäß einer typischen Schaltung (an die Klemmen 39 und 40 des ADC) anzuschließen, war erfolglos. Einige Kombinationen von Mikroschaltungs-Quarz-Paaren funktionieren nicht einmal bei einer Nennversorgungsspannung von 9 V. Als Ergebnis von Experimenten ergab sich eine nicht standardmäßige Anschlussmöglichkeit. Tatsächlich handelt es sich um einen typischen RC-Generator, bei dem die Brücke zwischen den Pins 39 und 40 durch einen Quarzresonator ersetzt wird. Der Frequenzeinstellungswiderstand Rgen (in Abb. 1 in [12] beträgt R2 – 30 kOhm) ist deutlich geringer als in der Dokumentation [7, 8] empfohlen – 100 kOhm für ICL7106 bzw. 180 kOhm für ICL7136. Es wurde experimentell festgestellt, dass ein solcher Oszillator nur dann bei der Quarzfrequenz startet und stabil arbeitet, wenn der ursprüngliche RC-Oszillator (mit geschlossenem Quarz) an der unteren Grenze der Versorgungsspannung eine eigene Frequenz hat, die höher ist als die Frequenz des Quarzresonators. Mit einer Abnahme der Versorgungsspannung der Mikroschaltung und einer entsprechenden Abnahme der Versorgungsspannung des RC-Generators nimmt seine Frequenz ab. Das Verhalten des RC-Generators ist bei verschiedenen ADC-Typen unterschiedlich. Die getestete Mikroschaltung KR572PV5 mit den angegebenen Werten der Elemente arbeitete stabil bei einer Versorgungsspannung über 4,2 V: Der Generator schaltete bei einer Spannung von etwa 3,3 ... 3,5 V ab und mit Quarz startete der Generator sogar bei 4 V. Die Abschaltung des RC-Generators erfolgte jeweils in den Intervallen 130 ... 3,2 und 3,5 ... 2 V. Der RC-Generator des ICL2,3-Chips arbeitete auch bei einer Versorgungsspannung von 7136, 1,5...1,8 weiter kHz)! Im Layout funktionierten fast alle dem Autor zur Verfügung stehenden Uhrenquarze normal, wenn sich die Versorgungsspannung für die in der Tabelle aufgeführten ADC-Mikroschaltungen im Bereich von 4 ... 9,5 V änderte. Zur Unterdrückung von Störungen mit Frequenzen, die ein Vielfaches von 50 Hz betragen, muss die Oszillatorfrequenz (Fgen) so bemessen sein, dass während der Integrationszeit (4000 Perioden T des Taktgenerators) eine ganzzahlige Anzahl von K Perioden (20 ms) der Netzspannung passen [2]. Mit anderen Worten, Fgen \u1d 200 / T \u200d 100 / K, kHz, also 67, 32,768, 200 kHz usw. Zur besseren Unterdrückung von Störungen mit der Netzfrequenz ist der gewählte Frequenzwert von 6 kHz nicht ideal, aber unterscheidet sich auch nicht sehr von der nächstgelegenen berechneten Frequenz: 33,333/XNUMX = XNUMX kHz. In Firmendokumentationen [7, 11] und Artikeln zum Einsatz des ADC 1C1_71xx wird empfohlen, Kondensatoren mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten im Dielektrikum zu verwenden. Normalerweise gibt es keine zusätzlichen Kommentare; Es werden nur spezifische Werte angegeben: Wenn es sich bei Sint um einen Kondensator mit einem Keramikdielektrikum handelt, liegt der Fehler der Umwandlungslinearität in der Größenordnung von 0,1 %, bei einem Polystyrol- und Polypropylen-Dielektrikum bei 0,01 bzw. 0,001 %. Die Kondensatoren K73-17 (0,22 uF bei 63 V, Abmessungen 12 x 10 x 6 mm) können als Kompromisslösung bei der Wahl zwischen Genauigkeit und minimalen Designabmessungen angesehen werden. Daher wurde der Integratorkondensator (auf dem Steckbrett und im Minivoltmeter) vom Typ K73-17 gewählt, der Null-Autokorrekturkondensator war K73-30 (die Abmessungen von K73-30, K73-39, K73-24V). sind kleiner als die von K73-17) und C2 -K73 -17. Für den ADC mit Niederspannungsversorgung wurde eine externe Referenzspannungsquelle REF1004-1.2 (Burr-Broun/TI) in einem SOIC-8-Gehäuse verwendet. Seine Nennspannung beträgt 1,235 V, der minimale Betriebsstrom beträgt 10 µA. Sie können Mikroschaltungen LM285 / LM385Z-1.2 (NSC, LT, Motorola, Telcom) im TO-92-Gehäuse mit einer Nennspannung von 1,235 V und einem minimalen Betriebsstrom von 10 μA sowie LM4041-1.2 oder AO1580 (50) verwenden μA, 1,225 V) [13] . Als Leistungssteuerelement wurde ein Spannungsabfalldetektor – KR1171SP42 im TO-92-Gehäuse [14] verwendet. Anhand der Richtangaben aus der Tabelle zur minimalen Versorgungsspannung +Uup min können Sie einen Detektor mit der gewünschten Ansprechspannung für einen bestimmten ADC-Typ auswählen. Die genaue Auswahl der Schwellenspannung erhöht die Effizienz der Batterienutzung. In einem solchen Design können Sie jeden Versorgungsspannungsdetektor mit einem Ausgangstyp verwenden – Open Collector (Open Drain) oder CMOS Push-Pull (CMOS) und einem aktiven niedrigen Logikpegel. Hier sind einige der häufigsten Typen (die meisten in SOT-23-Gehäusen): MCP120, MCP809(M), TCM809, TC54VN, TC12xx (Microchip), ADM809(L,M) (ADI), MC34xxx (Motorola), MAX809M (MAXIM). ) usw. Wenn entschieden wird, dass für den digitalen Teil des ADC keine stabilisierte Stromversorgung erforderlich ist, besteht der nächste, ganz logische Schritt darin, den internen Regler durch die Installation eines Jumpers auf XP2 auszuschließen (siehe Abb. 1 in [12]). Dadurch erhöht sich die Spannung zwischen positivem Strom-Pin 1 und Pin 37 (TEST) um etwa 1 V für den ICL7136 und 1,5 V für die anderen Typen. Die Installation des Jumpers hat keinen Einfluss auf die Funktion des Analogteils, was im Layout an getesteten Mikroschaltungen überprüft wurde. Während der Charakterisierung wurde kein Jumper verwendet. Dies kann bei einem „ausgefallenen“ Quarzresonator erforderlich sein, wenn der interne Oszillator nicht gut startet oder wenn ein Indikator eine hohe Versorgungsspannung benötigt. Wenn es also in einem Amateur- oder Industriedesign erforderlich ist, eine Mikroschaltung der ICL71x6-Familie mit einer Versorgungsspannung von 5 ... 6 V zu verwenden, können Sie angesichts der Versorgungsspannungsspanne einen ADC ohne Polaritätswandler verwenden. Literatur
Autor: O. Fedorov, Moskau
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