В связи с возникающим интересом многих радиолюбителей конструкторов к изготовлению различных конструкций на микросхемах АЦП и описанием в литературе различных конструкций мини-вольтметров на микросхеме МАХ130 и была написана данная статья. Данная микросхема является микромощным аналогом микросхем АЦП семейства ICL7106, к которому также принадлежит и микросхема КР572ПВ5 отечественного производства. Радиолюбителям-конструкторам будет интересна более подробная информация о возможности работы АЦП этого семейства при пониженном напряжении питания.
В литературе неоднократно были рассмотрены различные устройства и применение интегрирующего АЦП КР572ПВ5 [1—6] с выводом информации на жидкокристаллический индикатор на 31/2 десятичных разряда, иногда упоминался ее импортный аналог ICL7106. Семейство это, на самом деле, более обширное [1, 6—11].
Микросхемы ICL7106 производит фирма Harris (Intersil). Фирма Maxim также выпускает микросхемы с маркировкой ICL7106 и ее микромощный вариант МАХ130, а также ICL7136 и ее улучшенный вариант МАХ131. Упомянутая в [1] микросхема ICL7126 — микромощный аналог 7106. ICL7136 фирмы Harris — микромощный аналог 7106 и заменяет ICL7126.
Микросхема КР572ПВ5 производится предприятием “Микрон” (г. Зеленоград); АЦП КР1175ПВ5 выпускается ПО “Сапфир”. Существуют модификации микросхемы 7106 с режимом “Hold” — это 572ПВ8 (аналог ICL7116), 572ПВ10 (производства “Альфа” или “Микрон”) [1].
Микросхемы семейства полностью совпадают по цоколевке (для корпуса DIP-40) и схемам включения, но имеют некоторые схемотехнические особенности, которые приводят к различию в характеристиках (напряжение питания, ток потребления, шумы, стабильность). Для всех микросхем фирмы Maxim (и в ICL7136 Harris) во временной диаграмме работы (см. [11]) появилась четвертая фаза — коррекция нуля интегратора, что позволяет быстрее восстановить работоспособность АЦП после перегрузки (overrange recovery); в микросхемах МАХ130/131 ошибка (rollover error) — менее единицы младшего разряда.
Отличительной особенностью микросхем МАХ130/131/138 можно назвать их внутренний источник образцового напряжения (ИОН), где использован эффект, связанный с шириной запрещенной зоны для кремния (Bandgap) [9]. Это дает более высокую температурную стабильность при более низком уровне шума в сравнении с ИОН на основе стабилитрона. Наличие такого ИОН позволяет расширить допустимый диапазон напряжения питания микросхем МАХ13х до 4,5....14 В. Микросхема МАХ138 отличается также встроенным инвертором питания, который из внешнего однополярного питания делает внутреннее двухполярное.
В типовых схемах применения микросхем АЦП указанных серий номиналы элементов несколько отличаются. Подробности можно уточнить в документации фирм-производителей. В [1] на с. 222—224 представлены таблицы отличий в параметрах этих микросхем и рекомендуемых номиналов элементов. АЦП (ICL7107 и ее аналоги), предназначенные для работы со светодиодными индикаторами, автором не исследовались, но упомянуть о них необходимо. В фирменной документации на различные типы микросхем этого семейства рассмотрен конкретный пример питания ICL7107 от “однополярного” источника +5 В.
Для микросхемы ICL7107 (КР572ПВ2) номинальным считается двухполярное питание ±5В со средней точкой, подключаемой к соответствующему выводу микросхемы — GND (вывод 21). В результате такого подключения напряжение питания цифровой секции АЦП оказывается фиксированным, независимо от общего напряжения питания.
В АЦП ICL7106 при напряжениях питания менее 6,8В напряжение питания цифровой части не стабилизировано, поскольку не действует внутренний стабилизатор. Аналоговые секции, как и стабилизаторы напряжения микросхем ICL7106 и ICL7107, одинаковы, из чего следует, что условия питания цифровой секции АЦП — это единственная причина, по которой фирмы-изготовители не допускают применение ICL7106 при пониженном напряжении.
Причины стабилизации питания для цифровой логики можно найти в нестабильности частоты RC-генератора, которая не влияет на процесс измерения только в ограниченных пределах, а также в некоторых ограничениях по напряжению питания ЖКИ. Вопрос стабильности частоты можно решить, применив кварцевый резонатор, а современные ЖКИ нормально работают при амплитуде напряжения на сегментах не менее 3В. Таким образом, нет причин, по которым нельзя попробовать использовать ICL7106 при пониженном напряжении питания.
Рассмотрим вариант вольтметра с АЦП, в котором напряжение входного сигнала не превышает 200 мВ (см. рис. 1 в [12] — схема миниатюрного цифрового вольтметра). Только внешний ИОН и переключатель пределов измерения отличают это устройство от обычного мультиметра. С макетом вольтметра (без делителя) и были проведены испытания АЦП. Такой АЦП с индикатором имеет хорошую повторяемость, работоспособен с любой из перечисленных типов микросхем рассматриваемого семейства.
В макете было проверено 20 микросхем АЦП семи различных типов и производителей. Результаты испытаний сведены в таблицу 1.
1
С внутренним генератором.
2
Iпотр — усредненный ток потребления при напряжении питания 9 и 4,5 В.
3
Фактические показания 1000 либо 999 с равной вероятностью.
Некоторые комментарии к результатам измерений параметров микросхем изложены ниже. Напряжение питания Uпит min соответствует значению, при котором показания индикатора изменяются не более чем на единицу младшего разряда (е.м.р.). Величина Uref (внутр.) — образцовое напряжение между выводом 1 питания и выводом 32 (COMMON) при напряжении питания больше Uст min (аналог.), т. е. с внутренними стабилизаторами микросхемы. При этом внутренний ИОН нагружен током питания внешнего ИОН около 105 мкА.
Параметр Uст min (аналог, цифр.) — минимальные напряжения питания микросхемы, при которых включаются внутренние стабилизаторы напряжения соответственно аналоговой и цифровой секции АЦП.
Rинт min — минимальное сопротивление Rинт = R9, при котором АЦП сохраняет линейность одновременно при минимальном напряжении питания (Uпит min) и максимальном напряжении на входе АЦП любой полярности. Практическая польза от приведенных значений может быть такой: для выбранного типа АЦП можно найти в таблице соответствующее сопротивление Rинт min и, увеличив его на 20...30 %, использовать полученное значение в конкретной конструкции. При этом частота генератора должна быть не менее 32,768 кГц, а емкость Синт = С6 = 0,22 мкФ должна иметь допуск не более 5 %.
В колонке “Погрешность” отмечена разница показаний в конечных точках шкалы при положительном и отрицательном напряжении на входе. Для всех типов АЦП (по паспортным данным) параметр должен быть меньше единицы младшего разряда.
В последней колонке приведены экспериментальные данные о показаниях индикатора при подключении +Uвх АЦП к точке +Uref (левый по схеме вывод резистора R8 нужно соединить с верхним выводом R5). Этот параметр — весьма важный обобщенный показатель правильности функционирования и качества работы АЦП. В соответствии с внутренней структурой микросхемы текущие показания АЦП выражаются числом, равным 1000Uвх/Uион - Казалось бы, при равенстве этих напряжений индикатор должен всегда точно и стабильно показывать 1000. Однако даже в документации указано, что допустимыми считаются показания 1000 или 999.
Для стабилизации частоты встроенного генератора АЦП использован обычный часовой кварцевый резонатор на частоту 32,768 кГц. Попытка подключить кварцевый резонатор для часов по типовой схеме (к выводам 39 и 40 АЦП) оказалась неудачной. Некоторые сочетания пар микросхема — кварц не работают даже при номинальном напряжении питания 9 В. В результате экспериментов появился нестандартный вариант подключения. По сути, это типовой RC-генера-тор, в котором перемычка между выводами 39 и 40 заменена кварцевым резонатором.
Частотозадающее сопротивление Rgen (на рис. 1 в [12] это R2 — 30 кОм) существенно меньше, чем рекомендуется в документации [7, 8] — 100 кОм для ICL7106 или 180 кОм для ICL7136. Экспериментально установлено, что подобный генератор запускается и стабильно работает на частоте кварца только в том случае, если исходный RC-генератор (с замкнутым кварцем) при нижнем пределе напряжения питания имеет собственную частоту выше частоты кварцевого резонатора. При снижении напряжения питания микросхемы и соответствующем уменьшении напряжения питания RC-генератора его частота уменьшается.
Поведение RC-генератора у разных типов АЦП различно. Испытанная микросхема КР572ПВ5 с указанными номиналами элементов устойчиво работала при напряжении питания выше 4,2 В: выключался генератор при напряжении около 3,3...3,5В,а с кварцем генератор запускался и при 4 В. У микросхемы МАХ130 напряжения включения и выключения RC-генератора соответственно находились в интервалах 3,2...3,5 и 2...2,3 В. RC-генератор микросхемы ICL7136 продолжал работать и при напряжении питания 1,5.. 1,8 В (Fgen = 2,5...3 кГц)!
В макете нормально работали практически все часовые кварцы, имевшиеся в распоряжении автора, при изменении напряжения питания в интервале 4...9,5В для микросхем АЦП, перечисленных в таблице 1.
Для подавления помех с частотами, кратными 50 Гц, частота генератора (Fgen) должна быть такой, чтобы за время интегрирования (4000 периодов Т тактового генератора) укладывалось целое число К периодов (20 мс) сетевого напряжения [2]. Иначе говоря, Fgen = 1/Т = 200/К, кГц, т. е. 200, 100, 67 кГц и т. д. Для лучшего подавления помехи с частотой сети выбранное значение частоты 32,768 кГц не идеально, но и не сильно отличается от ближайшей расчетной частоты: 200/6 = 33,333 кГц.
В фирменной документации [7, 11] и статьях о применении АЦП IСL71хх рекомендуется использовать конденсаторы с низким значением коэффициента абсорбции в диэлектрике. Обычно дополнительных комментариев не бывает; только указаны конкретные значения: если Синт — конденсатор с керамическим диэлектриком, погрешность линейности преобразования имеет порядок 0,1 %, а с полистирольным и полипропиленовым диэлектриком — соответственно 0,01 и 0,001 %.
Конденсаторы К73-17 (0,22 мкФ на 63В, размеры 12 x 10 x 6 мм) можно считать неким компромиссным решением при выборе между точностью и минимальными габаритами конструкции. Поэтому конденсатор интегратора (на макете и в мини-вольтметре) выбран типа К73-17, конденсатор автокоррекции нуля — К73-30 (размеры К73-30, К73-39, К73-24В меньше, чем у К73-17), аС2-К73-17.
Для АЦП при низковольтном питании применен внешний источник образцового напряжения REF1004-1.2 (Burr-Broun/TI) в корпусе SOIC-8. Его номинальное напряжение — 1,235В, минимальный рабочий ток — 10 мкА. Можно использовать микросхемы LM285/LM385Z-1.2 (NSC, LT, Motorola, Telcom) в корпусе ТО-92 с номинальным напряжением 1,235В и минимальным рабочим током 10 мкА, а также LM4041-1.2 либоАР1580(50мкА, 1,225 В) [13].
В качестве элемента контроля питания использован детектор понижения напряжения — КР1171СП42 в корпусе ТО-92 [14]. Пользуясь ориентировочными сведениями из таблицы о минимальном напряжении питания +ипИтт1п. можно подобрать детектор с нужным напряжением срабатывания для конкретного типа АЦП. Точный подбор порогового напряжения увеличивает эффективность использования батареи питания.
В подобной конструкции можно использовать любой детектор напряжения питания с типом выхода — открытый коллектор (открытый сток) или CMOS push-pull (КМОП) и активный низкий логический уровень. Вот некоторые из распространенных типов (большая часть в корпусе SOT-23): MCP120, МСР809(М), ТСМ809, TC54VNxx, TC12xx (Microchip), ADM809(L,M) (ADI), MC34xxx (Motorola), MAX809M (MAXIM) и пр.
Если решено, что стабилизированное питание для цифровой секции АЦП не требуется, следующий, вполне логичный шаг — исключить внутренний стабилизатор, установив перемычку на ХР2 (см. рис. 1 в [12]). Это увеличивает напряжение между выводом 1 питания плюсовой полярности и выводом 37 (TEST) приблизительно на 1В для ICL7136 и на 1,5В для остальных типов.
Никакого воздействия на работу аналоговой части установка перемычки не оказывает, что было проверено в макете на испытанных микросхемах. В процессе снятия характеристик перемычка не использовалась. Она может понадобиться в случае “неудачного” кварцевого резонатора, если внутренний генератор плохо запускается, либо с индикатором, которому требуется большое напряжение питания.
Итак, если в любительской или промышленной конструкции понадобится использовать микросхему семейства IСL71х6 с напряжением питания 5...6В, то, учитывая запас по напряжению питания, можно использовать АЦП без преобразователей полярности.
О. Фёдоров
Литература:
1. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Вып. 1. — М.: ДОДЭКА, 1996.
2. Бирюков С. Применение АЦП КР572ПВ5. - Радио, 1998, № 8, с. 62-65.
3. Бирюков С. Цифровой измеритель RCL — Радио, 1996, № 3, с. 38—41; № 7, с. 62; 1997, №7, с. 32.
4. Цибин В. Цифровой термометр. — Радио, 1996, № 10, с. 40; 1997, № 4, с. 56; 1998, № 1,с. 50.
5. Сектор электронных компонентов. Россия — 2000. — М.: ДОДЭКА, 2000.
6. Специализированные микросхемы для цифровых мультиметров. — Компоненты и технологии, 2001, № 2, с. 26.
7. Harris Semiconductor. ICL7106, —3,5 Digit LCD/LED Display A/D Converter. File Number 3082. Harris Corporation, 1993.
8. Harris Semiconductor. ICL7136, ICL7137 — 3,5 Digit LCD/LED Low Power Display A/D Converter with Overrage Recovery. File Number 3086. Harris Corporation, 1993.
9. MAX130/MAX131 - 3.5 Digit A/D Converters with Bandgap Reference. — Maxim CD Full-Line Data Catalog. 2000 Edition, Version 4.0 \ products\pdf1\1288.pdf.
10.MAX138/MAX139/MAX140 31/2-Digit ADC with Reference, Charge-Pump and Direct LED Drivers — Maxim CD Full-Line Data Catalog. 2000 Edition, Version 4.0 \ products\pdf1\1292.pdf
11. ICL7129A / MAX7129 — 4.5 Digit Single-Chip A/D Converter with LCD Driver. — Maxim CD Full-Line Data Catalog. 2000 Edition, Version 4.0\products\pdf1\1495.pdf.
12. Федоров О. Цифровой мини-вольтметр с ЖКИ. — Радио, 2002, № 11, с. 24—26.
13. Analog Devices Designers' Reference Manual CD 2001 Edition, Rev. E1 — www.analog.com.
14.Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. — М.: ДОДЭКА, 1998.
