12位双积分AD转换器ICL7109

ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。

一、ICL7109的内部结构与芯片引脚功能

1、ICL7109的内部电路结构

ICL7109的内部电路有模拟电路和数字电路部分组成。模拟电路部分由模拟信号输入

振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成。

下图为数字电路部分的结构。他由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以及计数器、锁存器、三态门组成。 高位字节输出引脚 低位字节输出引脚 17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ICL7109 18 16位三态输出 16 20 14位锁存器模拟电路部分 12位计数器

电压比较 器输出

振荡器及时钟电路转换控制逻辑握手逻辑

2 26 22 23 24 25 21 27

图1 ICL7109数字电路部分内部结构2、ICL7109的功能引脚

ICL7109为40引脚双列直插式封装，其引脚如图2所示。各引脚功能如下：

GND： 数字地，0V

STATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该引脚发出转换结束信号。

POL： 极性输出，高电平表示ICL7109的输出信号为正。OR： 过程量状态输出，高电平表示过程量

B1~B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位

TEST： 此引脚仅适用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有

位B1~B12输出为高电平。

LBEN： 低电平使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位

字节（B1~B8）输出选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为低位

字节输出。

HBEN： 高字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为高电平时，此信号将作为高位

字节（B8~B12）以及POL，OR输出的辅助选通信号；当MODE位高电

平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。 CE/LOAD：片选端。当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为

低电平时，数据正常输出；当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1~B12，

POL，OR）均处于高阻状态。

MODE： 方式选择。当输出低电平信号时，转换器为直接输出方式。此时，可在片

选和数据使能的控制下直接读取数据。当输出高电平脉冲时，转换器处于

UART方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入

高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。

OSC IN： 振荡器输入OSCOUT：振荡器输出

OSCSEL： 振荡器选择。输出高电平时，采用RC振荡器；输入低电平时采用晶体振 荡器。

BUFOSCOUT：缓冲振荡器输出。

RUN/HOLD：运行/保持输出。输入高电平，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。

当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，

从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。

SEND： 是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能

够接受数据的能力。 V-： 负电源，接—5V。

REFUOT： 基准电压输出，一般为+2，8V BUF： 缓冲器输出

AZ： 自动调零电容Caz连接端。 INT： 积分电容Cint连接端。 COMMON： 公共模拟端 INLO： 差分输入低端。 INHI： 差分输入高端。

REFIN+： 正差分基准输入端。 REFCAP+： 正差分电容连接端。 REFCAP-： 负差分电容连接端。 REFIN-： 负差分基准输入端。 V+： 正电源，接+5V。

二、ICL7109的外部电路连接与元件参数选择

1、 ICL7109的外部电路连接

ICL7109的外部电路连接如图3所示，对其外部电路的应用特征说明如下：

A.电源供给

ICL7109位双电源±5V，引入V+，V—（40，28脚），1端GND为公共接地端。

B.基准电压供给

ICL7109有一个良好的片内基准电压源，由REFOUT端输出（29端），可以使用电

阻分压以获得一个合适的基准电压。一般来说，对模拟输入如果要求满度输出4096个数，则Vin=2Vref，即+2.048V基准电压对应于+4.096满度输出模拟电压；+204.8mv则对应于+409.6V满度输出电压。但在许多应用中，A/D变换器直接与传感器相连，测量的绝对电压输出并不等于标准量程，这时，只要将基准电压等于传感器输出电压的一般即可，而

不必进行分压。在要求零读数而不是零输入时，如温度测量中的补偿，称重中的去皮重等。这时，补偿电压可直接引入，即将传感器的输出端接到模拟输入高端和模拟公共端之间，只需注意极性即可。

基准电压的稳定与否，直接影响转换精度，ICL7109分辨率位1/4096或244ppm。如果片内基准源的温度系数为80ppm/℃，则环境温度变化了3℃就会增加1LSB绝对误差。如果不控制环境温度则建议使用外部基准电压源。

C.模拟信号输入

模拟信号可差分输入，分别接入差分输入高端INHI（35脚）和差分输入低端INLO（34脚）。模拟信号公共端为COMMON（33脚）。

D.时钟电路

ICL7109片内有振动器及时钟电路。片内提供的多功能时钟振动器既可用作RC振荡器，也可作为晶体振荡器。OSCSEL（24端）为振荡器选择。OSCSEL（24端）为高电平或开路时片内为RC振荡器，此时OSCOUT（23端）和BUFOSCOUT（25端）外接电阻、电容到OSCIN（22端），如图4所示；OSCSEL为低电平时，外接振荡晶体，片内为晶体振荡器如图5所示。

接成RC振荡器时，振荡器频率为0﹒45/RC（电容不能小于50PF）。接成晶体振荡器时，内部时钟为58分频后的振荡器频率。

为了使电路具有抗50串模干扰能力。A/D转换时应选择积分时间（2048个时钟数）等于50HZ的整数倍。例如取积分时间为50HZ的1倍，即20MS，则晶体频率F=（2048个时钟周期）ｘ（58/20MS）=5﹒939MHZ；对于RC振荡器，则F=（2048个时钟数）/20ms=102﹒4KHZ。

E﹒接口方式

ICL7109内部有一个14位（12位数据和一个极性，一位溢出）的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无须外部加额外的锁存器。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口方式，另一种是挂钩接口方式。在直接接口方式中，ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的（通用异步接收发送器）数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。

2﹒ICL7109外部电路的参数选择

ICL7109外部电路的连接及元件参数值如图3。 A﹒积分电阻RINT的选择

缓冲放大器和积分器能够提供20UA的推动电流，积分电阻要选得足够大，以保证在输入电压范围的线性。

积分电阻RINT=满度电压/20UA

当输入满度电压=4﹒096V时，RINT=200KΩ，此时基准电压REFIN-和REFIN+之间为+2V，由电阻R2和电位器R1分压取得。如满度电压为方便用户4﹒096MV，则RINT=20KΩ，基准电压=0.2V。RINT接入缓冲放大器输出端BUF（30脚）。

B．积分电容CINT的选择

积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。此电压应使积分器不饱和（大约低于电源0.3V）。对ICL7109的±5V电源。模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为±3.5V至±4V。对不同的时钟频率，电容值也要改变，以保证积分器输出电压的摆幅。

CINT=2048*时钟周期*20UA/积分器输出摆幅

为了使积分器不饱和，积分器输出的摆幅最大为±4V，所以积分器的最小电容为1UF。积分器电容越大，积分器输出摆幅越小，所以，CINT也不应选的过大，如果电路设计时选用不同的时钟频率，则积分电容应根据上面的公式计算，以便选择合适的CINT的值。积分电容CINT接入积分电容连接端INT（32脚）。

C．自动调零电容CAZ的选择

积分电容CINT选定以后，自动调零电容CAZ的选择是非常容易的。在模拟输入信号较小时，如0—409.6MV，这时抑制噪声是主要的。而这时积分电阻又较小，所以，自动调零电容CAZ可选为比积分电容CAZ大一倍，以减少噪声。CAZ的值越小，噪声越小。

对于大部分实际应用系统,由传感器来的微小信号都要经过放大器放大成较大的信号,如0—+4﹒096mV。这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容Cint选大一些以减少复零误差，使Cint=2Caz。

D﹒基准电容Cref的选择

一般情况下Cref取值1uf较好。但如果存在一个大的共模电压（即基准电压低端不是模拟公共点），对于模拟输入为0—+409﹒6MV的情况下，要求电容值较大，以防止滚动误差，在这种情况下，如选Cref=10uf可以使滚动误差在0﹒5以内。

三．ICL7109与8031单片机的硬件接口设计

A/D转换器ICL7109的数据输出形式为12为二进制码，且与微处理器有良好的兼容

特性，所以可以与8031单片机直接相连。硬件接口电路如图6示：

图中将ICL7109的MODE引脚接地。使其工作于直接输出工作方式。将RUN/HOLD

接+5V，这样ICL7109可进行连续转换。将STATUS线与8031的INT0相连，这样每完成一次转换便向8031发一次中断请求。由于采用了3．

85MHZ的晶振，故ICL7109完成一次转换所需的时间为T=8192（脉冲周期）ｘ58/3．85MHZ=132．72ms，即转换速率为7．5次/秒。其中ICL7660是+5V输入—5V输出的电源极性变换器。

图中是利用STATUS的下降沿发中断请求信号，在中断服务程序中12位数据要分两次读出，分别用HBEN，LBEN控制，并能同时得到极性和是否溢出的标志。下面介绍ICL7109连续转换时的转换程序： ORG 0003H LJMP INT0

ORG 2000H ；主程序 ......

SETB IE，0 ；置允许外部中断0 SETB IE，7 ；开中断 ......

INT0：MOV R0 ， #20H ；数据缓冲区首址 MOV DPTR ，#0200H ；使P2，0=0，P2。1=1 MOVX A ，·DPTR ；读低字节 MOV ·R0 ，A ； 存低字节 INC R0 ；指向21H单元

MOV DPTR ，#0100H ；使P2，0=1，P2。1=0 MOVX A ，·DPTR ；读高字节 MOV ·R0 ，A ； 存高字节

RETI

图2 ICL7109的引脚分布

图3 ICL7109的外部电路连接

图4 RC振荡器接法 图5 晶体振荡器接法

图6 ICL7109与8031单片机的硬件接口