ICL7107 Digitale Voltmeter-Schaltung und ADC-Arbeitsweise erklärt

Der ICL7107 ADC mit Displaytreiber ist ein praktischer IC zur Erstellung einfacher und genauer digitaler Messanzeigen. Er kombiniert einen 3½-stelligen Analog-Digital-Wandler, einen LED-Displaytreiber, eine Referenz, einen Takt und einen Decoder in einem Paket, was die Schaltungskomplexität verringert. Anstelle eines separaten ADC, Mikrocontrollers und Displaytreibers kann der ICL7107 eine analoge Spannung direkt umwandeln und das Ergebnis auf einem sieben-segmentigen LED-Display anzeigen.

Katalog

ICL7107 ADC mit Displaytreiber Übersicht

Der ICL7107 ist ein leistungsstarker, stromsparender 3½-stelliger A/D-Wandler mit integriertem Sieben-Segment-Decoder, Displaytreiber, Referenz und Takt. Er wurde entwickelt, um Instrumenten-LED-Displays direkt anzusteuern, was ihn zu einer praktischen Lösung für digitale Messdesigns macht. Er bietet hohe Genauigkeit, Auto-Zero-Korrektur unter 10 µV, niedrigen Drift unter 1 µV/°C, Eingangs-Biasstrom von maximal 10 pA und Roll-over-Fehler unter einem Zähler. Sein echter differentieller Eingang und die Referenz helfen, die Messstabilität zu verbessern und häufige Signalfehler zu reduzieren.

ICL7107 Alternativen & Äquivalente Modelle

• ICL7106

• ICL7126

• ICL7129

• MAX1496

• TC7107A

• TC7106A

• CA3162E

• CA3161E

ICL7107 Pinbelegung Details

Pin Nr.	Pin Name	Beschreibung
1	V+	Positive Versorgungsspannungseingang für den IC.
2	D1	Steuert Segment D der Anzeige für die Einheit.
3	C1	Steuert Segment C der Anzeige für die Einheit.
4	B1	Steuert Segment B der Anzeige für die Einheit.
5	A1	Steuert Segment A der Anzeige für die Einheit.
6	F1	Steuert Segment F der Anzeige für die Einheit.
7	G1	Steuert Segment G der Anzeige für die Einheit.
8	E1	Steuert Segment E der Anzeige für die Einheit.
9	D2	Steuert Segment D der Anzeige für die Zehner.
10	C2	Steuert Segment C der Anzeige für die Zehner.
11	B2	Steuert Segment B der Anzeige für die Zehner.
12	A2	Steuert Segment A der Anzeige für die Zehner.
13	F2	Steuert das Segment F der Ziffernanzeige der Zehner.
14	E2	Steuert das Segment E der Ziffernanzeige der Zehner.
15	D3	Steuert das Segment D der Ziffernanzeige der Hunderter.
16	B3	Steuert das Segment B der Ziffernanzeige der Hunderter.
17	F3	Steuert das Segment F der Ziffernanzeige der Hunderter.
18	E3	Steuert das Segment E der Ziffernanzeige der Hunderter.
19	AB4	Steuert die am meisten signifikante Ziffer (1 oder Minuszeichen).
20	POL	Polaritätsausgang zur Anzeige negativer Messungen.
21	BP/GND	LED-Anzeige Rück- oder Erdungsverbindung.
22	G3	Steuert das Segment G der Ziffernanzeige der Hunderter.
23	A3	Steuert das Segment A der Ziffernanzeige der Hunderter.
24	C3	Steuert das Segment C der Ziffernanzeige der Hunderter.
25	G2 (10er)	Steuert das Segment G der Ziffernanzeige der Zehner.
26	V−	Negative Leistung Eingangsversorgung.
27	INT	Integrator Ausgang, der im Dual-Slope-Konvertierungsprozess verwendet wird.
28	BUFF	Interner Puffer- Verstärker-Ausgang.
29	A-Z	Auto-Zero Kondensatorverbindung.
30	IN LO	Niederspannungs- Analog-Eingang.
31	IN HI	Hochspannungs- Analog-Eingang.
32	COMMON	Analoger gemeinsamer Referenzpunkt.
33	CREF−	Negativer Referenzkondensatorterminal.
34	CREF+	Positiver Referenzkondensatorterminal.
35	REF LO	Niedrige Referenz- Spannungseingabe.
36	REF HI	Hohe Referenz- Spannungseingabe.
37	TEST	Test-Pin, der für Anzeigeprüfungen und Diagnosen verwendet wird.
38	OSC 3	Oszillator- Verbindung zur Taktgenerierung.
39	OSC 2	Oszillator- Verbindung zur Taktgenerierung.
40	OSC 1	Oszillator- Verbindung zur Taktgenerierung.

ICL7107 Merkmale und Spezifikationen

Kategorie	Spezifikation
Gerä tetyp	3½-digit Analog-Digital-Wandler (ADC) mit integriertem LED-Displaytreiber
ADC-Auflösung	2000 Zählungen (3½ Ziffern)
Anzeige- Schnittstelle	Direkter LED- Sieben-Segment-Antrieb
Anzeige- Fähigkeit	±1999 Zählung Anzeigebereich
Umwandlungs- Methode	Dual-Slope- Integrations-ADC
Auto-Zero- Leistung	Garantierte Null- Ablesung bei 0 V Eingangs auf allen Skalen
Null-Drift	Weniger als 1 µV/°C
Eingangsoffset- Spannung	Auto-Zero auf weniger als 10 µV
Eingangs-Bias- Strom	1 pA typischerweise, 10 pA maximal
Eingangs- Konfiguration	Wahrer differentieller Eingang
Referenz- Konfiguration	Wahre differentielle Referenz
Eingangrauschen	Typischerweise weniger als 15 µV Spitze-Spitze
Polaritäts- Erkennung	Wahre Polaritäts- Anzeige bei Nulldurchgang
Referenzquelle	On-Chip- Referenz
Taktquelle	On-Chip-Takt mit externem Oszillator-Adjustment
Oszillator-Pins	OSC1, OSC2, OSC3
Anzeige-Treiber	Integrierter Sieben-Segment-Decodierer und LED-Treiber
Zusätzliche aktive Komponenten erforderlich	Keine
Anzeige- Stabilität	Verbesserte Anzeige- Stabilität mit Auto-Zero-Betrieb
Leistungs- Verlust	Typischerweise weniger als 10 mW
Versorgungsspannung (V+ bis V−)	Bis zu 15 V
Versorgungsspannung (V+ bis GND)	Bis zu 6 V
Versorgungsspannung (V− bis GND)	Bis zu −9 V
Analoger Eingang- Spannungsbereich	V+ bis V−
Referenz-Eingang- Spannungsbereich	V+ bis V−
Betriebs- Anzeigetyp	Instrumentengröße LED-Anzeige
Kalibrierung- Unterstützung	Externe Referenzeinstellung verfügbar
Testfunktion	Dedizierter TEST- Pin zur Anzeigeverifizierung
Gehäuseoptionen	PDIP, MQFP
Thermischer Widerstand (PDIP)	50 °C/W (typisch)
Thermischer Widerstand (MQFP)	75 °C/W (typisch)
Maximale Verbindung- Temperatur	+150 °C
Lager- Temperaturbereich	−65 °C bis +150 °C
RoHS-Konformität	Blei-frei (RoHS konform)

Wie man ein digitales Panelmeter mit ICL7107 baut

Der oben gezeigte Schaltkreis demonstriert ein typisches Design für digitale Panelmeter, das auf dem ICL7107 basiert. Dieses integrierte Schaltkreis kombiniert einen 3½-stelligen Analog-Digital-Wandler und einen direkten LED-Displaytreiber, wodurch eine gemessene analoge Spannung konvertiert und angezeigt werden kann, ohne einen separaten Mikrocontroller oder Displaycontroller zu benötigen. Der Schaltkreis ist für einen Vollbereich von 200 mV konfiguriert, was ihn für Anwendungen zur präzisen Spannungsmessung geeignet macht.

Das Eingangssignal wird an die IN HI- und IN LO-Pins des ICL7107 angelegt. Der Wandler vergleicht kontinuierlich die Eingangsspannung mit einer internen Referenzspannung, die über die REF HI- und REF LO-Pins erzeugt wird. Die Genauigkeit der angezeigten Ablesung hängt stark von der Stabilität dieser Referenzspannung ab. In diesem Schaltkreis helfen Widerstände und Kondensatoren, die an den Referenzpins angeschlossen sind, eine stabile Messbasis zu schaffen und die Konsistenz der Ablesungen zu verbessern.

Mehrere externe Kondensatoren werden verwendet, um den Dual-Slope-Umwandlungsprozess des ICL7107 zu unterstützen. Der Auto-Zero-Kondensator, der Referenzkondensator und der Integrator-Kondensator arbeiten zusammen, um Offset-Fehler zu minimieren, das Rauschen zu reduzieren und die Messgenauigkeit zu verbessern. Diese Dual-Slope-Umwandlungstechnik bietet ausgezeichnete Rauschunterdrückung, insbesondere gegen Störungen durch das Stromnetz, was hilft, stabile und zuverlässige Ablesungen aufrechtzuerhalten.

Das Oszillatorkreis, das durch den Widerstand R3 und den Kondensator C4 gebildet wird, bestimmt die Umwandlungszeit des ADC. Der Oszillator steuert, wie schnell der Wandler Messzyklen durchführt und das Display aktualisiert. Die richtigen Werte der Oszillatorbauteile sind wichtig, da sie die Geschwindigkeit der Umwandlung und die Stabilität des Displays direkt beeinflussen.

Das LED-Display ist direkt mit den Segmenttreiberausgängen des ICL7107 verbunden. Im Gegensatz zu vielen ADCs, die zusätzliche Displayansteuerungsschaltung benötigen, kann der ICL7107 Instrumentengröße Sieben-Segment-LED-Displays direkt ansteuern. Der IC decodiert automatisch den gemessenen Wert und aktualisiert das Display, wodurch die Bauteilanzahl reduziert und das Schaltkreisdesign vereinfacht wird.

Um Spannungen über 200 mV zu messen, müssen zusätzliche Eingangs-Skalierungskomponenten, wie Widerstandsdivider-Netzwerke, zur Eingangs-Stufe hinzugefügt werden. Dadurch kann das Panelmeter höhere Spannungsbereiche anzeigen, während der ADC-Eingang innerhalb seiner spezifizierten Messgrenzen bleibt. Eine sorgfältige Kalibrierung der Referenzspannung und des Eingangs-Skalierungsnetzwerks sorgt für genaue Ablesungen im gewählten Messbereich.

ICL7107 Überbereichs- und Unterbereichserkennungsschaltung

Dieser Schaltkreis zeigt, wie der ICL7107 verwendet werden kann, um Überbereichs- (O/RANGE) und Unterbereichs- (U/RANGE) Signale zu erzeugen, wenn die gemessene Eingangsspannung den gewählten Messbereich überschreitet oder darunter liegt. Diese Signale helfen externen Steuersystemen zu erkennen, wann eine Ablesung außerhalb des gültigen Anzeigebereichs liegt.

Der Schaltkreis überwacht spezifische Anzeigeausgänge des ICL7107 und verarbeitet sie durch einen LM339-Komparator und Logikgatter. Wenn der gemessene Wert die maximal anzeigbare Anzahl überschreitet, wird der Überbereichsausgang aktiv. Ebenso wird der Unterbereichsausgang aktiviert, wenn der Eingang unter den messbaren Bereich fällt.

Diese Funktion ist nützlich, um Bereichsüberwachung, Warnanzeigen oder automatische Bereichswahl-Funktionen in digitalen Messsystemen hinzuzufügen. Sie ermöglicht es dem ICL7107, nicht nur eine numerische Anzeige bereitzustellen, sondern auch Statussignale, die anzeigen, ob die Messung innerhalb des gewünschten Betriebsbereichs bleibt.

ICL7107 Anwendungsbeispiele in der Praxis

Digitale Voltmeter

Der ICL7107 wird hauptsächlich in digitalen Voltmetern eingesetzt, da er eine analoge Spannung mit nur wenigen externen Komponenten in eine klare 3½-stellige LED-Anzeige umwandeln kann.

Digitale Amperemeter

Der ICL7107 kann Strom indirekt messen, indem er die kleine Spannung über einem Shunt-Widerstand liest. Dies macht ihn nützlich für Stromanzeigen in Energie- und Ladegeräten.

Panelmeter

Der IC eignet sich für kompakte Panelmeter, bei denen eine einfache numerische Anzeige für Spannung, Strom, Temperatur, Druck oder andere umgewandelte Sensorsignale benötigt wird.

Stromversorgungsanzeigen

In einstellbaren oder geregelten Stromversorgungen kann der ICL7107 die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom direkt auf einem LED-Display anzeigen, was den Benutzern hilft, Einstellungen schnell zu überprüfen.

Batterieanzeiger

Das Gerät kann verwendet werden, um die Batteriespannung anzuzeigen, was die Überwachung des Ladezustands in Ladegeräten, Notstromsystemen und tragbaren Geräten erleichtert.

Industrielle Überwachungsgeräte

Der ICL7107 kann skalierte analoge Signale von Sensoren oder Steuerungsschaltungen anzeigen, insbesondere wenn eine einfache, aber stabile lokale Anzeige benötigt wird.

Vergleich: ICL7107 vs ICL7106

Funktion	ICL7107	ICL7106
Anzeigetype	LED-Anzeige	LCD-Anzeige
Anzeigetreiber	Integrierter LED-Treiber	Integrierter LCD-Treiber
Energieverbrauch	Höher aufgrund des LED-Anzeigestroms	Sehr niedrig aufgrund des LCD-Betriebs
Versorgungsanforderung	Benötigt typischerweise einen Dualbetrieb	Kann mit einer einzelnen 9V-Batterie betrieben werden
Anzeigehelligkeit	Hell und gut lesbar bei schlechten Lichtverhältnissen	Hängt von Umgebungslicht oder Hintergrundbeleuchtung ab
Betrachtungsabstand	Besser für die Fernsicht	Besser für die Nahsicht
Batteriegespeiste Anwendungen	Weniger geeignet wegen des höheren Energieverbrauchs	Sehr geeignet wegen des niedrigen Energieverbrauchs
Externer Anzeigetreiber benötigt	Nein	Nein
ADC-Auflösung	3½ Stellen (2000 Zählungen)	3½ Stellen (2000 Zählungen)
Umwandlungsart	Dual-Slope ADC	Dual-Slope ADC
Auto-Zero-Funktion	Ja	Ja
Differenzieller Eingang	Ja	Ja
Differenzieller Referenzwert	Ja	Ja
Messgenauigkeit	Hoch	Hoch
Typischer Instrumententyp	LED-Paneel-Messgeräte	LCD-Paneel-Messgeräte
Am besten geeignet für	Industrielle Anzeigen und sichtbare Paneel-Messgeräte	Tragbare und batteriebetriebene Instrumente
Hauptvorteil	Direkte LED-Ansteuerung mit hervorragender Sichtbarkeit	Extrem niedriger Energieverbrauch
Hauptbeschränkung	Höherer Energieverbrauch	LCD-Sichtbarkeit kann bei schlechten Lichtverhältnissen eingeschränkt sein

ICL7107 vs Moderne Mikrocontroller-ADC-Lösungen

Funktion	ICL7107	Moderne Mikrocontroller-ADC-Lösungen
Gerätetyp	Dedizierter ADC mit LED-Anzeigetreiber	Mikrocontroller mit integriertem ADC
ADC-Auflösung	3½ Stellen (2000 Zählungen)	Typischerweise 10-Bit bis 16-Bit oder höher
Anzeigunterstützung	Direkte LED-Anzeigeansteuerung	Benötigt externe Anzeigeoberfläche oder Softwaresteuerung
Programmierung erforderlich	Nein	Ja
Schaltungs-Komplexität	Einfach	Mäßig bis hoch
Bauteilanzahl	Niedrig	Höher, abhängig von der Anzeige und Peripherie
Messflexibilität	Feste Messfunktionen	Hoch konfigurierbar über Firmware
Datenverarbeitung	Beschränkt auf Messanzeige	Fortgeschrittene Verarbeitung, Filterung und Berechnungen
Kommunikationsschnittstellen	Keine	UART, I²C, SPI, USB, CAN, Ethernet und mehr
Datenprotokollierungsfähigkeit	Nein	Ja
Drahtlose Konnektivität	Nein	Verfügbar über Wi-Fi, Bluetooth, LoRa usw.
Kalibrierungsoptionen	Hardwarebasiert	Hardware- und Softwarebasiert
Benutzeroberflächenoptionen	Nur LED-Anzeige	LCD, OLED, TFT, Touchscreen, Weboberfläche und mehr
Messgenauigkeit	Gut für grundlegende Messaufgaben	Hängt von der ADC-Qualität und dem Systemdesign ab
Aktualisierung und Anpassung	Hardwaremodifikationen erforderlich	Firmware-Updates können neue Funktionen hinzufügen
Entwicklungszeit	Schneller für einfache Messgeräte	Länger aufgrund der Softwareentwicklung
Kosten für einfaches Messgerät	Niedriger	Üblicherweise höher
Energieverbrauch	Mäßig aufgrund der LED-Anzeige	Variiert je nach Mikrocontroller und Anzeige
Bester Anwendungsfall	Einfache digitale Paneelmessgeräte und Voltmeter	Smart-Messung, Überwachung und verbundene Geräte

ICL7107 Mechanische Abmessungen

Schlussfolgerung

Der ICL7107 kombiniert ADC-Umwandlung und LED-Anzeigensteuerung in einem IC. Er vereinfacht den Entwurfsprozess, reduziert den Bedarf an zusätzlichen Anzeigekomponenten und liefert stabile 3½-stellige Werte, wenn die Schaltung ordnungsgemäß kalibriert ist. Der ICL7107 eignet sich jedoch am besten für einfache anzeige-basierte Messsysteme. Wenn ein Projekt Datenprotokollierung, drahtlose Kommunikation, Softwareverarbeitung oder erweiterte Benutzeroberflächen benötigt, kann ein moderner mikrocontrollerbasierter ADC eine bessere Option sein.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Warum verwendet der ICL7107 einen Dual-Slope-ADC anstelle einer schnelleren Umwandlungsmethode?

Der Dual-Slope-ADC bietet hervorragende Genauigkeit und Rauschunterdrückung, insbesondere gegen 50 Hz und 60 Hz Netzstörungen. Dies macht die angezeigten Werte stabiler als bei vielen einfachen ADC-Designs.

2. Was begrenzt den Messbereich eines auf ICL7107 basierenden Voltmeters?

Der Messbereich wird hauptsächlich durch die Referenzspannung und das Eingangs-Skalierungsnetzwerk bestimmt. Widerstands-Teiler können hinzugefügt werden, um Spannungen, die deutlich höher als der direkte Eingangsbereich des IC sind, sicher zu messen.

3. Wie verbessert die Auto-Null-Funktion die Messgenauigkeit?

Der Auto-Null-Schaltkreis kompensiert kontinuierlich interne Offsetspannungen und Abdrift. Dies hilft, genaue Messwerte aufrechtzuerhalten, selbst wenn sich Temperatur oder Betriebsbedingungen ändern.

4. Warum ist eine stabile Referenzspannung wichtig für den ICL7107?

Der ADC vergleicht das Eingangssignal mit der Referenzspannung. Jede Fluktuation in der Referenz hat direkte Auswirkungen auf den angezeigten Wert, wodurch die Stabilität der Referenz für die Messgenauigkeit entscheidend ist.

5. Kann der ICL7107 Wechselspannung direkt messen?

Nein. Der ICL7107 ist für Gleichstrommessungen ausgelegt. Wechselspannungssignale müssen zuerst mit einem Gleichrichter und einem Filterkreis in eine proportionale Gleichspannung umgewandelt werden, bevor sie gemessen werden.

6. Was verursacht instabile oder flackernde Anzeigen auf einem ICL7107-Display?

Häufige Ursachen sind elektrische Störungen, schlechte Erdung, instabile Stromversorgungen, falsche Kapazitätswerte oder ein unsachgemäßer PCB-Layout rund um die analogen Eingangs- und Bezugsschaltungen.

7. Wie zeigt der ICL7107 negative Spannungen an?

Der IC verfügt über einen Polaritätsausgang, der automatisch das Minuszeichen aktiviert, wenn die Eingangsspannungspolarität umgekehrt wird, wodurch bipolare Messungen ohne zusätzliche Schaltung ermöglicht werden.