应用笔记 4615

升级面板表的输入范围和精度

By: Fons Janssen

摘要 : 利用本文介绍的方法可以轻松地将典型伏特计IC的输入电压范围加倍(扩展至±400mV),并将测试精度提高到4¾位(±40000计数)。

类似文章于2010年7月14日发表在EE Times杂志。

典型伏特计IC的输入电压范围为±200mV,具有3½或4½位精度。Maxim提供的Σ-Δ面板表IC (MAX1499)也不例外,但在设计中可以轻松地扩展输入电压范围(至±400mV),并使测量精度提高到4¾位(±40000计数)。

除了内部20位ADC和7段显示驱动器外,MAX1499还集成了SPI™接口,该接口用于访问ADC的转换结果并控制整个LED显示。微控制器可以利用该接口方便地读取ADC结果,控制需要显示的内容。

利用简单的电阻分压器将输入信号减半,即可在保持IC ±200mV输入电压范围的前提下使得电路的输入范围扩充一倍。这种情况下,ADC的实际输入为VIN/2,而不是VIN。对转换结果简单地左移一位(数字域乘2),即可补偿这个“1/2”系数。

ADC的分辨率为20位,足以支持4¾位的精度(典型条件下,利用20位分辨率中的16位,IC即可提供4½位的精度)。图1给出了重新排列的数据,第17位用于填充乘2后的空缺。

电阻分压器会增大增益误差,需要选择高精度电阻以满足设计规格的要求。

图1. 通过缩减输入信号使面板表电路的输入电压范围加倍,使用更多的转换位数可以获得更高精度。
图1. 通过缩减输入信号使面板表电路的输入电压范围加倍,使用更多的转换位数可以获得更高精度。

面板表IC内部的7段显示驱动器用于驱动共阴极LED显示器,通过复用电路每次驱动一位。由于驱动器优化于4½位显示驱动,这意味着第一个位置(最高有效位)只能显示“半位”,+1或-1 (图2)。

图2. 七段显示器,包括半位数据(左侧)和完整的“1”位数据(右侧)。
图2. 七段显示器,包括半位数据(左侧)和完整的“1”位数据(右侧)。

信号通过SPI接口可以分别控制所有段显示器的通、断,但第1位除外。B段和C段(构成“1”)只能同时接通或关闭;A段、F段和D段(构成“+”)同样只能同时接通或关闭;当A段、F段、D段关闭时,G段(构成“-”)接通,反之亦然。为了将设计升级到4¾位,必须保证第1位能够显示“1”、“2”、“3”或空白(图3)。从图中可以看出,F段从未使用,所以只需要控制六段。

图3. ¾位显示的四种可能状态,F段始终关闭。
图3. ¾位显示的四种可能状态,F段始终关闭。

如果用一个完整的“1位”显示器替代½位显示器,需要互换F段和G段的控制线,但当显示“1”和“+”时,除F段外需要点亮所有段(图4)。½位显示器没有使用E段,左侧连接默认为接通状态。增加由低成本NPN晶体管构成的开关,从而使微控制器可以通过几个GPIO引脚控制各个段的通、断,显示空白、“1”、“2”或“3”,完整电路如图5所示。

图4. 将½位显示器转换成完整的“1位”显示器,交换F段和G段控制线。
图4. 将½位显示器转换成完整的“1位”显示器,交换F段和G段控制线。

图5. 完整的4¾位面板表电路
图5. 完整的4¾位面板表电路

转换完成信号(/EOC)提供微控制器的外部中断,出现新的数值时,微控制器通过SPI接口读取数据并将其乘2。利用SPI口在显示寄存器设置正确的数值,决定点亮(接通)哪一段。外部晶体管开关在GPIO的控制下创建所需要的字符显示。

在第一位之前可以利用一个矩形LED作为减号,受控于不使用的小数点控制线。该应用可以选择任何带有外部中断、SPI接口和足够的GPIO的微控制器。测试装置包括MAX1499面板驱动器IC (安装在显示板上),由低功耗RISC微控制器(MAXQ610,安装在评估板上)控制(图6),可下载系统固件。

图6. 利用RISC微控制器(MAXQ610-KIT)、定制显示板和面板表IC (MAX1499)实现图5所示系统
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图6. 利用RISC微控制器(MAXQ610-KIT)、定制显示板和面板表IC (MAX1499)实现图5所示系统