意念呼吸法 果然哥:A/D转换器的介绍

在仪器仪表系统中，常常需要将检测到的连续变化的模拟量如：温度、压力、流量、速度、光强等转变成离散的数字量，才能输入到计算机中进行处理。这些模拟量经过传感器转变成电信号（一般为电压信号），经过放大器放大后，就需要经过一定的处理变成数字量。实现模拟量到数字量转变的设备通常成为模数转换器（ADC）,简称A/D。

随着集成电路的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为满足各种不同的检测及控制需要而设计的结构不同、性能各异的A/D转换器应运而生。

下面讲讲A/D转换器的基本原理和分类

根据A/D转换器的原理可将A/D转换器分成两大类。一类是直接型A/D转换器，将输入的电压信号直接转换成数字代码，不经过中间任何变量；另一类是间接型A/D转换器，将输入的电压转变成某种中间变量（时间、频率、脉冲宽度等），然后再将这个中间量变成数字代码输出。

尽管A/D转换器的种类很多，但目前广泛应用的主要有三种类型：逐次逼近式A/D转换器、双积分式A/D转换器、V/F变换式A/D转换器。另外，近些年有一种新型的Σ-Δ型A/D转换器异军突起，在仪器中得到了广泛的应用。

逐次逼近式A/D转换器的基本原理是：将待转换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼进。推测信号由D/A转换器的输出获得，当二者相等时，向D/A转换器输入的数字信号就对应的时模拟输入量的数字量。这种A/D转换器一般速度很快，但精度一般不高。常用的有ADC0801、ADC0802、AD570等。

双积分式A/D转换器的基本原理是：先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种A/D转换器的转换速度较慢，但精度较高。由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。常用的有ICL7135、ICL7109等

Σ-Δ型A/D转换的具体技术细节不详，这种转换器的转换精度极高，达到16到24位的转换精度，价格低廉，弱点是转换速度比较慢，比较适合用于对检测精度要求很高但对速度要求不是太高的检验设备。常用的有AD7705、AD7714等。

V/F转换器是把电压信号转换成频率信号，由良好的精度和线性，而且电路简单，对环境适应能力强，价格低廉。适用于非快速的远距离信号的A/D转换过程。常用的有LM311、AD650等。

A/D转换器的主要性能指标如下：（虽然这些指标在设计选片时很主要，对于维修而言意义不大，但了解一下还是很有必要的）

1．分辨率：例如10位的ADC能分辨出满刻度的1/1024.

2．量化误差。

3．偏移误差。

4．满刻度误差。

5．线性度。

6．绝对精度。

7．相对精度。

8．转换速率。

一般而言，第1、8项最为重要，在设计选片时需要首先考虑。

A/D转换器种类繁多，通常性能、管脚排列方式等差异很大，在维修过程中如果发现损坏，需要用相同型号的A/D转换器更换，能代换的可能性很小，这点和放大器有很大的不同。我在做设计的过程中，对放大器的选择一般很随便，万一精度等达不到要求也问题不大，因为管脚相同，性能更好的芯片很多，换了就可以了。但对A/D转换器的选择则是慎之又慎，一旦选错，前期所做的试验板，编制的驱动程序等全部报废，时间和金钱损失都很大。

下面对我所用过的几种A/D转换器的情况做一下简单的介绍。

看图：

这是国半公司的8位逐次逼近式A/D转换器，有两个输入通道（CH0和CH1），串口输出，通过编程实现AD转换和通道选择。应该说这个电路不很优秀，有很多问题，驱动程序也是我编制的最为丑陋的程序之一。但人是有惰性的，当时任务比较急，用这个电路和程序刚好可以实现功能，完成以后达到了要求，就不愿意再改了。有兴趣的同仁如果日后选用这个片子做AD转换，可以和我联系，我可以提供我的程序和电路设计的思路。

看图：

这是MAXIM公司的双积分A/D转换器，4位半的输出精度，相当于二进位的14位精度。动态字位扫描BCD码输出，现在用的4位半的万用表中一般都用的是这个片子，上面的电路是基本与厂方推荐的电路相同，有点小小的改进，引进了SD4这个20欧姆的电阻，能够提高稳定性。

看图：

AD7714就是我前面所说的那种Σ-Δ型A/D转换器，这个器件不单是一个A/D转换器，而且是个完整的模拟检测前端电路，24位精度，SPI接口输出，包括内部可编程的放大器，采样保持器，可编程的数字滤波器等，功能非常强大，使用非常方便。现在已经有中文的应用手册可以参考。我认为，这种模拟检测前端是AD转换器的发展方向。更有甚者将这些和数字处理器结合在一起，制成所谓的单片仪器、程序化仪器，通过编程实现功能，实在是太方便了。

V/F转换器的设计我没有搞过，这里不好乱谈，有兴趣的同仁可以查阅相关资料。

对于A/D转换器的故障判断有一下几点：

1. 电源故障。A/D转换器的模拟地和数字地是分开的，只是在终末连在一起接到系统电源上，维修过程中要是图方便将二者就近用飞线联在一起，会造成难以预测的干扰。有的A/D转换器的模拟部分和数字部分使用双电源供电，在维修中要注意二者是否都正常。

2. A/D转换器通常都采用外部基准电压输入，基准电压不正常会造成AD转换错误，维修过程也需要引起重视。

3. A/D转换器通常采用外部时钟输入完成AD转换，维修时如果电源正常，而转换器不能工作，可用示波器查看转换器的时钟信号是否正常。

4. 我一直没有示波器可用，通常是用万用表测量A/D转换器的数据线，看数据线上电电压有无跳动等来粗略判断转换器是否工作。

5. 由于CMOS器件的固有特性，A/D转换器在使用中会发生可控硅现象。现象是转换器会突然发热，时间长了就会烧毁，但如果这时切断电源，重新开机又会正常，常发生于输入信号高于电源电压的情况下。如果设计者在设计中不注意，就会使仪器在使用中发生这种情况。防范措施是加入退耦电容，在AD转换器的供电端串入一个100欧姆的限流电阻等方法来避免出现可控硅芯片烧毁芯片。

6. A/D转换器是比较娇贵的器件，工作电压不稳定、外部时钟频率不适合、温度不适合、电路板布线不合理、强干扰等都会造成AD转换不正常，影响设备的检测精度。这些问题如果发生，通常都是时有时无，很让我们这些维修工程师头痛的，没有什么好办法，只有靠耐心和细心慢慢排查，才能最终解决问题。