一种A/D转换器的故障识别与恢复研究

王怀侠 孙宇伟 郭燕红 李楠

（北京精密机电控制设备研究所 北京市 100076）

目前有多种电子产品上使用AD 公司的模数转换器，迄今为止，在使用过程中，已有3 种产品的AD7656 发生过6 个通道采集恒定全零的和采集为正负最大值的情况，此类问题只能通过重新加电解决，对于不允许重启的电子设备，该故障风险较大。本文针对此故障进行了原理分析，并给出故障识别与恢复的方案。

1 A/D转换器应用设计

在产品设计中，DSP 的控制信号经过CPLD 进行逻辑变换，CPLD 输出片选、复位和启动信号至A/D 转换器，电平转换芯片对A/D 转换器和DSP 的数据线进行电平匹配，模拟信号经过RC 滤波电路和同相等比放大电路后输入至A/D 转换器，原理框图如图1所示。

AD 转换器参与的工作过程按时间轴可分为上电阶段、产品初始化阶段和周期性采集转换阶段，如图2所示，上电阶段AD 主要完成复位工作，产品初始化阶段主要完成AD 初始化工作和自检功能中完成模拟量采集转换工作，周期性采集转换阶段即是产品初始化后进入0.5ms 定时器，每周期启动一次AD 采集。

2 故障原理分析

A/D 转换器内部设计了控制逻辑模块，功能框图如图3所示。转换器外部与启动、片选、模式、读写、数据等信号连接，时序电路由内部时钟驱动，转换器内部含有大量的不同功能寄存器，包含配置寄存器、计数器、状态转换寄存器等，各类寄存器的上电初始值会影响到AD 转换器的初始工作状态，寄存器输入有脉冲触发锁存的，也有电平触发的。复位引脚会对内部寄存器进行初始化，但如果在上电过程中电源的波动，使转换状态寄存器和软件模式控制寄存器初始值发生翻转并锁存，即使电源稳定后，转换功能仍不受外部启动转换引脚控制，无法进行正常的启动转换，且锁存了数据总线，致使各通道读回相同的恒值。由于内部寄存器都可以被复位信号初始化，所以此时如果输入一个有效的复位脉冲，则寄存器回到初始状态，工作模式可继续由外部管脚状态输入控制逻辑模块正常工作。

除软件模式控制寄存器外，AD7656 内部控制逻辑模块中如转换状态寄存器、时钟启动寄存器等控制转换功能的寄存器都是用户不可访问的，其内部寄存器简化原理如图4所示。其中开关由A/D复位信号、启动转换信号、转换状态（busy）信号等多种信号的逻辑组合，以复位信号为例进行简化说明，L 表示低电平闭合开关，H 表示高电平闭合开关，并以软、硬件模式转换引脚（H/S 引脚）为例：在初始上电时，由于电源电压较低，所有MOS 管未达到正常导通状态，1、2 号反向器输出端呈现高阻态，随着电源电压升高，正反馈逐步建立的过程中，由于上电后复位信号即为高电平，所以输入端a 开关为断开状态，如果电压有波动，通过1、2 号反向器的MOS 管本身的寄生电容，会耦合到正反馈环路中，如果波动幅度达到了反向器翻转电平，正反馈就会被重新建立，锁存错误数据为1，并通过反向器3、4 进入AD 内部控制逻辑。

图1：电路原理框图

图2：A/D 转换器工作流程图

图3：A/D 转换器功能框图

图4：内部寄存器简化原理图

图6：故障恢复试验流程图

图7：改进后A/D 转换器工作流程图

当复位完成后，复位信号为低电平，b、c 开关断开，a、d 开关闭合，3、4 反向器形成正反馈，输出到内部逻辑的为错误数据1，虽然此时管脚（Pin）与1、2 号反向器连通，但是由于开关c 断开，所以内部寄存器值不受外部引脚控制。如果在电源稳定后，再发一次复位脉冲，使开关c 闭合，2 号反向器的正确数据通过3、4 号反向器进入内部逻辑，在复位结束后锁存在3、4 号反向器中并建立正反馈，保持内部逻辑输入正常。

综上，寄存器初始化异常发生在上电建压过程中，在电源电压上升到额定电压值及电源稳定之后不易发生此故障模式。

3 故障模拟

AD7656 转换器有硬件和软件两种工作模式，通过H/S SEL 管脚可实现工作模式设置，接至逻辑低电平为硬件模式，接至逻辑高电平为软件模式。只有在软件模式下可以访问转换器内部的8 位控制寄存器，其8 位功能分别为：DB8 为是否选用内部基准电压缓冲；DB9 为选择内部基准电压模式；DB10-12 为选择模拟输入范围；DB13-15 启动转换通道控制。尝试模拟进入软件模式，进行故障模拟。

对于大部分寄存器位的改写，在回到硬件模式后，A/D 转换可恢复，但当将控制寄存器的DB8 写入1 后（其它位无影响），即不使用内部基准电压缓冲，也没有在外部接入缓冲后的基准电压，再回到硬件模式时，AD 转换失去了基准，使该片A/D 转换器的6路采集信号异常，采集到的码值为保持不变的恒值，该现象与上电后6 通道输出恒值的故障现象一致，该现象也说明寄存器变化后，回到正常的硬件工作状态也会采集异常，试验验证流程图如图5。

4 改进措施

进行故障恢复试验，流程如图6所示，在上电初始化阶段，进入软件模式并操作寄存器，进行A/D 复位操作，使开关c 闭合，2号反向器的正确数据通过3、4 号反向器进入内部逻辑，在复位结束后锁存在3、4 号反向器中并建立正反馈，保持内部逻辑输入正常后再进入硬件模式，周期性采集数据正常。该试验说明即使上电过程中干扰信号导致A/D 转换器进入软件模式，转换器内部控制寄存器异常初始化，增加了A/D 转换器复位后再进入硬件模式，A/D转换器仍能正常工作。

为了进一步提高产品可靠性，避免其它情况导致A/D 转换器内部寄存器被改写的故障，在A/D 转换器周期采样过程中补充周期识别A/D 转换器状态的加强措施，在A/D 转换器周期采样过程中，通过对A/D 转换器转换结果的有效性判断，当A/D 转换器工作异常时，对A/D 转换器进行一次复位操作。改进后的A/D 转换器工作流程图如图7所示。

采取措施后的电子产品在进行各项测试时性能指标合格，未出现过采集异常现象。

通过自制调查问卷对所选患者进行调查,调查前先对调查内容及目的进行介绍,取得患者同意,主要调查以下内容:①性别、年龄、患病状况等基本信息。②流感及流感疫苗的认知情况。③流感疫苗接种情况、态度等。共发放问卷1100份,回收1100份,回收率为100%。

5 结论

本文针对A/D 转换器的全部通道采集恒定全零和采集值为最大值的情况进行了故障原理分析，故障是由于上电过程中干扰信号导致A/D 转换器进入软件模式，转换器内部控制寄存器异常初始化导致，针对该故障原因进行了翔实的分析研究，为避免出现故障现象，在初始化阶段增加A/D 复位操作，并且在周期采集阶段对故障进行了识别与恢复，有效保障了A/D 转换器的正常工作。该故障识别与恢复方案设计简洁，通用性高，可推广使用。