一種A/D轉(zhuǎn)換器的故障識別與恢復研究

王懷俠 孫宇偉 郭燕紅 李楠

（北京精密機電控制設備研究所 北京市 100076）

目前有多種電子產(chǎn)品上使用AD 公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，迄今為止，在使用過程中，已有3 種產(chǎn)品的AD7656 發(fā)生過6 個通道采集恒定全零的和采集為正負最大值的情況，此類問題只能通過重新加電解決，對于不允許重啟的電子設備，該故障風險較大。本文針對此故障進行了原理分析，并給出故障識別與恢復的方案。

1 A/D轉(zhuǎn)換器應用設計

在產(chǎn)品設計中，DSP 的控制信號經(jīng)過CPLD 進行邏輯變換，CPLD 輸出片選、復位和啟動信號至A/D 轉(zhuǎn)換器，電平轉(zhuǎn)換芯片對A/D 轉(zhuǎn)換器和DSP 的數(shù)據(jù)線進行電平匹配，模擬信號經(jīng)過RC 濾波電路和同相等比放大電路后輸入至A/D 轉(zhuǎn)換器，原理框圖如圖1所示。

AD 轉(zhuǎn)換器參與的工作過程按時間軸可分為上電階段、產(chǎn)品初始化階段和周期性采集轉(zhuǎn)換階段，如圖2所示，上電階段AD 主要完成復位工作，產(chǎn)品初始化階段主要完成AD 初始化工作和自檢功能中完成模擬量采集轉(zhuǎn)換工作，周期性采集轉(zhuǎn)換階段即是產(chǎn)品初始化后進入0.5ms 定時器，每周期啟動一次AD 采集。

2 故障原理分析

A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設計了控制邏輯模塊，功能框圖如圖3所示。轉(zhuǎn)換器外部與啟動、片選、模式、讀寫、數(shù)據(jù)等信號連接，時序電路由內(nèi)部時鐘驅(qū)動，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有大量的不同功能寄存器，包含配置寄存器、計數(shù)器、狀態(tài)轉(zhuǎn)換寄存器等，各類寄存器的上電初始值會影響到AD 轉(zhuǎn)換器的初始工作狀態(tài)，寄存器輸入有脈沖觸發(fā)鎖存的，也有電平觸發(fā)的。復位引腳會對內(nèi)部寄存器進行初始化，但如果在上電過程中電源的波動，使轉(zhuǎn)換狀態(tài)寄存器和軟件模式控制寄存器初始值發(fā)生翻轉(zhuǎn)并鎖存，即使電源穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)換功能仍不受外部啟動轉(zhuǎn)換引腳控制，無法進行正常的啟動轉(zhuǎn)換，且鎖存了數(shù)據(jù)總線，致使各通道讀回相同的恒值。由于內(nèi)部寄存器都可以被復位信號初始化，所以此時如果輸入一個有效的復位脈沖，則寄存器回到初始狀態(tài)，工作模式可繼續(xù)由外部管腳狀態(tài)輸入控制邏輯模塊正常工作。

除軟件模式控制寄存器外，AD7656 內(nèi)部控制邏輯模塊中如轉(zhuǎn)換狀態(tài)寄存器、時鐘啟動寄存器等控制轉(zhuǎn)換功能的寄存器都是用戶不可訪問的，其內(nèi)部寄存器簡化原理如圖4所示。其中開關由A/D復位信號、啟動轉(zhuǎn)換信號、轉(zhuǎn)換狀態(tài)（busy）信號等多種信號的邏輯組合，以復位信號為例進行簡化說明，L 表示低電平閉合開關，H 表示高電平閉合開關，并以軟、硬件模式轉(zhuǎn)換引腳（H/S 引腳）為例：在初始上電時，由于電源電壓較低，所有MOS 管未達到正常導通狀態(tài)，1、2 號反向器輸出端呈現(xiàn)高阻態(tài)，隨著電源電壓升高，正反饋逐步建立的過程中，由于上電后復位信號即為高電平，所以輸入端a 開關為斷開狀態(tài)，如果電壓有波動，通過1、2 號反向器的MOS 管本身的寄生電容，會耦合到正反饋環(huán)路中，如果波動幅度達到了反向器翻轉(zhuǎn)電平，正反饋就會被重新建立，鎖存錯誤數(shù)據(jù)為1，并通過反向器3、4 進入AD 內(nèi)部控制邏輯。

圖1：電路原理框圖

圖2：A/D 轉(zhuǎn)換器工作流程圖

圖3：A/D 轉(zhuǎn)換器功能框圖

圖4：內(nèi)部寄存器簡化原理圖

圖6：故障恢復試驗流程圖

圖7：改進后A/D 轉(zhuǎn)換器工作流程圖

當復位完成后，復位信號為低電平，b、c 開關斷開，a、d 開關閉合，3、4 反向器形成正反饋，輸出到內(nèi)部邏輯的為錯誤數(shù)據(jù)1，雖然此時管腳（Pin）與1、2 號反向器連通，但是由于開關c 斷開，所以內(nèi)部寄存器值不受外部引腳控制。如果在電源穩(wěn)定后，再發(fā)一次復位脈沖，使開關c 閉合，2 號反向器的正確數(shù)據(jù)通過3、4 號反向器進入內(nèi)部邏輯，在復位結(jié)束后鎖存在3、4 號反向器中并建立正反饋，保持內(nèi)部邏輯輸入正常。

綜上，寄存器初始化異常發(fā)生在上電建壓過程中，在電源電壓上升到額定電壓值及電源穩(wěn)定之后不易發(fā)生此故障模式。

3 故障模擬

AD7656 轉(zhuǎn)換器有硬件和軟件兩種工作模式，通過H/S SEL 管腳可實現(xiàn)工作模式設置，接至邏輯低電平為硬件模式，接至邏輯高電平為軟件模式。只有在軟件模式下可以訪問轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的8 位控制寄存器，其8 位功能分別為：DB8 為是否選用內(nèi)部基準電壓緩沖；DB9 為選擇內(nèi)部基準電壓模式；DB10-12 為選擇模擬輸入范圍；DB13-15 啟動轉(zhuǎn)換通道控制。嘗試模擬進入軟件模式，進行故障模擬。

對于大部分寄存器位的改寫，在回到硬件模式后，A/D 轉(zhuǎn)換可恢復，但當將控制寄存器的DB8 寫入1 后（其它位無影響），即不使用內(nèi)部基準電壓緩沖，也沒有在外部接入緩沖后的基準電壓，再回到硬件模式時，AD 轉(zhuǎn)換失去了基準，使該片A/D 轉(zhuǎn)換器的6路采集信號異常，采集到的碼值為保持不變的恒值，該現(xiàn)象與上電后6 通道輸出恒值的故障現(xiàn)象一致，該現(xiàn)象也說明寄存器變化后，回到正常的硬件工作狀態(tài)也會采集異常，試驗驗證流程圖如圖5。

4 改進措施

進行故障恢復試驗，流程如圖6所示，在上電初始化階段，進入軟件模式并操作寄存器，進行A/D 復位操作，使開關c 閉合，2號反向器的正確數(shù)據(jù)通過3、4 號反向器進入內(nèi)部邏輯，在復位結(jié)束后鎖存在3、4 號反向器中并建立正反饋，保持內(nèi)部邏輯輸入正常后再進入硬件模式，周期性采集數(shù)據(jù)正常。該試驗說明即使上電過程中干擾信號導致A/D 轉(zhuǎn)換器進入軟件模式，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部控制寄存器異常初始化，增加了A/D 轉(zhuǎn)換器復位后再進入硬件模式，A/D轉(zhuǎn)換器仍能正常工作。

為了進一步提高產(chǎn)品可靠性，避免其它情況導致A/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器被改寫的故障，在A/D 轉(zhuǎn)換器周期采樣過程中補充周期識別A/D 轉(zhuǎn)換器狀態(tài)的加強措施，在A/D 轉(zhuǎn)換器周期采樣過程中，通過對A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果的有效性判斷，當A/D 轉(zhuǎn)換器工作異常時，對A/D 轉(zhuǎn)換器進行一次復位操作。改進后的A/D 轉(zhuǎn)換器工作流程圖如圖7所示。

采取措施后的電子產(chǎn)品在進行各項測試時性能指標合格，未出現(xiàn)過采集異?，F(xiàn)象。

通過自制調(diào)查問卷對所選患者進行調(diào)查,調(diào)查前先對調(diào)查內(nèi)容及目的進行介紹,取得患者同意,主要調(diào)查以下內(nèi)容:①性別、年齡、患病狀況等基本信息。②流感及流感疫苗的認知情況。③流感疫苗接種情況、態(tài)度等。共發(fā)放問卷1100份,回收1100份,回收率為100%。

5 結(jié)論

本文針對A/D 轉(zhuǎn)換器的全部通道采集恒定全零和采集值為最大值的情況進行了故障原理分析，故障是由于上電過程中干擾信號導致A/D 轉(zhuǎn)換器進入軟件模式，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部控制寄存器異常初始化導致，針對該故障原因進行了翔實的分析研究，為避免出現(xiàn)故障現(xiàn)象，在初始化階段增加A/D 復位操作，并且在周期采集階段對故障進行了識別與恢復，有效保障了A/D 轉(zhuǎn)換器的正常工作。該故障識別與恢復方案設計簡潔，通用性高，可推廣使用。