在儀器儀表系統(tǒng)中，常常需要將檢測到的連續(xù)變化的模擬量如：溫度、壓力、流量、速度、光強等轉(zhuǎn)變成離散的數(shù)字量，才能輸入到計算機中進行處理。這些模擬量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)變成電信號（一般為電壓信號），經(jīng)過放大器放大后，就需要經(jīng)過一定的處理變成數(shù)字量。實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)變的設(shè)備通常成為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,簡稱A/D。
隨著集成電路的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想和制造技術(shù)層出不窮。為滿足各種不同的檢測及控制需要而設(shè)計的結(jié)構(gòu)不同、性能各異的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)運而生。
下面講講A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理和分類
根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的原理可將A/D轉(zhuǎn)換器分成兩大類。一類是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)過中間任何變量；另一類是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，將輸入的電壓轉(zhuǎn)變成某種中間變量（時間、頻率、脈沖寬度等），然后再將這個中間量變成數(shù)字代碼輸出。
盡管A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前廣泛應(yīng)用的主要有三種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。另外，近些年有一種新型的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器異軍突起，在儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。
逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是：將待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號與一個推測信號進行比較，根據(jù)二者大小決定增大還是減小輸入信號，以便向模擬輸入信號逼進。推測信號由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得，當(dāng)二者相等時，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號就對應(yīng)的時模擬輸入量的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器一般速度很快，但精度一般不高。常用的有ADC0801、ADC0802、AD570等。
雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是：先對輸入模擬電壓進行固定時間的積分，然后轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓的反相積分，直至積分輸入返回初始值，這兩個積分時間的長短正比于二者的大小，進而可以得出對應(yīng)模擬電壓的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較慢，但精度較高。由雙積分式發(fā)展為四重積分、五重積分等多種方式，在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下提高了轉(zhuǎn)換速度。常用的有ICL7135、ICL7109等
Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換的具體技術(shù)細節(jié)不詳，這種轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度極高，達到16到24位的轉(zhuǎn)換精度，價格低廉，弱點是轉(zhuǎn)換速度比較慢，比較適合用于對檢測精度要求很高但對速度要求不是太高的檢驗設(shè)備。常用的有AD7705、AD7714等。
V/F轉(zhuǎn)換器是把電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，由良好的精度和線性，而且電路簡單，對環(huán)境適應(yīng)能力強，價格低廉。適用于非快速的遠距離信號的A/D轉(zhuǎn)換過程。常用的有LM311、AD650等。
A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)如下：（雖然這些指標(biāo)在設(shè)計選片時很主要，對于維修而言意義不大，但了解一下還是很有必要的）
1．分辨率：例如10位的ADC能分辨出滿刻度的1/1024.
2．量化誤差。
3．偏移誤差。
4．滿刻度誤差。
5．線性度。
6．絕對精度。
7．相對精度。
8．轉(zhuǎn)換速率。
一般而言，第1、8項最為重要，在設(shè)計選片時需要首先考慮。
A/D轉(zhuǎn)換器種類繁多，通常性能、管腳排列方式等差異很大，在維修過程中如果發(fā)現(xiàn)損壞，需要用相同型號的A/D轉(zhuǎn)換器更換，能代換的可能性很小，這點和放大器有很大的不同。我在做設(shè)計的過程中，對放大器的選擇一般很隨便，萬一精度等達不到要求也問題不大，因為管腳相同，性能更好的芯片很多，換了就可以了。但對A/D轉(zhuǎn)換器的選擇則是慎之又慎，一旦選錯，前期所做的試驗板，編制的驅(qū)動程序等全部報廢，時間和金錢損失都很大。
下面對我所用過的幾種A/D轉(zhuǎn)換器的情況做一下簡單的介紹。
看圖：
這是國半公司的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，有兩個輸入通道（CH0和CH1），串口輸出，通過編程實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和通道選擇。應(yīng)該說這個電路不很優(yōu)秀，有很多問題，驅(qū)動程序也是我編制的最為丑陋的程序之一。但人是有惰性的，當(dāng)時任務(wù)比較急，用這個電路和程序剛好可以實現(xiàn)功能，完成以后達到了要求，就不愿意再改了。有興趣的同仁如果日后選用這個片子做AD轉(zhuǎn)換，可以和我聯(lián)系，我可以提供我的程序和電路設(shè)計的思路。
看圖：
這是MAXIM公司的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，4位半的輸出精度，相當(dāng)于二進位的14位精度。動態(tài)字位掃描BCD碼輸出，現(xiàn)在用的4位半的萬用表中一般都用的是這個片子，上面的電路是基本與廠方推薦的電路相同，有點小小的改進，引進了SD4這個20歐姆的電阻，能夠提高穩(wěn)定性。
看圖：
AD7714就是我前面所說的那種Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，這個器件不單是一個A/D轉(zhuǎn)換器，而且是個完整的模擬檢測前端電路，24位精度，SPI接口輸出，包括內(nèi)部可編程的放大器，采樣保持器，可編程的數(shù)字濾波器等，功能非常強大，使用非常方便?，F(xiàn)在已經(jīng)有中文的應(yīng)用手冊可以參考。我認(rèn)為，這種模擬檢測前端是AD轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向。更有甚者將這些和數(shù)字處理器結(jié)合在一起，制成所謂的單片儀器、程序化儀器，通過編程實現(xiàn)功能，實在是太方便了。
V/F轉(zhuǎn)換器的設(shè)計我沒有搞過，這里不好亂談，有興趣的同仁可以查閱相關(guān)資料。
對于A/D轉(zhuǎn)換器的故障判斷有一下幾點：
1. 電源故障。A/D轉(zhuǎn)換器的模擬地和數(shù)字地是分開的，只是在終末連在一起接到系統(tǒng)電源上，維修過程中要是圖方便將二者就近用飛線聯(lián)在一起，會造成難以預(yù)測的干擾。有的A/D轉(zhuǎn)換器的模擬部分和數(shù)字部分使用雙電源供電，在維修中要注意二者是否都正常。
2. A/D轉(zhuǎn)換器通常都采用外部基準(zhǔn)電壓輸入，基準(zhǔn)電壓不正常會造成AD轉(zhuǎn)換錯誤，維修過程也需要引起重視。
3. A/D轉(zhuǎn)換器通常采用外部時鐘輸入完成AD轉(zhuǎn)換，維修時如果電源正常，而轉(zhuǎn)換器不能工作，可用示波器查看轉(zhuǎn)換器的時鐘信號是否正常。
4. 我一直沒有示波器可用，通常是用萬用表測量A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)線，看數(shù)據(jù)線上電電壓有無跳動等來粗略判斷轉(zhuǎn)換器是否工作。
5. 由于CMOS器件的固有特性，A/D轉(zhuǎn)換器在使用中會發(fā)生可控硅現(xiàn)象。現(xiàn)象是轉(zhuǎn)換器會突然發(fā)熱，時間長了就會燒毀，但如果這時切斷電源，重新開機又會正常，常發(fā)生于輸入信號高于電源電壓的情況下。如果設(shè)計者在設(shè)計中不注意，就會使儀器在使用中發(fā)生這種情況。防范措施是加入退耦電容，在AD轉(zhuǎn)換器的供電端串入一個100歐姆的限流電阻等方法來避免出現(xiàn)可控硅芯片燒毀芯片。
6. A/D轉(zhuǎn)換器是比較嬌貴的器件，工作電壓不穩(wěn)定、外部時鐘頻率不適合、溫度不適合、電路板布線不合理、強干擾等都會造成AD轉(zhuǎn)換不正常，影響設(shè)備的檢測精度。這些問題如果發(fā)生，通常都是時有時無，很讓我們這些維修工程師頭痛的，沒有什么好辦法，只有靠耐心和細心慢慢排查，才能最終解決問題。
