解析傳感器和放大器間的故障檢測(cè)

即使正常狀態(tài)下，傳感器和放大器間也可能出現(xiàn)故障，該故障可能是由錯(cuò)誤應(yīng)用、所處的使用環(huán)境、低品質(zhì)的組件或其他原因引起的。本文將介紹經(jīng)常發(fā)生的故障類型，并舉例說明這些故障是如何導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。分立式方案可以檢測(cè)這些故障，但會(huì)影響系統(tǒng)的性能。本文將給出儀表放大器的故障檢測(cè)電路以及各故障的檢測(cè)方法，另外還會(huì)提到一種檢測(cè)故障的自我測(cè)試程序。文中zui后還將討論采用分立式方案檢測(cè)故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

LMP8358的片上故障檢測(cè)特性簡(jiǎn)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的FMEA（故障模式和影響）分析。故障檢測(cè)也使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠?yàn)榻K端用戶提供更多價(jià)值。終端用戶可確保他們的設(shè)備系統(tǒng)在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生故障，如果確實(shí)發(fā)生了故障，維修技術(shù)人員可獲得重要信息以幫助排除故障，這將大大縮短設(shè)備維修的時(shí)間。

使用儀表放大器的傳感器可能在傳感器與放大器之間發(fā)生一系列故障。這些故障可能發(fā)生在4個(gè)點(diǎn)上，如圖1所示的A、B、C、D。A點(diǎn)可能發(fā)生的故障是電源和電橋之間開路或者連接狀況惡化使電橋和電源之間產(chǎn)生電阻。同樣的故障也會(huì)發(fā)生在電橋和接地之間的B點(diǎn)上。C點(diǎn)和D點(diǎn)則可能發(fā)生如下故障：即電橋和放大器之間開路，連接狀況惡化使電橋和放大器之間產(chǎn)生電阻，對(duì)電源短路或?qū)Φ囟搪罚硗庖环N可能則是C點(diǎn)和D點(diǎn)之間短路。

圖1 潛在故障區(qū)域

這些故障都影響系統(tǒng)的性能。

例如，正常使用時(shí)，如果電橋沒有應(yīng)變，放大器的輸入則應(yīng)為V+/2。如果輸入在C點(diǎn)和D點(diǎn)短路，放大器的輸入仍是V+/2。但是當(dāng)電橋應(yīng)變時(shí)，放大器輸入端將不再出現(xiàn)電壓差，每路輸入電壓都將保持在V+/2。該故障可用如下方法檢測(cè)：在C點(diǎn)注入小電流，之后測(cè)量壓降。如果沒有短路，放大器會(huì)測(cè)出電橋內(nèi)電阻上的壓降；如果在C點(diǎn)和D點(diǎn)短路，壓降就會(huì)非常小。

上面所列的每種故障都可用下列三種方法之一進(jìn)行檢測(cè)：

1. 測(cè)量?jī)x表放大器輸入引腳處的電壓（不是儀表放大器輸入處的差分電壓）；2. 注入電流，之后在儀表放大器輸入引腳處測(cè)量電壓；3. 注入電流，之后在儀表放大器輸入引腳處測(cè)量差分電壓。

表1給出了每種故障及其相應(yīng)的檢測(cè)方法。例如，如果B點(diǎn)的連接開路了，儀表放大器的兩個(gè)輸入端電壓都會(huì)被拉到V+。通過測(cè)量?jī)x表放大器的一個(gè)輸入，只要該輸入的共模電壓不是預(yù)期的V+/2，就說明確實(shí)發(fā)生開路了。

表1 故障列表

圖2 故障電路框圖

這些故障可以在儀表放大器輸入端使用分立電路來進(jìn)行檢測(cè)。單獨(dú)使用儀表放大器則不能檢測(cè)出這些故障，因?yàn)檎Ｊ褂脮r(shí)儀表放大器是用來測(cè)量差分輸入電壓的，而不是每個(gè)引腳處的電壓。當(dāng)使用分立電路時(shí)，需要注意幾點(diǎn)。首先，增加分立電路會(huì)增加寄生泄漏和電容。它們會(huì)影響儀表放大器的性能。其次，檢測(cè)方法需要與故障電路進(jìn)行通信，并在需要時(shí)將其移出或移入系統(tǒng)。第三，如果儀表放大器用來檢測(cè)故障且故障共模超過了儀表放大器的輸入共模電壓范圍，讀數(shù)將不再準(zhǔn)確。此時(shí)需將輸入拉回到儀表放大器的輸入共模電壓范圍內(nèi)。

美國國家半導(dǎo)體（ N S ） 的LMP8358是一款含有內(nèi)置故障檢測(cè)電路的儀表放大器。該電路不影響元件性能，且當(dāng)超過輸入共模電壓范圍時(shí)仍可檢測(cè)電壓。

LMP8358包括三個(gè)部分： 一個(gè)儀表放大器、一個(gè)允許用戶設(shè)定內(nèi)部寄存器（ 它設(shè)定放大器的狀態(tài)）的控制模塊和一個(gè)故障檢測(cè)模塊。故障檢測(cè)模塊包含一個(gè)可注入電流的電流源、一個(gè)在外部輸入引腳和內(nèi)部?jī)x表放大器輸入引腳之間的多路復(fù)用器和一個(gè)可以插入到信號(hào)路徑中的50分頻模塊。內(nèi)部寄存器可以控制故障檢測(cè)特性，設(shè)置增益和放大器補(bǔ)償，及啟動(dòng)省電和零校準(zhǔn)狀態(tài)。LMP8358內(nèi)部寄存器和外部主機(jī)之間利用SPI總線（串行外設(shè)接口總線）進(jìn)行通信。故障檢測(cè)電路的簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

接下來的例子說明了故障檢測(cè)電路是如何工作的。

如果圖1中B點(diǎn)斷開，點(diǎn)C和點(diǎn)D的電壓都為V+，這超出了LMP8358的輸入共模電壓范圍，在+5V供電的情況下后者為- 0.1V < CMVR < 3.6V。

如果LMP8358內(nèi)部寄存器配置為使用多路復(fù)用器的第5路（如圖2），那么外部+IN引腳處的輸入電壓就需除以50，從而使輸入回到內(nèi)部?jī)x表放大器的共模電壓范圍內(nèi)。內(nèi)部?jī)x表放大器的負(fù)輸入將連到電源負(fù)極。儀表放大器增益設(shè)為50，輸出就表示了外部+IN引腳處的電壓。如圖3所示。

圖3 電橋底部開圖

另外一個(gè)例子是圖1中的C點(diǎn)開路。儀表放大器輸入的浮動(dòng)會(huì)引起輸出浮動(dòng)。該故障可通過下列方法檢測(cè)：將50分頻模塊插入信號(hào)路徑，增益設(shè)為50，然后在輸入引腳處注入電流。如前例，50分頻模塊將保證輸入在儀表放大器的輸入共模電壓范圍之內(nèi)。電流會(huì)使輸入拉高到V+，輸出也為V+，圖4示意了這種設(shè)置。

圖4 開路輸入

故障檢測(cè)電路還可用來確定系統(tǒng)狀態(tài)。例如，在系統(tǒng)上電的時(shí)候就須檢查系統(tǒng)。可以在固件中寫入程序，它通過運(yùn)行故障設(shè)置，檢測(cè)出可能的故障，然后將LMP8358的輸出與一個(gè)表格進(jìn)行對(duì)比，zui后指示系統(tǒng)是可用還是存在問題。如果存在問題，該程序同樣會(huì)使修復(fù)更加容易，因?yàn)樗梢愿嬷壳俺霈F(xiàn)了什么問題。表2給出了一系列的數(shù)據(jù)，可以用來確定系統(tǒng)是正常工作還是存在問題。

表2. 啟動(dòng)程序值

*行標(biāo)有“ *”，表示LMP8358輸出使用了8種測(cè)試設(shè)置，而系統(tǒng)并*。前兩項(xiàng)設(shè)置都是正常使用設(shè)置，接下來六個(gè)都是故障檢測(cè)設(shè)置。注意到該表給出的值都與電橋有大約4mV的偏離。

0000h設(shè)置將其放大了10倍到40mV輸出，而0003h則放大了100倍。*行余下的值則是六個(gè)錯(cuò)誤測(cè)試下的典型值。表中2~14行框中粗體字的值是在特定故障下LMP8358的輸出。例如，如果+IN引腳短路到V+（第7行），當(dāng)LMP8358寄存器設(shè)為0082h時(shí)輸出即為V+。

啟動(dòng)時(shí)， 程序會(huì)運(yùn)行這8 項(xiàng)測(cè)試。如果輸出值接近于*行所列的值，那就證明*。如果2~14行中粗體字表示的值出現(xiàn)在輸出端，就說明出現(xiàn)故障了。終端用戶也可以通過自我測(cè)試選項(xiàng)來完成該項(xiàng)測(cè)試。