采集器模擬電路自檢測方案和應用電路設計

1、引言

實踐表明，采用機內測試BIT（Build-In-Test）技術能較大程度提高設備的可靠性和可維修性，目前，一些有高可靠性要求的數據采集器也開始采用BIT技術。由于數據采集器中包含大量模擬電路和數字電路，使得在這類設備上采用BIT技術具有一定的難度。以邊界掃描BS（Boundary-Scan）為主的BIT設計技術在數字電路的檢測方面已經非常成熟，但其模擬電路的測試還不是很完善，因為模擬電路故障診斷存在以下一些難題：

（1）模擬電路參數種類眾多，而且元件參數存在容差，使得許多診斷方法失去了準確性和穩定性。

（2）模擬電路的多樣性以及電參數模擬困難造成模擬的模型適應性有限。

（3）為保證模擬電路的精度，通常只有少量可及端口和節點可以測量，故障診斷的信息量不夠，造成故障定位的不確定性和模糊性。

（4）模擬電路故障種類眾多，原因復雜，易出現新類型未記錄的故障。

數據采集器的模擬電路在檢測過程中除了需要考慮上述的因素外，還要關注其放大器的增益精度、輸入噪聲水平、零點飄移、共模抑制比、建起時間、頻率響應等采集器的性能參數。

2、數據采集器模擬部分自檢測原理

2.1 數據采集器模擬部分的結構和易發故障分析

數據采集器是對多路模擬電壓信號進行測量、轉換的電子設備，是模擬、數字電路的混合產品。其模擬部分的基本組成可分為：多路開關、可編程放大器（PGA）、共模抑制電路、低通濾波電路和A／D轉換等幾個部分。

采集器模擬電路自檢測方案和應用電路設計

其中可編程放大器容易出現的故障有零點漂移、增益誤差、共模抑制比下降等。隨著時間和工作環境的變化，電路元件自身的一些特性也會發生變化，可能導致上述故障的出現，而這些故障對數據采集器的測量精度會造成很大影響。

濾波器的元件參數變化會導致濾波器頻率特性發生變化，同時在時域上也會對電路的建起時間產生不利的影響，從而影響了數據采集的精度。因此為了保證測量數據的精度應及時對這些故障進行檢測。

下面對典型數據采集器中用到的PGA、共模抑制電路和低通濾波器進行分析，按功能模塊提出了測量原理和測量方案。為了減少對被測電路的影響，測試向量在多路開關輸入端注入。由于多故障情況較為復雜，本文只討論單故障情形。圖2為典型的數據采集器模擬部分的原理圖。

2.2 PGA的自檢測原理

雙運算放大器U2、增益電阻R1-R7和增益轉換開關U1構成可編程差分放大器。由于增益電阻具有對稱性，因此只對R1～R4分別發生變化時增益的變化情況進行分析。本例中放大器共有4檔增益，分別為1，2，5，10。各檔增益的表達式為：

由上述公式，同一電阻阻值的誤差對不同檔的增益影響是不同的。在1倍增益時，無論各電阻阻值如何變化，PGA的增益均為1。但在2，5，10倍增益時，R1阻值與增益成正比。在2倍增益時，R2阻值與增益成反比；在5，10倍增益時，R2阻值與增益成正比。在2，5倍增益時，R3阻值與增益成反比；在10倍增益時，R3阻值與增益成正比。在2，5，10倍增益時，R4阻值與增益成反比。

分析相對增益誤差△E表達式：

當R1變化時，由于R1不處于分母位置，由上述公式計算可知2，5，10倍增益相對誤差相等。而R4變化時，由上述公式計算可知三檔增益相對誤差不等。

由此，只要測量出PGA的四檔實際增益，根據各檔的增益誤差，就可以分析出是否有電阻出現故障，以及出現故障的電阻是哪個。如果R2故障，那么在2倍增益時實際增益大于標準值2，在5倍增益時就會小于標準值；或者在2倍增益時實際增益小于標準值，在5倍增益時就會大于標準值。R3故障時，5倍和10倍增益時的實際增益與標準增益的大小關系相反。R1和R4故障時除1倍以外的增益均大于或小于標準值，但是R4故障時各檔增益相對誤差不等，而R1故障時相等。

表1列出了對該PGA進行PSpice仿真獲得的8組增益相對誤差。增益是采用端點法計算獲得，端點選取為滿量程10％和90％的點。

根據數據采集器的總體設計要求PGA的增益相對誤差不應超過0.2％，否則認為是故障狀態。表1中R1變化2％時．2，5，10倍增益的相對誤差變化達到0.5％，不僅誤差的符號相同，且三檔增益相對誤差相等，這種情況可判斷為R1故障。R2變化2％時，2，5，10倍增益的相對誤差絕對值達到0.3％，2倍和5倍增益的相對誤差符號相反，這種情況可判斷為R2故障。R3變化2％時，5倍增益的相對誤差達到0.4％，2，10倍增益的相對誤差為0.1％，5倍和10倍增益的相對誤差符號相反，這種情況可以判斷為R3故障。R4變化2％時，2，5，10倍增益的相對誤差均超過0.2％，誤差的符號相反，但是誤差大小變化，這種情況可以判斷為R4故障。

2.3 共模抑制電路的檢測原理

共模抑制比變差將導致數據采集器抗共模干擾能力下降，使采集器的測量精度降低。對共模抑制比影響最大的為電阻R8～R11和運算放大器U3構成的共模抑制電路，他對采集器的共模增益和差模增益都有影響。前部PGA電路對共模抑制增益影響很小，可以忽略不計。

圖2所示電路R9處可以設置偏置電壓，先設定為接地。設定共模抑制電路輸入共模電壓為Voc，差模電壓為Vod，共模抑制電路輸出電壓的計算公式為：

由上式可見不同電阻的變化，對于共模輸入和差模輸入的輸出造成的變化是不相同的，對于R8和R9變化時，Aod和Aoc同時變大或同時縮小，對于R10和R11，Aod和Aoc輸出向相反方向變化。

在PGA的兩個輸入端輸入同一個電壓作為共模電壓，采用端點法計算獲得各檔的共模增益Aoc。用差模增益Aod除以共模增益Aoc得到共模抑制比CMRR。

表2列出了利用電路仿真結果計算得到的增益和共模抑制比。在正常狀態下，數據采集器共模抑制比應大于120 dB。

表2兩組數據共模抑制比均小于120 dB，因此共模抑制電路故障。第一組數據差模增益和共模增益均大于正常值，兩者的變化方向相同，因此可以判斷為R8或R9故障。第二組數據差模增益和共模增益與標準值大小關系不同，可以判斷為R10或R11故障。

2.4 濾波電路的檢測原理

濾波電路故障可能造成數據采集器模擬電路建起時間過長、產生過沖等故障，同時會影響采集器的頻率特性。由于采集器的時域特性比較重要，而且頻率信號不易產生，采用時域法，通過分析其階躍響應上的時域特征判斷濾波電路是否故障，當0.01％電路穩態誤差的建起時間ts超過最大允許建起時間時認為電路故障。

本例濾波電路由電阻R12和R13，電容C1和C2以及運算放大器U4組成，他的傳遞函數為：

由上式可以得到，濾波電路不影響增益。正常工作狀態時，濾波電路處于過阻尼狀態。R12，R13，C2阻抗增大將導致阻尼增大，建起時間ts也將增大；C1增大使阻尼減小，嚴重時將造成電路振蕩。上升時間tr越小，愈多高頻信號可以通過濾波電路。對于相同電壓，當增益越大時，建起時間越長；對于相同增益，輸出電壓越大，建起時間越長。

前部放大器電阻故障也會影響到階躍響應的曲線，但對電路的建起時間影響較小，通過分析采集器階躍響應的建起時間ts和穩態電壓Vs可以分辨出是否濾波電路故障。為了可以分辨出增益是否變化，在最大增益下輸入略小于最大量程電壓的階躍信號。表3列出了4組10倍增益0.49 V輸入的階躍響應仿真數據?？紤]到電路時鐘頻率，時間測量的分辨率為0.1μs。

根據數據采集器的總體設計要求電路最大建起時間為20μs。第二組和第三組數據的ts值超過最大建起時間，最大建起時間時采樣電壓Vs明顯低于正常值，可以判斷為濾波電路故障。第三組數據的超調σ％不為零，而且到達90％穩態值的時間t0.9較短，判斷是C1故障引起振蕩。第二組數據沒有超調，為電阻R12，R13或C2故障，而上升時間較長，顯示有更多高頻信號被濾掉。第四組數據建起時間正常，但Vs明顯大于正常值，判斷是放大器可能故障，可以再由放大增益相對誤差確認故障。

3、自檢測的實現

3.1 自檢測電路的設計

由于BIT技術需要增加額外的電路，為了控制設備的成本，減少新增電路對設備可靠性和電路復雜性的影響，BIT技術應在盡可能少增加附加電路的基礎上，檢測出盡可能多的故障狀態。

由前述檢測原理歸納可得出為滿足BIT的要求，主要有兩種測試信號需要注入到模擬電路中。一種是直流電壓信號，一種是階躍信號。使用MCU控制一個附加的D／A輸出所需的測試信號。電路結構圖如圖3所示。

3.2 測試信號的注入

用作檢測的信號自身也需要具有較高的精度。為控制采集器精度在0.2％，選用的D／A需要具有0.01％的精度。由于偏置電壓只用于中間處理，只需要具有良好的漂移特性和0.1％的精度即可。

為了測量數據采集器的差模增益，可在多路開關輸入端輸入一直流電壓，幅值為各檔滿量程的10％和90％電壓，由此獲得8個輸出電壓，并通過端點法計算各自的差模增益。測量共模抑制比時，可在增益為10倍時通過多路開關向PGA輸入一個幅度為10 V的共模電壓，并測量由共模電壓產生的共模誤差輸出電壓，然后根據該電壓計算出共模抑制比。

階躍輸入信號用于測量采集器的建起時間，超調量等時域參數，這些參數將作為診斷濾波電路故障的依據。在10倍增益時輸入0.5 V的階躍脈沖，獲得階躍響應全過程的電壓輸出曲線。為了測量階躍信號的輸出響應，A／D芯片需要較高的采集速率，從而能在上升時間采集盡可能多的數據。當A／D 芯片采集速率較低時，可以采用輸入階躍脈沖群，同時控制A／D芯片采集的時鐘周期與脈沖周期相差一定時間△t，依次測量多個階躍脈沖響應，從而獲得階躍響應曲線。

3.3 故障診斷流程

首先通過階躍響應的建起時間是否超過采集器最大建起時間判斷濾波電路是否故障。再判斷采集器的增益、共模抑制比等參數是否滿足要求。如果某個參數的相對誤差超過闕值，則認定采集器故障。若共模抑制比小于采集器允許的最小共模抑制比，判斷為共模抑制級故障，否則判斷為放大電路故障。圖4為診斷流程圖。若判斷出有功能模塊出現故障，通過前述診斷原理將故障盡可能定位到元件。若未出現故障，可將計算出的采集器參數用于數據修正。