數(shù)據(jù)采集器模擬電路自檢測(cè)技術(shù)的研究

1 引 言

　　實(shí)踐表明，采用機(jī)內(nèi)測(cè)試BIT(Build-In-Test)技術(shù)能較大程度提高設(shè)備的可靠性和可維修性。

　　目前，一些有高可靠性要求的數(shù)據(jù)采集器也開始采用BIT技術(shù)。由于數(shù)據(jù)采集器中包含大量模擬電路和數(shù)字電路，使得在這類設(shè)備上采用BIT技術(shù)具有一定的難度。以邊界掃描BS(Boundary-Scan)為主的BIT設(shè)計(jì)技術(shù)在數(shù)字電路的檢測(cè)方面已經(jīng)非常成熟，但其模擬電路的測(cè)試還不是很完善，因?yàn)槟M電路故障診斷存在以下一些難題：

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

　　(2) 模擬電路的多樣性以及電參數(shù)模擬困難造成模擬的模型適應(yīng)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(jié)點(diǎn)可以測(cè)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(fù)雜，易出現(xiàn)新類型未記錄的故障。

　　數(shù)據(jù)采集器的模擬電路在檢測(cè)過程中除了需要考慮上述的因素外，還要關(guān)注其放大器的增益精度、輸入噪聲水平、零點(diǎn)飄移、共模抑制比、建起時(shí)間、頻率響應(yīng)等采集器的性能參數(shù)。

　　2 數(shù)據(jù)采集器模擬部分自檢測(cè)原理

　　2.1 數(shù)據(jù)采集器模擬部分的結(jié)構(gòu)和易發(fā)故障分析

　　數(shù)據(jù)采集器是對(duì)多路模擬電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、轉(zhuǎn)換的電子設(shè)備，是模擬、數(shù)字電路的混合產(chǎn)品。其模擬部分的基本組成可分為：多路開關(guān)、可編程放大器(PGA)、共模抑制電路、低通濾波電路和A／D轉(zhuǎn)換等幾個(gè)部分。

　　其中可編程放大器容易出現(xiàn)的故障有零點(diǎn)漂移、增益誤差、共模抑制比下降等。隨著時(shí)間和工作環(huán)境的變化，電路元件自身的一些特性也會(huì)發(fā)生變化，可能導(dǎo)致上述故障的出現(xiàn)，而這些故障對(duì)數(shù)據(jù)采集器的測(cè)量精度會(huì)造成很大影響。

　　濾波器的元件參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致濾波器頻率特性發(fā)生變化，同時(shí)在時(shí)域上也會(huì)對(duì)電路的建起時(shí)間產(chǎn)生不利的影響，從而影響了數(shù)據(jù)采集的精度。因此為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精度應(yīng)及時(shí)對(duì)這些故障進(jìn)行檢測(cè)。

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

　　2.2 PGA的自檢測(cè)原理

　　雙運(yùn)算放大器U2、增益電阻R1-R7和增益轉(zhuǎn)換開關(guān)U1構(gòu)成可編程差分放大器。由于增益電阻具有對(duì)稱性，因此只對(duì)R1～R4分別發(fā)生變化時(shí)增益的變化情況進(jìn)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(dá)式為：

　　由上述公式，同一電阻阻值的誤差對(duì)不同檔的增益影響是不同的。在1倍增益時(shí)，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(shí)，R1阻值與增益成正比。在2倍增益時(shí)，R2阻值與增益成反比；在5，10倍增益時(shí)，R2阻值與增益成正比。在2，5倍增益時(shí)，R3阻值與增益成反比；在10倍增益時(shí)，R3阻值與增益成正比。在2，5，10倍增益時(shí)，R4阻值與增益成反比。

　　分析相對(duì)增益誤差△E表達(dá)式：

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

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　　由此，只要測(cè)量出PGA的四檔實(shí)際增益，根據(jù)各檔的增益誤差，就可以分析出是否有電阻出現(xiàn)故障，以及出現(xiàn)故障的電阻是哪個(gè)。如果R2故障，那么在2倍增益時(shí)實(shí)際增益大于標(biāo)準(zhǔn)值2，在5倍增益時(shí)就會(huì)小于標(biāo)準(zhǔn)值；或者在2倍增益時(shí)實(shí)際增益小于標(biāo)準(zhǔn)值，在5倍增益時(shí)就會(huì)大于標(biāo)準(zhǔn)值。R3故障時(shí)，5倍和10倍增益時(shí)的實(shí)際增益與標(biāo)準(zhǔn)增益的大小關(guān)系相反。R1和R4故障時(shí)除1倍以外的增益均大于或小于標(biāo)準(zhǔn)值，但是R4故障時(shí)各檔增益相對(duì)誤差不等，而R1故障時(shí)相等。

　　表1列出了對(duì)該P(yáng)GA進(jìn)行PSpice仿真獲得的8組增益相對(duì)誤差。增益是采用端點(diǎn)法計(jì)算獲得，端點(diǎn)選取為滿量程10％和90％的點(diǎn)。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的總體設(shè)計(jì)要求PGA的增益相對(duì)誤差不應(yīng)超過0.2％，否則認(rèn)為是故障狀態(tài)。表1中R1變化2％時(shí)．2，5，10倍增益的相對(duì)誤差變化達(dá)到0.5％，不僅誤差的符號(hào)相同，且三檔增益相對(duì)誤差相等，這種情況可判斷為R1故障。R2變化2％時(shí)，2，5，10倍增益的相對(duì)誤差絕對(duì)值達(dá)到0.3％，2倍和5倍增益的相對(duì)誤差符號(hào)相反，這種情況可判斷為R2故障。R3變化2％時(shí)，5倍增益的相對(duì)誤差達(dá)到0.4％，2，10倍增益的相對(duì)誤差為0.1％，5倍和10倍增益的相對(duì)誤差符號(hào)相反，這種情況可以判斷為R3故障。R4變化2％時(shí)，2，5，10倍增益的相對(duì)誤差均超過0.2％，誤差的符號(hào)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(cè)原理

　　共模抑制比變差將導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集器抗共模干擾能力下降，使采集器的測(cè)量精度降低。對(duì)共模抑制比影響最大的為電阻R8～R11和運(yùn)算放大器U3構(gòu)成的共模抑制電路，他對(duì)采集器的共模增益和差模增益都有影響。前部PGA電路對(duì)共模抑制增益影響很小，可以忽略不計(jì)。

　　圖2所示電路R9處可以設(shè)置偏置電壓，先設(shè)定為接地。設(shè)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(jì)算公式為：

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

　　在PGA的兩個(gè)輸入端輸入同一個(gè)電壓作為共模電壓，采用端點(diǎn)法計(jì)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(jié)果計(jì)算得到的增益和共模抑制比。在正常狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集器共模抑制比應(yīng)大于120 dB。

　　表2兩組數(shù)據(jù)共模抑制比均小于120 dB，因此共模抑制電路故障。第一組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)差模增益和共模增益與標(biāo)準(zhǔn)值大小關(guān)系不同，可以判斷為R10或R11故障。

　　2.4 濾波電路的檢測(cè)原理

　　濾波電路故障可能造成數(shù)據(jù)采集器模擬電路建起時(shí)間過長(zhǎng)、產(chǎn)生過沖等故障，同時(shí)會(huì)影響采集器的頻率特性。由于采集器的時(shí)域特性比較重要，而且頻率信號(hào)不易產(chǎn)生，采用時(shí)域法，通過分析其階躍響應(yīng)上的時(shí)域特征判斷濾波電路是否故障，當(dāng)0.01％電路穩(wěn)態(tài)誤差的建起時(shí)間ts超過最大允許建起時(shí)間時(shí)認(rèn)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(yùn)算放大器U4組成，他的傳遞函數(shù)為：

　　由上式可以得到，濾波電路不影響增益。正常工作狀態(tài)時(shí)，濾波電路處于過阻尼狀態(tài)。R12，R13，C2阻抗增大將導(dǎo)致阻尼增大，建起時(shí)間ts也將增大；C1增大使阻尼減小，嚴(yán)重時(shí)將造成電路振蕩。上升時(shí)間tr越小，愈多高頻信號(hào)可以通過濾波電路。對(duì)于相同電壓，當(dāng)增益越大時(shí)，建起時(shí)間越長(zhǎng)；對(duì)于相同增益，輸出電壓越大，建起時(shí)間越長(zhǎng)。

　　前部放大器電阻故障也會(huì)影響到階躍響應(yīng)的曲線，但對(duì)電路的建起時(shí)間影響較小，通過分析采集器階躍響應(yīng)的建起時(shí)間ts和穩(wěn)態(tài)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(hào)。表3列出了4組10倍增益0.49 V輸入的階躍響應(yīng)仿真數(shù)據(jù)?？紤]到電路時(shí)鐘頻率，時(shí)間測(cè)量的分辨率為0.1μs。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)采集器的總體設(shè)計(jì)要求電路最大建起時(shí)間為20μs。第二組和第三組數(shù)據(jù)的ts值超過最大建起時(shí)間，最大建起時(shí)間時(shí)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(shù)據(jù)的超調(diào)σ％不為零，而且到達(dá)90％穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間t0.9較短，判斷是C1故障引起振蕩。第二組數(shù)據(jù)沒有超調(diào)，為電阻R12，R13或C2故障，而上升時(shí)間較長(zhǎng)，顯示有更多高頻信號(hào)被濾掉。第四組數(shù)據(jù)建起時(shí)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(duì)誤差確認(rèn)故障。

　　3 自檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 自檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

　　由于BIT技術(shù)需要增加額外的電路，為了控制設(shè)備的成本，減少新增電路對(duì)設(shè)備可靠性和電路復(fù)雜性的影響，BIT技術(shù)應(yīng)在盡可能少增加附加電路的基礎(chǔ)上，檢測(cè)出盡可能多的故障狀態(tài)。

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

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　　3.2 測(cè)試信號(hào)的注入

　　用作檢測(cè)的信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)采集器的差模增益，可在多路開關(guān)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(gè)輸出電壓，并通過端點(diǎn)法計(jì)算各自的差模增益。測(cè)量共模抑制比時(shí)，可在增益為10倍時(shí)通過多路開關(guān)向PGA輸入一個(gè)幅度為10 V的共模電壓，并測(cè)量由共模電壓產(chǎn)生的共模誤差輸出電壓，然后根據(jù)該電壓計(jì)算出共模抑制比。

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

　3.3 故障診斷流程

　　首先通過階躍響應(yīng)的建起時(shí)間是否超過采集器最大建起時(shí)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(shù)是否滿足要求。如果某個(gè)參數(shù)的相對(duì)誤差超過闕值，則認(rèn)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(jí)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(xiàn)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(xiàn)故障，可將計(jì)算出的采集器參數(shù)用于數(shù)據(jù)修正。

　4 結(jié) 語

　　本文對(duì)數(shù)據(jù)采集器模擬電路的檢測(cè)原理分放大電路、共模電路和濾波電路3個(gè)部分作了闡述。提出了采集器模擬電路自檢測(cè)方案，對(duì)電路結(jié)構(gòu)、測(cè)試信號(hào)、診斷流程進(jìn)行了說明。