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。數據采集器模擬電路自檢測技術的研究

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。

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GA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**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。

 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*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。**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。**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。

 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*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*大增益下輸入略小于*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。考慮到電路時鐘頻率，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*大建起時間為20μs。**組和第三組數據的ts值超過*大建起時間，*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。**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。

 自檢測的實現

 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。

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。濕度傳感器探頭, ,不銹鋼電熱管 PT100傳感器, ,鑄鋁加熱器,加熱圈  流體電磁閥

 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*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*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。