采集器模拟电路自检测方案和应用电路设计

1、引言

实践表明，采用机内测试BIT（Build-In-Test）技术能较大程度提高设备的可靠性和可维修性，目前，一些有高可靠性要求的数据采集器也开始采用BIT技术。由于数据采集器中包含大量模拟电路和数字电路，使得在这类设备上采用BIT技术具有一定的难度。以边界扫描BS（Boundary-Scan）为主的BIT设计技术在数字电路的检测方面已经非常成熟，但其模拟电路的测试还不是很完善，因为模拟电路故障诊断存在以下一些难题：

（1）模拟电路参数种类众多，而且元件参数存在容差，使得许多诊断方法失去了准确性和稳定性。

（2）模拟电路的多样性以及电参数模拟困难造成模拟的模型适应性有限。

（3）为保证模拟电路的精度，通常只有少量可及端口和节点可以测量，故障诊断的信息量不够，造成故障定位的不确定性和模糊性。

（4）模拟电路故障种类众多，原因复杂，易出现新类型未记录的故障。

数据采集器的模拟电路在检测过程中除了需要考虑上述的因素外，还要关注其放大器的增益精度、输入噪声水平、零点飘移、共模抑制比、建起时间、频率响应等采集器的性能参数。

2、数据采集器模拟部分自检测原理

2.1 数据采集器模拟部分的结构和易发故障分析

数据采集器是对多路模拟电压信号进行测量、转换的电子设备，是模拟、数字电路的混合产品。其模拟部分的基本组成可分为：多路开关、可编程放大器（PGA）、共模抑制电路、低通滤波电路和A／D转换等几个部分。

采集器模拟电路自检测方案和应用电路设计

其中可编程放大器容易出现的故障有零点漂移、增益误差、共模抑制比下降等。随着时间和工作环境的变化，电路元件自身的一些特性也会发生变化，可能导致上述故障的出现，而这些故障对数据采集器的测量精度会造成很大影响。

滤波器的元件参数变化会导致滤波器频率特性发生变化，同时在时域上也会对电路的建起时间产生不利的影响，从而影响了数据采集的精度。因此为了保证测量数据的精度应及时对这些故障进行检测。

下面对典型数据采集器中用到的PGA、共模抑制电路和低通滤波器进行分析，按功能模块提出了测量原理和测量方案。为了减少对被测电路的影响，测试向量在多路开关输入端注入。由于多故障情况较为复杂，本文只讨论单故障情形。图2为典型的数据采集器模拟部分的原理图。

2.2 PGA的自检测原理

双运算放大器U2、增益电阻R1-R7和增益转换开关U1构成可编程差分放大器。由于增益电阻具有对称性，因此只对R1～R4分别发生变化时增益的变化情况进行分析。本例中放大器共有4档增益，分别为1，2，5，10。各档增益的表达式为：

由上述公式，同一电阻阻值的误差对不同档的增益影响是不同的。在1倍增益时，无论各电阻阻值如何变化，PGA的增益均为1。但在2，5，10倍增益时，R1阻值与增益成正比。在2倍增益时，R2阻值与增益成反比；在5，10倍增益时，R2阻值与增益成正比。在2，5倍增益时，R3阻值与增益成反比；在10倍增益时，R3阻值与增益成正比。在2，5，10倍增益时，R4阻值与增益成反比。

分析相对增益误差△E表达式：

当R1变化时，由于R1不处于分母位置，由上述公式计算可知2，5，10倍增益相对误差相等。而R4变化时，由上述公式计算可知三档增益相对误差不等。

由此，只要测量出PGA的四档实际增益，根据各档的增益误差，就可以分析出是否有电阻出现故障，以及出现故障的电阻是哪个。如果R2故障，那么在2倍增益时实际增益大于标准值2，在5倍增益时就会小于标准值；或者在2倍增益时实际增益小于标准值，在5倍增益时就会大于标准值。R3故障时，5倍和10倍增益时的实际增益与标准增益的大小关系相反。R1和R4故障时除1倍以外的增益均大于或小于标准值，但是R4故障时各档增益相对误差不等，而R1故障时相等。

表1列出了对该PGA进行PSpice仿真获得的8组增益相对误差。增益是采用端点法计算获得，端点选取为满量程10％和90％的点。

根据数据采集器的总体设计要求PGA的增益相对误差不应超过0.2％，否则认为是故障状态。表1中R1变化2％时．2，5，10倍增益的相对误差变化达到0.5％，不仅误差的符号相同，且三档增益相对误差相等，这种情况可判断为R1故障。R2变化2％时，2，5，10倍增益的相对误差绝对值达到0.3％，2倍和5倍增益的相对误差符号相反，这种情况可判断为R2故障。R3变化2％时，5倍增益的相对误差达到0.4％，2，10倍增益的相对误差为0.1％，5倍和10倍增益的相对误差符号相反，这种情况可以判断为R3故障。R4变化2％时，2，5，10倍增益的相对误差均超过0.2％，误差的符号相反，但是误差大小变化，这种情况可以判断为R4故障。

2.3 共模抑制电路的检测原理

共模抑制比变差将导致数据采集器抗共模干扰能力下降，使采集器的测量精度降低。对共模抑制比影响最大的为电阻R8～R11和运算放大器U3构成的共模抑制电路，他对采集器的共模增益和差模增益都有影响。前部PGA电路对共模抑制增益影响很小，可以忽略不计。

图2所示电路R9处可以设置偏置电压，先设定为接地。设定共模抑制电路输入共模电压为Voc，差模电压为Vod，共模抑制电路输出电压的计算公式为：

由上式可见不同电阻的变化，对于共模输入和差模输入的输出造成的变化是不相同的，对于R8和R9变化时，Aod和Aoc同时变大或同时缩小，对于R10和R11，Aod和Aoc输出向相反方向变化。

在PGA的两个输入端输入同一个电压作为共模电压，采用端点法计算获得各档的共模增益Aoc。用差模增益Aod除以共模增益Aoc得到共模抑制比CMRR。

表2列出了利用电路仿真结果计算得到的增益和共模抑制比。在正常状态下，数据采集器共模抑制比应大于120 dB。

表2两组数据共模抑制比均小于120 dB，因此共模抑制电路故障。第一组数据差模增益和共模增益均大于正常值，两者的变化方向相同，因此可以判断为R8或R9故障。第二组数据差模增益和共模增益与标准值大小关系不同，可以判断为R10或R11故障。

2.4 滤波电路的检测原理

滤波电路故障可能造成数据采集器模拟电路建起时间过长、产生过冲等故障，同时会影响采集器的频率特性。由于采集器的时域特性比较重要，而且频率信号不易产生，采用时域法，通过分析其阶跃响应上的时域特征判断滤波电路是否故障，当0.01％电路稳态误差的建起时间ts超过最大允许建起时间时认为电路故障。

本例滤波电路由电阻R12和R13，电容C1和C2以及运算放大器U4组成，他的传递函数为：

由上式可以得到，滤波电路不影响增益。正常工作状态时，滤波电路处于过阻尼状态。R12，R13，C2阻抗增大将导致阻尼增大，建起时间ts也将增大；C1增大使阻尼减小，严重时将造成电路振荡。上升时间tr越小，愈多高频信号可以通过滤波电路。对于相同电压，当增益越大时，建起时间越长；对于相同增益，输出电压越大，建起时间越长。

前部放大器电阻故障也会影响到阶跃响应的曲线，但对电路的建起时间影响较小，通过分析采集器阶跃响应的建起时间ts和稳态电压Vs可以分辨出是否滤波电路故障。为了可以分辨出增益是否变化，在最大增益下输入略小于最大量程电压的阶跃信号。表3列出了4组10倍增益0.49 V输入的阶跃响应仿真数据。考虑到电路时钟频率，时间测量的分辨率为0.1μs。

根据数据采集器的总体设计要求电路最大建起时间为20μs。第二组和第三组数据的ts值超过最大建起时间，最大建起时间时采样电压Vs明显低于正常值，可以判断为滤波电路故障。第三组数据的超调σ％不为零，而且到达90％稳态值的时间t0.9较短，判断是C1故障引起振荡。第二组数据没有超调，为电阻R12，R13或C2故障，而上升时间较长，显示有更多高频信号被滤掉。第四组数据建起时间正常，但Vs明显大于正常值，判断是放大器可能故障，可以再由放大增益相对误差确认故障。

3、自检测的实现

3.1 自检测电路的设计

由于BIT技术需要增加额外的电路，为了控制设备的成本，减少新增电路对设备可靠性和电路复杂性的影响，BIT技术应在尽可能少增加附加电路的基础上，检测出尽可能多的故障状态。

由前述检测原理归纳可得出为满足BIT的要求，主要有两种测试信号需要注入到模拟电路中。一种是直流电压信号，一种是阶跃信号。使用MCU控制一个附加的D／A输出所需的测试信号。电路结构图如图3所示。

3.2 测试信号的注入

用作检测的信号自身也需要具有较高的精度。为控制采集器精度在0.2％，选用的D／A需要具有0.01％的精度。由于偏置电压只用于中间处理，只需要具有良好的漂移特性和0.1％的精度即可。

为了测量数据采集器的差模增益，可在多路开关输入端输入一直流电压，幅值为各档满量程的10％和90％电压，由此获得8个输出电压，并通过端点法计算各自的差模增益。测量共模抑制比时，可在增益为10倍时通过多路开关向PGA输入一个幅度为10 V的共模电压，并测量由共模电压产生的共模误差输出电压，然后根据该电压计算出共模抑制比。

阶跃输入信号用于测量采集器的建起时间，超调量等时域参数，这些参数将作为诊断滤波电路故障的依据。在10倍增益时输入0.5 V的阶跃脉冲，获得阶跃响应全过程的电压输出曲线。为了测量阶跃信号的输出响应，A／D芯片需要较高的采集速率，从而能在上升时间采集尽可能多的数据。当A／D 芯片采集速率较低时，可以采用输入阶跃脉冲群，同时控制A／D芯片采集的时钟周期与脉冲周期相差一定时间△t，依次测量多个阶跃脉冲响应，从而获得阶跃响应曲线。

3.3 故障诊断流程

首先通过阶跃响应的建起时间是否超过采集器最大建起时间判断滤波电路是否故障。再判断采集器的增益、共模抑制比等参数是否满足要求。如果某个参数的相对误差超过阙值，则认定采集器故障。若共模抑制比小于采集器允许的最小共模抑制比，判断为共模抑制级故障，否则判断为放大电路故障。图4为诊断流程图。若判断出有功能模块出现故障，通过前述诊断原理将故障尽可能定位到元件。若未出现故障，可将计算出的采集器参数用于数据修正。