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。数据采集器模拟电路自检测技术的研究

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。

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GA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***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。

 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*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。**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。**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。

 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*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*大增益下输入略小于*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*大建起时间为20μs。**组和第三组数据的ts值超过*大建起时间，*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。**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。

 自检测的实现

 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。

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。 湿度传感器探头 , , 不锈钢电热管 PT100 传感器 , , 铸铝加热器 , 加热圈   流体电磁阀

 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*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*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。