解析传感器和放大器间的故障检测

摘要：即使正常状态下，传感器和放大器间也可能出现故障，该故障可能是由错误应用、所处的使用环境、低品质的组件或其他原因引起的。本文将介绍经常发生的故障类型，并举例说明这些故障是如何导致错误的测量结果。分立式方案可以检测这些故障，但会影响系统的性能。本文将给出仪表放大器的故障检测电路以及各故障的检测方法，另外还会提到一种检测故障的自我测试程序。文中最后还将讨论采用分立式方案检测故障时对系统性能的影响。

LMP8358的片上故障检测特性简化了产品设计过程中的FMEA（故障模式和影响）分析。故障检测也使系统设计者能够为终端用户提供更多价值。终端用户可确保他们的设备系统在运行中不会发生故障，如果确实发生了故障，维修技术人员可获得重要信息以帮助排除故障，这将大大缩短设备维修的时间。

使用仪表放大器的传感器可能在传感器与放大器之间发生一系列故障。这些故障可能发生在4个点上，如图1所示的A、B、C、D。A点可能发生的故障是电源和电桥之间开路或者连接状况恶化使电桥和电源之间产生电阻。同样的故障也会发生在电桥和接地之间的B点上。C点和D点则可能发生如下故障：即电桥和放大器之间开路，连接状况恶化使电桥和放大器之间产生电阻，对电源短路或对地短路，另外一种可能则是C点和D点之间短路。

图1 潜在故障区域

这些故障都影响系统的性能。

例如，正常使用时，如果电桥没有应变，放大器的输入则应为V+/2。如果输入在C点和D点短路，放大器的输入仍是V+/2。但是当电桥应变时，放大器输入端将不再出现电压差，每路输入电压都将保持在V+/2。该故障可用如下方法检测：在C点注入小电流，之后测量压降。如果没有短路，放大器会测出电桥内电阻上的压降；如果在C点和D点短路，压降就会非常小。

上面所列的每种故障都可用下列三种方法之一进行检测：

1. 测量仪表放大器输入引脚处的电压（不是仪表放大器输入处的差分电压）；2. 注入电流，之后在仪表放大器输入引脚处测量电压；3. 注入电流，之后在仪表放大器输入引脚处测量差分电压。

表1给出了每种故障及其相应的检测方法。例如，如果B点的连接开路了，仪表放大器的两个输入端电压都会被拉到V+。通过测量仪表放大器的一个输入，只要该输入的共模电压不是预期的V+/2，就说明确实发生开路了。

表1 故障列表

图2 故障电路框图

这些故障可以在仪表放大器输入端使用分立电路来进行检测。单独使用仪表放大器则不能检测出这些故障，因为正常使用时仪表放大器是用来测量差分输入电压的，而不是每个引脚处的电压。当使用分立电路时，需要注意几点。首先，增加分立电路会增加寄生泄漏和电容。它们会影响仪表放大器的性能。其次，检测方法需要与故障电路进行通信，并在需要时将其移出或移入系统。第三，如果仪表放大器用来检测故障且故障共模超过了仪表放大器的输入共模电压范围，读数将不再准确。此时需将输入拉回到仪表放大器的输入共模电压范围内。

美国国家半导体（ N S ） 的LMP8358是一款含有内置故障检测电路的仪表放大器。该电路不影响元件性能，且当超过输入共模电压范围时仍可检测电压。

LMP8358包括三个部分： 一个仪表放大器、一个允许用户设定内部寄存器（ 它设定放大器的状态）的控制模块和一个故障检测模块。故障检测模块包含一个可注入电流的电流源、一个在外部输入引脚和内部仪表放大器输入引脚之间的多路复用器和一个可以插入到信号路径中的50分频模块。内部寄存器可以控制故障检测特性，设置增益和放大器补偿，及启动省电和零校准状态。LMP8358内部寄存器和外部主机之间利用SPI总线（串行外设接口总线）进行通信。故障检测电路的简化示意图如图2所示。

接下来的例子说明了故障检测电路是如何工作的。

如果图1中B点断开，点C和点D的电压都为V+，这超出了LMP8358的输入共模电压范围，在+5V供电的情况下后者为- 0.1V < CMVR < 3.6V。

如果LMP8358内部寄存器配置为使用多路复用器的第5路（如图2），那么外部+IN引脚处的输入电压就需除以50，从而使输入回到内部仪表放大器的共模电压范围内。内部仪表放大器的负输入将连到电源负极。仪表放大器增益设为50，输出就表示了外部+IN引脚处的电压。如图3所示。

图3 电桥底部开图

另外一个例子是图1中的C点开路。仪表放大器输入的浮动会引起输出浮动。该故障可通过下列方法检测：将50分频模块插入信号路径，增益设为50，然后在输入引脚处注入电流。如前例，50分频模块将保证输入在仪表放大器的输入共模电压范围之内。电流会使输入拉高到V+，输出也为V+，图4示意了这种设置。

图4 开路输入

故障检测电路还可用来确定系统状态。例如，在系统上电的时候就须检查系统。可以在固件中写入程序，它通过运行故障设置，检测出可能的故障，然后将LMP8358的输出与一个表格进行对比，最后指示系统是可用还是存在问题。如果存在问题，该程序同样会使修复更加容易，因为它可以告知目前出现了什么问题。表2给出了一系列的数据，可以用来确定系统是正常工作还是存在问题。

表2. 启动程序值

第一行标有“ 无故障”，表示LMP8358输出使用了8种测试设置，而系统并无故障。前两项设置都是正常使用设置，接下来六个都是故障检测设置。注意到该表给出的值都与电桥有大约4mV的偏离。

0000h设置将其放大了10倍到40mV输出，而0003h则放大了100倍。第一行余下的值则是六个错误测试下的典型值。表中2~14行框中粗体字的值是在特定故障下LMP8358的输出。例如，如果+IN引脚短路到V+（第7行），当LMP8358寄存器设为0082h时输出即为V+。

启动时， 程序会运行这8 项测试。如果输出值接近于第一行所列的值，那就证明没有故障。如果2~14行中粗体字表示的值出现在输出端，就说明出现故障了。终端用户也可以通过自我测试选项来完成该项测试。