即使正常狀態(tài)下，傳感器和放大器間也可能出現(xiàn)故障，該故障可能是由錯(cuò)誤應(yīng)用、所處的使用環(huán)境、低品質(zhì)的組件或其他原因引起的。本文將介紹經(jīng)常發(fā)生的故障類(lèi)型，并舉例說(shuō)明這些故障是如何導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。分立式方案可以檢測(cè)這些故障，但會(huì)影響系統(tǒng)的性能。本文將給出儀表放大器的故障檢測(cè)電路以及各故障的檢測(cè)方法，另外還會(huì)提到一種檢測(cè)故障的自我測(cè)試程序。文中zui后還將討論采用分立式方案檢測(cè)故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

LMP8358的片上故障檢測(cè)特性簡(jiǎn)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的FMEA（故障模式和影響）分析。故障檢測(cè)也使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠?yàn)榻K端用戶(hù)提供更多價(jià)值。終端用戶(hù)可確保他們的設(shè)備系統(tǒng)在運(yùn)行中不會(huì)發(fā)生故障，如果確實(shí)發(fā)生了故障，維修技術(shù)人員可獲得重要信息以幫助排除故障，這將大大縮短設(shè)備維修的時(shí)間。

使用儀表放大器的傳感器可能在傳感器與放大器之間發(fā)生一系列故障。這些故障可能發(fā)生在4個(gè)點(diǎn)上，如圖1所示的A、B、C、D。A點(diǎn)可能發(fā)生的故障是電源和電橋之間開(kāi)路或者連接狀況惡化使電橋和電源之間產(chǎn)生電阻。同樣的故障也會(huì)發(fā)生在電橋和接地之間的B點(diǎn)上。C點(diǎn)和D點(diǎn)則可能發(fā)生如下故障：即電橋和放大器之間開(kāi)路，連接狀況惡化使電橋和放大器之間產(chǎn)生電阻，對(duì)電源短路或?qū)Φ囟搪?，另外一種可能則是C點(diǎn)和D點(diǎn)之間短路。

圖1 潛在故障區(qū)域

這些故障都影響系統(tǒng)的性能。

例如，正常使用時(shí)，如果電橋沒(méi)有應(yīng)變，放大器的輸入則應(yīng)為V+/2。如果輸入在C點(diǎn)和D點(diǎn)短路，放大器的輸入仍是V+/2。但是當(dāng)電橋應(yīng)變時(shí)，放大器輸入端將不再出現(xiàn)電壓差，每路輸入電壓都將保持在V+/2。該故障可用如下方法檢測(cè)：在C點(diǎn)注入小電流，之后測(cè)量壓降。如果沒(méi)有短路，放大器會(huì)測(cè)出電橋內(nèi)電阻上的壓降；如果在C點(diǎn)和D點(diǎn)短路，壓降就會(huì)非常小。

上面所列的每種故障都可用下列三種方法之一進(jìn)行檢測(cè)：

1. 測(cè)量?jī)x表放大器輸入引腳處的電壓（不是儀表放大器輸入處的差分電壓）；2. 注入電流，之后在儀表放大器輸入引腳處測(cè)量電壓；3. 注入電流，之后在儀表放大器輸入引腳處測(cè)量差分電壓。

表1給出了每種故障及其相應(yīng)的檢測(cè)方法。例如，如果B點(diǎn)的連接開(kāi)路了，儀表放大器的兩個(gè)輸入端電壓都會(huì)被拉到V+。通過(guò)測(cè)量?jī)x表放大器的一個(gè)輸入，只要該輸入的共模電壓不是預(yù)期的V+/2，就說(shuō)明確實(shí)發(fā)生開(kāi)路了。

表1 故障列表

圖2 故障電路框圖

這些故障可以在儀表放大器輸入端使用分立電路來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。單獨(dú)使用儀表放大器則不能檢測(cè)出這些故障，因?yàn)檎Ｊ褂脮r(shí)儀表放大器是用來(lái)測(cè)量差分輸入電壓的，而不是每個(gè)引腳處的電壓。當(dāng)使用分立電路時(shí)，需要注意幾點(diǎn)。首先，增加分立電路會(huì)增加寄生泄漏和電容。它們會(huì)影響儀表放大器的性能。其次，檢測(cè)方法需要與故障電路進(jìn)行通信，并在需要時(shí)將其移出或移入系統(tǒng)。第三，如果儀表放大器用來(lái)檢測(cè)故障且故障共模超過(guò)了儀表放大器的輸入共模電壓范圍，讀數(shù)將不再準(zhǔn)確。此時(shí)需將輸入拉回到儀表放大器的輸入共模電壓范圍內(nèi)。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體（ N S ） 的LMP8358是一款含有內(nèi)置故障檢測(cè)電路的儀表放大器。該電路不影響元件性能，且當(dāng)超過(guò)輸入共模電壓范圍時(shí)仍可檢測(cè)電壓。

LMP8358包括三個(gè)部分： 一個(gè)儀表放大器、一個(gè)允許用戶(hù)設(shè)定內(nèi)部寄存器（ 它設(shè)定放大器的狀態(tài)）的控制模塊和一個(gè)故障檢測(cè)模塊。故障檢測(cè)模塊包含一個(gè)可注入電流的電流源、一個(gè)在外部輸入引腳和內(nèi)部?jī)x表放大器輸入引腳之間的多路復(fù)用器和一個(gè)可以插入到信號(hào)路徑中的50分頻模塊。內(nèi)部寄存器可以控制故障檢測(cè)特性，設(shè)置增益和放大器補(bǔ)償，及啟動(dòng)省電和零校準(zhǔn)狀態(tài)。LMP8358內(nèi)部寄存器和外部主機(jī)之間利用SPI總線（串行外設(shè)接口總線）進(jìn)行通信。故障檢測(cè)電路的簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

接下來(lái)的例子說(shuō)明了故障檢測(cè)電路是如何工作的。

如果圖1中B點(diǎn)斷開(kāi)，點(diǎn)C和點(diǎn)D的電壓都為V+，這超出了LMP8358的輸入共模電壓范圍，在+5V供電的情況下后者為- 0.1V < CMVR < 3.6V。

如果LMP8358內(nèi)部寄存器配置為使用多路復(fù)用器的第5路（如圖2），那么外部+IN引腳處的輸入電壓就需除以50，從而使輸入回到內(nèi)部?jī)x表放大器的共模電壓范圍內(nèi)。內(nèi)部?jī)x表放大器的負(fù)輸入將連到電源負(fù)極。儀表放大器增益設(shè)為50，輸出就表示了外部+IN引腳處的電壓。如圖3所示。

圖3 電橋底部開(kāi)圖

另外一個(gè)例子是圖1中的C點(diǎn)開(kāi)路。儀表放大器輸入的浮動(dòng)會(huì)引起輸出浮動(dòng)。該故障可通過(guò)下列方法檢測(cè)：將50分頻模塊插入信號(hào)路徑，增益設(shè)為50，然后在輸入引腳處注入電流。如前例，50分頻模塊將保證輸入在儀表放大器的輸入共模電壓范圍之內(nèi)。電流會(huì)使輸入拉高到V+，輸出也為V+，圖4示意了這種設(shè)置。

圖4 開(kāi)路輸入

故障檢測(cè)電路還可用來(lái)確定系統(tǒng)狀態(tài)。例如，在系統(tǒng)上電的時(shí)候就須檢查系統(tǒng)?？梢栽诠碳袑?xiě)入程序，它通過(guò)運(yùn)行故障設(shè)置，檢測(cè)出可能的故障，然后將LMP8358的輸出與一個(gè)表格進(jìn)行對(duì)比，zui后指示系統(tǒng)是可用還是存在問(wèn)題。如果存在問(wèn)題，該程序同樣會(huì)使修復(fù)更加容易，因?yàn)樗梢愿嬷壳俺霈F(xiàn)了什么問(wèn)題。表2給出了一系列的數(shù)據(jù)，可以用來(lái)確定系統(tǒng)是正常工作還是存在問(wèn)題。

表2. 啟動(dòng)程序值

*行標(biāo)有“ *”，表示LMP8358輸出使用了8種測(cè)試設(shè)置，而系統(tǒng)并*。前兩項(xiàng)設(shè)置都是正常使用設(shè)置，接下來(lái)六個(gè)都是故障檢測(cè)設(shè)置。注意到該表給出的值都與電橋有大約4mV的偏離。

0000h設(shè)置將其放大了10倍到40mV輸出，而0003h則放大了100倍。*行余下的值則是六個(gè)錯(cuò)誤測(cè)試下的典型值。表中2~14行框中粗體字的值是在特定故障下LMP8358的輸出。例如，如果+IN引腳短路到V+（第7行），當(dāng)LMP8358寄存器設(shè)為0082h時(shí)輸出即為V+。

啟動(dòng)時(shí)， 程序會(huì)運(yùn)行這8 項(xiàng)測(cè)試。如果輸出值接近于*行所列的值，那就證明*。如果2~14行中粗體字表示的值出現(xiàn)在輸出端，就說(shuō)明出現(xiàn)故障了。終端用戶(hù)也可以通過(guò)自我測(cè)試選項(xiàng)來(lái)完成該項(xiàng)測(cè)試。