摘要：即使正常狀態下，傳感器和放大器間也可能出現故障，該故障可能是由錯誤應用、所處的使用環境、低品質的組件或其他原因引起的。本文將介紹經常發生的故障類型，并舉例說明這些故障是如何導致錯誤的測量結果。分立式方案可以檢測這些故障，但會影響系統的性能。本文將給出儀表放大器的故障檢測電路以及各故障的檢測方法，另外還會提到一種檢測故障的自我測試程序。文中最后還將討論采用分立式方案檢測故障時對系統性能的影響。
使用儀表放大器的傳感器可能在傳感器與放大器之間發生一系列故障。這些故障可能發生在4個點上，如圖1所示的A、B、C、D。A點可能發生的故障是電源和電橋之間開路或者連接狀況惡化使電橋和電源之間產生電阻。同樣的故障也會發生在電橋和接地之間的B點上。C點和D點則可能發生如下故障：即電橋和放大器之間開路，連接狀況惡化使電橋和放大器之間產生電阻，對電源短路或對地短路，另外一種可能則是C點和D點之間短路。
圖1 潛在故障區域
這些故障都影響系統的性能。
例如，正常使用時，如果電橋沒有應變，放大器的輸入則應為V+/2。如果輸入在C點和D點短路，放大器的輸入仍是V+/2。但是當電橋應變時，放大器輸入端將不再出現電壓差，每路輸入電壓都將保持在V+/2。該故障可用如下方法檢測：在C點注入小電流，之后測量壓降。如果沒有短路，放大器會測出電橋內電阻上的壓降；如果在C點和D點短路，壓降就會非常小。
上面所列的每種故障都可用下列三種方法之一進行檢測：
1.測量儀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量電壓；3.注入電流，之后在儀表放大器輸入引腳處測量差分電壓。
表1給出了每種故障及其相應的檢測方法。例如，如果B點的連接開路了，儀表放大器的兩個輸入端電壓都會被拉到V+。通過測量儀表放大器的一個輸入，只要該輸入的共模電壓不是預期的V+/2，就說明確實發生開路了。
表1 故障列表
這些故障可以在儀表放大器輸入端使用分立電路來進行檢測。單獨使用儀表放大器則不能檢測出這些故障，因為正常使用時儀表放大器是用來測量差分輸入電壓的，而不是每個引腳處的電壓。當使用分立電路時，需要注意幾點。首先，增加分立電路會增加寄生泄漏和電容。它們會影響儀表放大器的性能。其次，檢測方法需要與故障電路進行通信，并在需要時將其移出或移入系統。第三，如果儀表放大器用來檢測故障且故障共模超過了儀表放大器的輸入共模電壓范圍，讀數將不再準確。此時需將輸入拉回到儀表放大器的輸入共模電壓范圍內。
美國國家半導體（N S ）的LMP8358是一款含有內置故障檢測電路的儀表放大器。該電路不影響元件性能，且當超過輸入共模電壓范圍時仍可檢測電壓。
LMP8358包括三個部分：一個儀表放大器、一個允許用戶設定內部寄存器（它設定放大器的狀態）的控制模塊和一個故障檢測模塊。故障檢測模塊包含一個可注入電流的電流源、一個在外部輸入引腳和內部儀表放大器輸入引腳之間的多路復用器和一個可以插入到信號路徑中的50分頻模塊。內部寄存器可以控制故障檢測特性，設置增益和放大器補償，及啟動省電和零校準狀態。LMP8358內部寄存器和外部主機之間利用SPI總線（串行外設接口總線）進行通信。故障檢測電路的簡化示意圖如圖2所示。
圖2 故障電路框圖
接下來的例子說明了故障檢測電路是如何工作的。
如果圖1中B點斷開，點C和點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內部寄存器配置為使用多路復用器的第5路（如圖2），那么外部+IN引腳處的輸入電壓就需除以50，從而使輸入回到內部儀表放大器的共模電壓范圍內。內部儀表放大器的負輸入將連到電源負極。儀表放大器增益設為50，輸出就表示了外部+IN引腳處的電壓。如圖3所示。
圖3 電橋底部開圖
另外一個例子是圖1中的C點開路。儀表放大器輸入的浮動會引起輸出浮動。該故障可通過下列方法檢測：將50分頻模塊插入信號路徑，增益設為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。電流會使輸入拉高到V+，輸出也為V+，圖4示意了這種設置。
圖4 開路輸入
故障檢測電路還可用來確定系統狀態。例如，在系統上電的時候就須檢查系統。可以在固件中寫入程序，它通過運行故障設置，檢測出可能的故障，然后將LMP8358的輸出與一個表格進行對比，最后指示系統是可用還是存在問題。如果存在問題，該程序同樣會使修復更加容易，因為它可以告知目前出現了什么問題。表2給出了一系列的數據，可以用來確定系統是正常工作還是存在問題。
表2 啟動程序值
第一行標有“無故障”，表示LMP8358輸出使用了8種測試設置，而系統并無故障。前兩項設置都是正常使用設置，接下來六個都是故障檢測設置。注意到該表給出的值都與電橋有大約4mV的偏離。
0000h設置將其放大了10倍到40mV輸出，而0003h則放大了100倍。第一行余下的值則是六個錯誤測試下的典型值。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LMP8358寄存器設為0082h時輸出即為V+。
啟動時，程序會運行這8 項測試。如果輸出值接近于第一行所列的值，那就證明沒有故障。如果2~14行中粗體字表示的值出現在輸出端，就說明出現故障了。終端用戶也可以通過自我測試選項來完成該項測試。
LMP8358的片上故障檢測特性簡化了產品設計過程中的FMEA（故障模式和影響）分析。故障檢測也使系統設計者能夠為終端用戶提供更多價值。終端用戶可確保他們的設備系統在運行中不會發生故障，如果確實發生了故障，維修技術人員可獲得重要信息以幫助排除故障，這將大大縮短設備維修的時間。
