1、 引 言
实践标明，选用机内测验BIT（Build-In-Test）技能能较大程度进步设备的可靠性和可修理性，现在，一些有高可靠性要求的数据收集器也开端选用BIT技能。因为数据收集器中包括很多模仿电路和数字电路，使得在这类设备上选用BIT技能具有必定的难度。以鸿沟扫描BS（Boundary-Scan）为主的BIT规划技能在数字电路的检测方面现已十分老练，但其模仿电路的测验还不是很完善，因为模仿电路毛病确诊存在以下一些难题：
（1） 模仿电路参数品种很多，并且元件参数存在容差，使得许多确诊办法失去了准确性和稳定性。
（2） 模仿电路的多样性以及电参数模仿困难形成模仿的模型适应性有限。
（3） 为确保模仿电路的精度，一般只需少数可及端口和节点能够丈量，毛病确诊的信息量不行，形成毛病定位的不确定性和含糊性。
（4） 模仿电路毛病品种很多，原因杂乱，易呈现新类型未记录的毛病。
数据收集器的模仿电路在检测过程中除了需求考虑上述的要素外，还要重视其扩大器的增益精度、输入噪声水平、零点飘移、共模按捺比、建起时刻、频率呼应等收集器的性能参数。
2、 数据收集器模仿部分自检测原理
2.1 数据收集器模仿部分的结构和易发毛病剖析
数据收集器是对多路模仿电压信号进行丈量、转化的电子设备，是模仿、数字电路的混合产品。其模仿部分的根本组成可分为：多路开关、可编程扩大器（PGA）、共模按捺电路、低通滤波电路和A／D转化等几个部分。
其间可编程扩大器简单呈现的毛病有零点漂移、增益差错、共模按捺比下降等。跟着时刻和作业环境的改变，电路元件本身的一些特性也会发生改变，或许导致上述毛病的呈现，而这些毛病对数据收集器的丈量精度会形成很大影响。
滤波器的元件参数改变会导致滤波器频率特性发生改变，一起在时域上也会对电路的建起时刻发生晦气的影响，然后影响了数据收集的精度。因而为了确保丈量数据的精度应及时对这些毛病进行检测。
下面临典型数据收集器中用到的PGA、共模按捺电路和低通滤波器进行剖析，按功能模块提出了丈量原理和丈量计划。为了削减对被测电路的影响，测验向量在多路开关输入端注入。因为多毛病状况较为杂乱，本文只评论单毛病景象。图2为典型的数据收集器模仿部分的原理图。
2.2 PGA的自检测原理
双运算扩大器U2、增益电阻R1-R7和增益转化开关U1构成可编程差分扩大器。因为增益电阻具有对称性，因而只对R1～R4别离发生改变时增益的改变状况进行剖析。本例中扩大器共有4档增益，别离为1，2，5，10。各档增益的表达式为：
由上述公式，同一电阻阻值的差错对不同档的增益影响是不同的。在1倍增益时，不管各电阻阻值怎么改变，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。
剖析相对增益差错△E表达式：
当R1改变时，因为R1不处于分母方位，由上述公式核算可知2，5，10倍增益相对差错持平。而R4改变时，由上述公式核算可知三档增益相对差错不等。
由此，只需丈量出PGA的四档实践增益，根据各档的增益差错，就能够剖分出是否有电阻呈现毛病，以及呈现毛病的电阻是哪个。假如R2毛病，那么在2倍增益时实践增益大于规范值2，在5倍增益时就会小于规范值；或许在2倍增益时实践增益小于规范值，在5倍增益时就会大于规范值。R3毛病时，5倍和10倍增益时的实践增益与规范增益的巨细联系相反。R1和R4毛病时除1倍以外的增益均大于或小于规范值，可是R4毛病时各档增益相对差错不等，而R1毛病时持平。
表1列出了对该PGA进行PSpice仿真取得的8组增益相对差错。增益是选用端点法核算取得，端点选取为满量程10％和90％的点。
根据数据收集器的总体规划要求PGA的增益相对差错不该超越0.2％，不然以为是毛病状况。表1中R1改变2％时．2，5，10倍增益的相对差错改变抵达0.5％，不只差错的符号相同，且三档增益相对差错持平，这种状况可判别为R1毛病。R2改变2％时，2，5，10倍增益的相对差错绝对值抵达0.3％，2倍和5倍增益的相对差错符号相反，这种状况可判别为R2毛病。R3改变2％时，5倍增益的相对差错抵达0.4％，2，10倍增益的相对差错为0.1％，5倍和10倍增益的相对差错符号相反，这种状况能够判别为R3毛病。R4改变2％时，2，5，10倍增益的相对差错均超越0.2％，差错的符号相反，可是差错巨细改变，这种状况能够判别为R4毛病。
2.3 共模按捺电路的检测原理
共模按捺比变差将导致数据收集器抗共模搅扰才能下降，使收集器的丈量精度下降。对共模按捺比影响最大的为电阻R8～R11和运算扩大器U3构成的共模按捺电路，他对收集器的共模增益和差模增益都有影响。前部PGA电路对共模按捺增益影响很小，能够忽略不计。
图2所示电路R9处能够设置偏置电压，先设定为接地。设定共模按捺电路输入共模电压为Voc，差模电压为Vod，共模按捺电路输出电压的核算公式为：
由上式可见不同电阻的改变，关于共模输入和差模输入的输出形成的改变是不相同的，关于R8和R9改变时，Aod和Aoc一起变大或一起缩小，关于R10和R11，Aod和Aoc输出向相反方向改变。
在PGA的两个输入端输入同一个电压作为共模电压，选用端点法核算取得各档的共模增益Aoc。用差模增益Aod除以共模增益Aoc得到共模按捺比CMRR。
表2列出了运用电路仿真成果核算得到的增益和共模按捺比。在正常状况下，数据收集器共模按捺比应大于120 dB。
表2两组数据共模按捺比均小于120 dB，因而共模按捺电路毛病。第一组数据差模增益和共模增益均大于正常值，两者的改变方向相同，因而能够判别为R8或R9毛病。第二组数据差模增益和共模增益与规范值巨细联系不同，能够判别为R10或R11毛病。
2.4 滤波电路的检测原理
滤波电路毛病或许形成数据收集器模仿电路建起时刻过长、发生过冲等毛病，一起会影响收集器的频率特性。因为收集器的时域特性比较重要，并且频率信号不易发生，选用时域法，经过剖析其阶跃呼应上的时域特征判别滤波电路是否毛病，当0.01％电路稳态差错的建起时刻ts超越最大答应建起时刻时以为电路毛病。
本例滤波电路由电阻R12和R13，电容C1和C2以及运算扩大器U4组成，他的传递函数为：
由上式能够得到，滤波电路不影响增益。正常作业状况时，滤波电路处于过阻尼状况。R12，R13，C2阻抗增大将导致阻尼增大，建起时刻ts也将增大；C1增大使阻尼减小，严峻时将形成电路振动。上升时刻tr越小，愈多高频信号能够经过滤波电路。关于相同电压，当增益越大时，建起时刻越长；关于相同增益，输出电压越大，建起时刻越长。
前部扩大器电阻毛病也会影响到阶跃呼应的曲线，但对电路的建起时刻影响较小，经过剖析收集器阶跃呼应的建起时刻ts和稳态电压Vs能够分辨出是否滤波电路毛病。为了能够分辨出增益是否改变，在最大增益下输入略小于最很多程电压的阶跃信号。表3列出了4组10倍增益0.49 V输入的阶跃呼应仿真数据。考虑到电路时钟频率，时刻丈量的分辨率为0.1μs。
根据数据收集器的总体规划要求电路最大建起时刻为20μs。第二组和第三组数据的ts值超越最大建起时刻，最大建起时刻时采样电压Vs显着低于正常值，能够判别为滤波电路毛病。第三组数据的超调σ％不为零，并且抵达90％稳态值的时刻t0.9较短，判别是C1毛病引起振动。第二组数据没有超调，为电阻R12，R13或C2毛病，而上升时刻较长，显现有更多高频信号被滤掉。第四组数据建起时刻正常，但Vs显着大于正常值，判别是扩大器或许毛病，能够再由扩大增益相对差错承认毛病。
3、 自检测的完成
3.1 自检测电路的规划
因为BIT技能需求添加额定的电路，为了操控设备的本钱，削减新增电路对设备可靠性和电路杂乱性的影响，BIT技能应在尽或许少添加附加电路的基础上，检测出尽或许多的毛病状况。
由前述检测原理概括可得出为满意BIT的要求，主要有两种测验信号需求注入到模仿电路中。一种是直流电压信号，一种是阶跃信号。运用MCU操控一个附加的D／A输出所需的测验信号。电路结构图如图3所示。
3.2 测验信号的注入
用作检测的信号本身也需求具有较高的精度。为操控收集器精度在0.2％，选用的D／A需求具有0.01％的精度。因为偏置电压只用于中心处理，只需求具有杰出的漂移特性和0.1％的精度即可。
为了丈量数据收集器的差模增益，可在多路开关输入端输入一向流电压，幅值为各档满量程的10％和90％电压，由此取得8个输出电压，并经过端点法核算各自的差模增益。丈量共模按捺比时，可在增益为10倍时经过多路开关向PGA输入一个起伏为10 V的共模电压，并丈量由共模电压发生的共模差错输出电压，然后根据该电压核算出共模按捺比。
阶跃输入信号用于丈量收集器的建起时刻，超调量等时域参数，这些参数将作为确诊滤波电路毛病的根据。在10倍增益时输入0.5 V的阶跃脉冲，取得阶跃呼应全过程的电压输出曲线。为了丈量阶跃信号的输出呼应，A／D芯片需求较高的收集速率，然后能在上升时刻收集尽或许多的数据。当A／D 芯片收集速率较低时，能够选用输入阶跃脉冲群，一起操控A／D芯片收集的时钟周期与脉冲周期相差必定时刻△t，顺次丈量多个阶跃脉冲呼应，然后取得阶跃呼应曲线。
3.3 毛病确诊流程
首要经过阶跃呼应的建起时刻是否超越收集器最大建起时刻判别滤波电路是否毛病。再判别收集器的增益、共模按捺比等参数是否满意要求。假如某个参数的相对差错超越阙值，则确定收集器毛病。若共模按捺比小于收集器答应的最小共模按捺比，判别为共模按捺级毛病，不然判别为扩大电路毛病。图4为确诊流程图。若判别出有功能模块呈现毛病，经过前述确诊原理将毛病尽或许定位到元件。若未呈现毛病，可将核算出的收集器参数用于数据批改。
4 、结 语
本文对数据收集器模仿电路的检测原理分扩大电路、共模电路和滤波电路3个部分作了论述。提出了收集器模仿电路自检测计划，对电路结构、测验信号、确诊流程进行了阐明。
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