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：在C點(diǎn)注入小電流，之后測量壓降。如果沒有短路，放大器會(huì)測出電橋內(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：
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(yīng)的檢測方法。例如，如果B點(diǎn)的連接開路了，儀表放大器的兩個(gè)輸入端電壓都會(huì)被拉到V+。通過測量儀表放大器的一個(gè)輸入，只要該輸入的共模電壓不是預(yù)期的V+/2，就說明確實(shí)發(fā)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(jìn)行檢測。單獨(dú)使用儀表放大器則不能檢測出這些故障，因?yàn)檎Ｊ褂脮r(shí)儀表放大器是用來測量差分輸入電壓的，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(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)。
美國國家半導(dǎo)體（N S ）的LMP8358是一款含有內(nèi)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(dāng)超過輸入共模電壓范圍時(shí)仍可檢測電壓。
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)故障檢測模塊。故障檢測模塊包含一個(gè)可注入電流的電流源、一個(gè)在外部輸入引腳和內(nèi)部儀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(diǎn)斷開，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
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)部儀表放大器的共模電壓范圍內(nèi)。內(nèi)部儀表放大器的負(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 電橋底部開圖
另外一個(gè)例子是圖1中的C點(diǎn)開路。儀表放大器輸入的浮動(dòng)會(huì)引起輸出浮動(dòng)。該故障可通過下列方法檢測：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 開路輸入
故障檢測電路還可用來確定系統(tǒng)狀態(tài)。例如，在系統(tǒng)上電的時(shí)候就須檢查系統(tǒng)。可以在固件中寫入程序，它通過運(yùn)行故障設(shè)置，檢測出可能的故障，然后將LMP8358的輸出與一個(gè)表格進(jìn)行對比，最后指示系統(tǒng)是可用還是存在問題。如果存在問題，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)了什么問題。表2給出了一系列的數(shù)據(jù)，可以用來確定系統(tǒng)是正常工作還是存在問題。
表2 啟動(dòng)程序值
第一行標(biāo)有“無故障”，表示LMP8358輸出使用了8種測試設(shè)置，而系統(tǒng)并無故障。前兩項(xiàng)設(shè)置都是正常使用設(shè)置，接下來六個(gè)都是故障檢測設(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。第一行余下的值則是六個(gè)錯(cuò)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(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(xiàn)在輸出端，就說明出現(xiàn)故障了。終端用戶也可以通過自我測試選項(xiàng)來完成該項(xiàng)測試。
LMP8358的片上故障檢測特性簡化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的FMEA（故障模式和影響）分析。故障檢測也使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠?yàn)榻K端用戶提供更多價(jià)值。終端用戶可確保他們的設(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。