模擬量采集異常分析

高浩 施辰光

摘 要：為解決系統(tǒng)調(diào)試時(shí)位差beta值超差的問題，文章對控制處理模塊的AD采集電路進(jìn)行分析，改進(jìn)了測試方法，減少了系統(tǒng)級的故障率。

關(guān)鍵詞：模擬量;AD

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）01-001-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.001

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，模擬量、數(shù)字量的采集與輸出是最基本的功能，這些信號經(jīng)系統(tǒng)處理后發(fā)出相應(yīng)的控制信號對其他系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此模擬量、數(shù)字量的采集與輸出發(fā)生異常時(shí)，會影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。

某伺服系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，相位差beta值超差，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該故障是由控制處理模塊相應(yīng)輸出信號異常引起的。

1 故障定位

1.1 產(chǎn)品工作原理

控制處理模塊由F2812為中心的主處理單元、時(shí)鐘及復(fù)位電路、CPLD電路、AD電路、PWM接口電路、串行接口、LDO線性穩(wěn)壓器等電路組成。

控制處理模塊接收處理外部輸入的4路模擬量信號，即CSIN、CCOS、JSIN、JCOS，信號特性為800Hz正弦信號，信號峰峰值最大±6V。外部輸入的4路模擬量信號經(jīng)過運(yùn)放調(diào)理電路調(diào)理后，經(jīng)過RC濾波電路到ADC芯片ADS8364進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換。AD電路工作原理圖如圖1所示[1]。

AD測試軟件工作原理如下：

DSP啟動ADC芯片開始模擬轉(zhuǎn)換;

DSP啟動定時(shí)器，定時(shí)周期為10ms;

在DSP定時(shí)中斷服務(wù)程序中，對4路模擬量信號進(jìn)行順序采集;

當(dāng)每個(gè)通道采集200個(gè)數(shù)后，關(guān)閉中斷。

AD測試軟件根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各類測試計(jì)算，并對結(jié)果進(jìn)行評判。

1.2 故障分析

通過對控制處理模塊AD電路的分析，可能產(chǎn)生的故障原因如下：

AD轉(zhuǎn)換芯片ADS8364故障;

AD前端運(yùn)放電路AD8606故障;

前端運(yùn)放調(diào)理電路電阻故障;

前端運(yùn)放調(diào)理電路電容故障。

進(jìn)一步分析可知，AD轉(zhuǎn)換芯片ADS8364同時(shí)處理4路模擬量信號，其余3路均正常，因此可排除ADS8364故障的可能;運(yùn)放AD8606同時(shí)處理2路模擬量信號，除故障通路外，另一路工作正常，因此可排除AD8606故障的可能;使用萬用表對前端運(yùn)放調(diào)理電路電阻進(jìn)行測量，未見異常，通過外部輸入直流信號測量運(yùn)放電壓輸出，結(jié)果正常，可以排除電阻故障的可能。

在AD電路前端注入正弦信號，信號幅度為+6V，偏置電壓為0V，頻率為800Hz，通過控制處理模塊AD電路后的輸出結(jié)果如圖2所示。

針對輸出結(jié)果，結(jié)合硬件電路的邏輯圖進(jìn)行分析可知，CSIN、CCOS、JSIN、JCOS通道的運(yùn)放局部電路、電容調(diào)理電路所選用的器件型號、廠家均一致，理論上測得的數(shù)值一致性會比較好，但是根據(jù)測試結(jié)果，CSIN通道數(shù)值比其他通道小0.1左右。通過計(jì)算，輸出的波形幅度要比其余通道幅值低約100毫伏，故此部分電路輸出差異造成系統(tǒng)相位差beta值超差的可能性無法排除。為準(zhǔn)確定位故障電容，在板對電容的容值進(jìn)行測量，測量結(jié)果表明CSIN通道調(diào)理電容容值相對于其余通道的容值較大。

理論分析認(rèn)為，容值大會造成交流測試結(jié)果的幅度值偏低[2]，輸出幅度偏差較大會引起系統(tǒng)相位差beta值超差。

2 機(jī)理分析

2.1 采集工作原理

以CSIN通道為例，其余通道信號的局部電路與其基本一致。差分信號CSIN+和CSIN-經(jīng)過運(yùn)算放大器AD8606后產(chǎn)生信號CSIN。該信號經(jīng)過一級RC濾波后進(jìn)入AD芯片的CHB0+管腳，其中電容C3與AGND相連，C26與AD1REF相連，AD芯片的CHB0-管腳連接AD1REF（2.5V）。

2.2 故障機(jī)理分析

根據(jù)通道數(shù)據(jù)采集工作原理，從運(yùn)放AD8606的輸出端至AD芯片ADS8364的輸入端之間的電路相當(dāng)于一個(gè)RC低通濾波電路[3]。根據(jù)RC低通濾波電路的特性，當(dāng)電容減小時(shí)，其兩端分壓會增大[4]，如圖3所示。

按照原理圖在仿真軟件NI multisim中建立了如圖4所示的電路，并對其進(jìn)行了仿真（輸入條件：信號源頻率800Hz，峰峰值為5.00V，偏置電壓為2.5V）。

通過改變電路中C3（對應(yīng)控制板中的C26電容）的電容值，當(dāng)C3容值為0.1uF時(shí)，檢測到的CSIN信號的峰峰值為3.51V;當(dāng)C3容值為0.01uF時(shí)，檢測到的CSIN信號的峰峰值為4.38V;當(dāng)C3容值為0.001uF時(shí)，檢測到的CSIN信號的峰峰值為4.46V。

因此，可以確定系統(tǒng)相位差beta值超差是由前端運(yùn)放調(diào)理電路電容故障引起的。

3 后續(xù)處理

針對AD交流測試指標(biāo)進(jìn)行研究后，修改控制處理模塊測試方法，對模擬量采集電路進(jìn)行專門的交流測試，即：對AD電路注入規(guī)定頻率和幅度的交流后，對采集結(jié)果進(jìn)行判斷，符合預(yù)期要求則認(rèn)為模塊工作正常，否則認(rèn)為模塊存在缺陷，需進(jìn)行維修處理。

4 結(jié)語

模擬量采集和處理作為控制處理模塊的基本功能，會直接影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在設(shè)計(jì)與測試階段應(yīng)進(jìn)行充分、有效的測試，防止故障產(chǎn)品流入下一環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

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