Diagnozowanie uszkodzeń w mostkowych układach pomiarowych

Rys. 1. Miejsca potencjalnych uszkodzeń między sensorem a wzmacniaczem to punkty od A do D

Na rysunku 1 pokazano połączenie sensora w układzie mostkowym ze wzmacniaczem pomiarowym. Do potencjalnych uszkodzeń w punkcie A można zaliczyć rozwarcie między zasilaniem a mostkiem lub pojawienie się rezystancji w wyniku degradacji połączenia między tymi elementami. Podobne uszkodzenie może wystąpić w punkcie B pomiędzy mostkiem pomiarowym a masą.

Potencjalne uszkodzenia w punktach C i D to rozwarcie między mostkiem a wzmacniaczem, pojawienie się rezystancji w wyniku degradacji połączenia oraz zwarcie do zasilania lub masy. Zwarcie może również nastąpić między punktami C i D. Wszystkie te anomalie w oczywisty sposób wpływają na pracę układu pomiarowego.

Na przykład podczas normalnego użytkowania, gdy mostek jest w równowadze, napięcie na wejściach wzmacniacza wyniesie ½·V+. Również w przypadku zwarcia punktów C i D napięcia na wejściach będą równe połowie napięcia zasilającego - między wejściami wzmacniacza również nie będzie różnicy potencjałów.

Tabela 1. Metody wykrywania uszkodzeń w mostkowych układach pomiarowych

To uszkodzenie można zatem wykryć np. poprzez wstrzyknięcie do obwodu małego prądu w punkcie C i pomiar napięć. W przypadku braku zwarcia, pojawi się spadek napięcia na rezystorach mostka względem masy wywołany dodatkowym prądem. Z kolei gdyby zwarcie nastąpiło między punktami C i D, to spadek napięcia będzie bardzo niewielki.

Detekcja uszkodzeń

Rys. 2. Zespół obwodów do wykrywania uszkodzeń na przykładzie układu LMP8358

W tabeli 1 przedstawiono poszczególne rodzaje możliwych uszkodzeń oraz metody ich diagnostyki. Na przykład rozwarcie w punkcie B spowoduje, że na obu wyjściach wzmacniacza pomiarowego pojawi się napięcie V+. Wykrycie tego uszkodzenia jest możliwe przez dokonanie na jednym z wejść wzmacniacza pomiaru, którego wynik będzie odbiegał od oczekiwanego poziomu ½·V+.

Diagnostyka możliwa jest również za pomocą dodatkowych układów cyfrowych umieszczonych na wejściu wzmacniacza pomiarowego wymuszających stany i dokonujących odczytów. Nie byłoby to możliwe za pomocą samego wzmacniacza, gdyż jest on z reguły przystosowany do pomiaru różnicy napięć, a nie poziomu napięcia na każdym z wejść względem masy.

W przypadku użycia cyfrowych układów testujących mostek pomiarowy należy brać pod uwagę kilka kwestii. Te dodatkowe obwody są źródłem pasożytniczych pojemności i upływów, które wpływają na wydajność wzmacniacza pomiarowego. Ponadto, jeśli sygnał wspólny uszkodzenia przekroczy wejściowy zakres sygnału wspólnego wzmacniacza pomiarowego, to odczyt napięcia będzie nieprawidłowy.

W takiej sytuacji wejście musi zostać sprowadzone z powrotem do zakresu pracy wzmacniacza. Powyższe problemy mogą utrudnić diagnostykę, jednak istnieją gotowe układy scalone zapewniające pełną diagnostykę mostkowego układu pomiarowego. Przykładem jest wzmacniacz pomiarowy LMP8358 firmy National Semiconductor z wbudowanym obwodem diagnostycznym (rys. 2), który nie wpływa na wydajność układu pomiarowego i umożliwia pomiar napięcia nawet wtedy, gdy znajduje się ono poza CMVR wzmacniacza wejściowego.

LMP8358 składa się z trzech elementów: wzmacniacza pomiarowego, bloku sterowania oraz bloku diagnostycznego. Blok sterowania pozwala użytkownikowi na ustawienie wewnętrznego rejestru konfigurującego układ. Do bloku diagnostycznego zalicza się źródło niezbędne do wstrzykiwania prądu, multiplekser pomiędzy zewnętrznymi i wewnętrznymi pinami wzmacniacza oraz blok dzielący przez 50, który może być wprowadzony do toru sygnałowego.

Wewnętrzny rejestr steruje funkcjami wykrywania uszkodzeń, ustala wzmocnienie i kompensację wzmacniacza oraz włącza tryb kalibracji lub oszczędzania mocy. Komunikacja z wewnętrznym rejestrem odbywa się poprzez szeregowe złącze SPI.

Działanie mechanizmu wykrywania uszkodzeń

Rys. 3. W przypadku rozwarcia poniżej mostka wzmacniacz pomiarowy z ustawionym na 50 wzmocnieniem wskaże napięcie na zewnętrznym pinie +IN

Jeśli w punkcie B nastąpi rozwarcie, to napięcie punktów C i D wyniesie V+. Jest to poziom znajdujący się poza wejściowym zakresem sygnału wspólnego (CMVR) układu LMP8358, który wynosi od -0,1 V do 3,6 V dla zasilania +5V. Jeśli wybrane zostanie ustawienie numer 5 wewnętrznego rejestru LMP8358 (rys. 2), to napięcie wejściowe +IN będzie dzielone przez 50, co sprowadzi napięcie z powrotem do zakresu CMVR wzmacniacza pomiarowego.

Ujemne wejście wewnętrznego wzmacniacza zostanie podłączone do ujemnego źródła, a wzmacniacz pomiarowy ustawiony na wzmocnienie 50 wskaże napięcie na zewnętrznym pinie +IN (rys. 3). Innym przykładem uszkodzenia jest rozwarcie w punkcie C, którego wynikiem będzie dryft napięcia wejściowego i wyjściowego.

Taką sytuację można wykryć poprzez włączenie bloku dzielenia przez 50 do toru sygnałowego, ustawienie wzmocnienia na 50 i wstrzyknięcie prądu do pinu wejściowego (rys. 4). Podobnie jak poprzednio, blok dzielenia przez 50 zapewni, że wejście znajdzie się w zakresie CMVR wzmacniacza. Wstrzyknięty prąd spowoduje wzrost napięcia wejściowego i wyjściowego do poziomu V+.

Sprawdzenie układu

Rys. 4. Rozwarcie na wejściu można wykryć poprzez wprowadzenie do toru sygnałowego bloku dzielącego przez 50, ustawienie wzmocnienia na 50 oraz wstrzyknięcie prądu do obwodu wejściowego

Diagnostyka uszkodzeń może być dokonywana automatycznie podczas pracy dzięki zaprogramowanej procedurze. Napięciowy sygnał wyjściowy LMP8358 będzie wtedy porównywany z wartościami odpowiadającymi możliwym uszkodzeniom, wskazując, czy układ działa poprawnie. Jeśli zostanie znaleziona usterka, to procedura wskaże jej konkretny rodzaj (tabela 2).

W wierszu oznaczonym jako "Brak uszkodzeń" widoczne są napięcia zmierzone dla testowych ustawień LMP8358 w przypadku poprawnie działającego układu. Pierwsze dwa z nich dotyczą typowej pracy, podczas gdy sześć pozostałych to ustawienia diagnostyczne. Każdy z ośmiu testów może zostać wykonany od razu po uruchomieniu.

Jeśli napięcie wyjściowe będzie zbliżone do wartości z pierwszego wiersza, to znaczy, że układ działa poprawnie. Uszkodzenie zostanie zasygnalizowane poziomem napięcia podanym w którymś z wierszy od 2 do 14. Funkcje diagnostyczne dostępne w LMP8358 upraszczają analizę rodzajów i skutków uszkodzeń podczas projektowania układu.

Tabela 2. Przykładowe 4 z 14 dostępnych testów napięć otrzymanych w wyniku procedury diagnostycznej

Co więcej, cecha ta pozwala projektantom zwiększyć wartość oferowanych produktów, ponieważ zapewnia, że cały system pracuje prawidłowo. Jeśli jednak pojawi się problem, obsługa otrzymuje istotną informację o rodzaju uszkodzenia, co pomaga w skróceniu czasu naprawy.

Grzegorz Michałowski