工業(yè)4.0斷線檢測(cè)挑戰(zhàn)?LHA5115雙電源負(fù)壓黑科技,精準(zhǔn)揪出故障

摘要LHA5115 是一款面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的高精度、低功耗模擬前端（AFE）芯片，廣泛應(yīng)用于過(guò)程控制、傳感器接口及分布式控制系統(tǒng)。在工業(yè)應(yīng)用中，傳感器或輸入信號(hào)斷線可能導(dǎo)致測(cè)量失效或精度劣化，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)可靠性。本文系統(tǒng)研究了LHA5115 的斷線檢測(cè)機(jī)制，通過(guò)理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出基于雙電源架構(gòu)的負(fù)壓偏置設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明：該方案可精準(zhǔn)區(qū)分?jǐn)嗑€狀態(tài)與正常信號(hào)。相比傳統(tǒng)電路，本方法在保持原有性能的同時(shí)顯著提升了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力與穩(wěn)定性，滿足工業(yè)場(chǎng)景的嚴(yán)苛需求。

1.引言

在工業(yè)4.0框架下，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)正加速向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向演進(jìn)，其模擬信號(hào)鏈路完整性直接決定了控制精度與設(shè)備安全水平。盡管斷線故障在傳統(tǒng)工業(yè)場(chǎng)景中發(fā)生概率較低，但其潛在風(fēng)險(xiǎn)可能通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速擴(kuò)散，引發(fā)控制網(wǎng)絡(luò)誤動(dòng)作、產(chǎn)線級(jí)聯(lián)停機(jī)等系統(tǒng)性故障，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)模擬前端電路受限于單電源架構(gòu)的電壓閾值檢測(cè)盲區(qū)，已無(wú)法滿足智能工廠對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的全生命周期監(jiān)測(cè)需求。本文基于LHA5115芯片獨(dú)特的雙電源（±2.5 V）供電特性，創(chuàng)新設(shè)計(jì)負(fù)壓偏置斷線檢測(cè)架構(gòu)，通過(guò)重構(gòu)輸入偏置網(wǎng)絡(luò)使斷線態(tài)差分電壓突破傳統(tǒng)檢測(cè)邊界，形成具有顯著辨識(shí)度的負(fù)向電壓特征，從而實(shí)現(xiàn)故障快速診斷，為智能制造提供了底層感知保障。

2.LHA5115芯片架構(gòu)與特性

LHA5115 是一款 24 位 Σ-Δ 型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），專為高可靠性工業(yè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖1所示，關(guān)鍵特性如下： ?高精度轉(zhuǎn)換，24 位分辨率，低噪聲，速率高達(dá)125K SPS。 ?支持8個(gè)全差分或16個(gè)單端通道，輸入范圍±20V，絕對(duì)耐壓±65V。 ?前端集成高精密匹配電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，輸入阻抗≥1MΩ。 ?集成初始精度0.12%，溫漂典型3ppm/℃、最大10ppm/℃的2.5V精密基準(zhǔn)源。

圖1. LHA5115系統(tǒng)框圖

3.LHA5115簡(jiǎn)化模擬量采集的設(shè)計(jì)復(fù)雜度

針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用的嚴(yán)格需求，往往要耗費(fèi)大量研發(fā)資源來(lái)開(kāi)發(fā)高性能、分立式精密線性信號(hào)鏈采集模塊，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、保護(hù)、調(diào)節(jié)和采集等功能。傳統(tǒng)的模擬量采集方案，通常采用多路復(fù)用器+精密運(yùn)放+精密分壓電阻+ADC的分立式設(shè)計(jì)，需要復(fù)雜的電源軌以創(chuàng)建雙極性高壓電源給模擬前端供電，還需考慮過(guò)壓、過(guò)流和ESD保護(hù)等事件，如圖2所示。

圖2. 傳統(tǒng)分立方案簡(jiǎn)圖

與傳統(tǒng)方案相比，高度集成化的LHA5115內(nèi)含精密電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、多路模擬開(kāi)關(guān)、運(yùn)放、ADC、精密基準(zhǔn)源和內(nèi)部時(shí)鐘等功能，如圖3所示。

?僅需低壓5V單電源供電，即可承受最大額定值為 ±65 V的高壓輸入，降低輸入端的過(guò)壓和過(guò)流的保護(hù)要求，并極大簡(jiǎn)化電源軌設(shè)計(jì)。

?芯片出廠已校準(zhǔn)，并提供4種自校準(zhǔn)模式，可輕松實(shí)現(xiàn)0.06%（@25℃）電壓采樣精度和0.08%（@25℃）電流采樣精度。

?提供靈活的數(shù)字濾波器選擇，包括Sinc3、Sinc5+Sinc1和50Hz/60Hz抑制濾波器。

?提供可配置的多通道寄存器自動(dòng)進(jìn)行多通道序列采樣。

?小尺寸封裝簡(jiǎn)化了PCB布局并支持高通道密度，與傳統(tǒng)分立式信號(hào)鏈相比，LHA5115的6 mm × 6 mm QFN封裝尺寸至少縮減了4倍，可在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)小型化。

?LHA5115通過(guò)將元件選擇、優(yōu)化和布局從設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)移到器件本身，簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈設(shè)計(jì)，有效縮短精密采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

圖3. LHA5115集成方案

4.常規(guī)電路的斷線檢測(cè)局限性

設(shè)輸入信號(hào)0~10V，電源電壓使用+5V/0V供電。如圖4所示，LHA5115的簡(jiǎn)化輸入電路由1MΩ輸入電阻以及兩個(gè)222KΩ偏置電阻組成。由于ADC前端集成了電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，斷線后檢測(cè)到的信號(hào)電壓在正常輸入信號(hào)范圍以內(nèi)，無(wú)法區(qū)分是否存在輸入斷線。

圖4. 簡(jiǎn)化電壓輸入電路

4.1. 單端/偽差分輸入模式

首先討論常規(guī)設(shè)計(jì)下單端或偽差分輸入的情況。設(shè)AVDD = 5V，VBIAS- = 0V，VINCOM接0V，此時(shí)VIN0~VIN15是16個(gè)單端信號(hào)輸入，AINP和AINM分別是ADC的差分輸入端，如圖5所示。偽差分輸入時(shí)，將偽差分輸入的負(fù)輸入端接地，正輸入端接信號(hào)源，與單端模式類似。

圖5. 單端輸入電路

正常工作時(shí)，ADC負(fù)端電壓為：

VAINM = 1000 * AVDD/2222 ≈ 2.25 V

ADC正端電壓為：

VAINP = 1000 * AVDD/2222 + 222 * VIN/2222 ≈ 2.25 + 0.1 * VIN V

ADC差分電壓為：

VDIFF = VAINP - VAINM = 0.1 * VIN V

當(dāng)輸入信號(hào)范圍是0~10 V時(shí)，ADC差分電壓是0~1 V，如圖6所示。

圖6. 單端輸入（0~10V）時(shí)ADC差分電壓

當(dāng)輸入斷線時(shí)，ADC負(fù)端電壓保持不變：

VAINM ≈ 2.25 V

正端電壓等效為兩個(gè)222KΩ電阻串聯(lián)分壓：

VAINP = AVDD / 2 = 2.5 V

此時(shí)的ADC差分電壓為：

VDIFF = VAINP - VAINM = 0.25 V

顯然，斷線時(shí)ADC檢測(cè)到的差分電壓（0.25V）在正常工作電壓（0~1V）范圍以內(nèi)，導(dǎo)致斷線狀態(tài)無(wú)法被識(shí)別。

可驗(yàn)證，偽差分模式的分析結(jié)果與單端模式一致，同樣無(wú)法識(shí)別斷線狀態(tài)。

4.2. 全差分輸入模式

為進(jìn)一步驗(yàn)證常規(guī)設(shè)計(jì)的局限性，本節(jié)進(jìn)一步分析全差分輸入場(chǎng)景。設(shè)AVDD = 5V，VBIAS- = 0V，VIN0接信號(hào)P端，VIN1接信號(hào)N端，不使用VINCOM公共端，此時(shí)VIN0/VIN1是一對(duì)差分輸入。如圖7所示。

圖7. 全差分輸入電路

設(shè)全差分輸入信號(hào)范圍是±10V，可以計(jì)算得出，正常工作時(shí)的ADC差分電壓范圍是±1V，如圖8所示。

圖8. 全差分輸入（±10V）時(shí)ADC差分電壓

可驗(yàn)證，圖7所示全差分輸入電路中，斷線時(shí)可能出現(xiàn)以下兩種情形：

?雙端斷線：當(dāng)差分輸入信號(hào)同時(shí)發(fā)生斷線時(shí)，差分輸出電壓是0V。

?單端斷線：當(dāng)差分輸入信號(hào)P端單獨(dú)斷線時(shí)，差分輸出電壓-0.75V到+0.25V；當(dāng)差分輸入信號(hào)N端單獨(dú)斷線時(shí)，差分輸出電壓-0.25V到+0.75V。

分析表明，常規(guī)設(shè)計(jì)下，不論出現(xiàn)何種情況斷線，ADC檢測(cè)到的差分電壓都在正常工作電壓范圍以內(nèi)，因缺乏電壓區(qū)間分離機(jī)制，無(wú)法可靠檢測(cè)斷線故障。

5.LHA5115斷線檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

LHA5115支持雙電源供電，可以利用負(fù)壓偏置來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)的電壓變化，以判斷輸入是否斷線。

5.1. 單端/偽差分輸入實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè)

與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，使用LHA5115特有的正負(fù)電源供電，如圖9所示，AVDD 接+2.5V，AVSS接-2.5V，在單端輸入端增加1000KΩ下拉電阻偏置到AVSS，VINCOM端接地，VBIAS-端接AVSS。

圖9. LHA5115單端輸入的斷線檢測(cè)電路

分析表明，新增下拉電阻對(duì)正常工作狀態(tài)幾乎無(wú)影響。其輸入電壓基本不變，輸入電流略有增加，輸入阻抗略有降低。

設(shè)信號(hào)輸入范圍是0~10V，可計(jì)算得出，正常工作情況下ADC差分電壓范圍是0~1V。

發(fā)生斷線時(shí)，ADC負(fù)端電壓保持不變：

VAINM = 0 V

ADC正端電壓變化為：

VAINP = 2000* AVDD/4222 + 2222*AVSS/4222 = -0.131 V

此時(shí)的ADC差分電壓為：

VDIFF = VAINP - VAINM = -0.131 - 0 = -0.131 V

分析表明，斷線時(shí)ADC檢測(cè)到的差分電壓是負(fù)值，其顯著偏離正常工作電壓區(qū)間（0~1V），可通過(guò)閾值比較來(lái)判斷此時(shí)是斷線狀態(tài)。

偽差分輸入時(shí)，將偽差分輸入的負(fù)輸入端接地，正輸入端接信號(hào)源并增加下拉電阻至AVSS，與單端模式類似，可輕松實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè)。

5.2. 全差分輸入實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè)

與常規(guī)設(shè)計(jì)相比，使用LHA5115特有的正負(fù)電源供電，如圖10所示，AVDD 接+2.5V，AVSS接-2.5V，在VIN0和VIN1輸入端分別增加1000KΩ下拉電阻偏置到AVSS，將VINCOM輸入端接地，VBIAS-端接AVSS。

圖10. LHA5115全差分輸入的斷線檢測(cè)電路

可計(jì)算得出，當(dāng)輸入信號(hào)的差分電壓范圍為±10V（絕對(duì)輸入電壓0~10V）時(shí)，ADC差分電壓范圍是±1V。

可驗(yàn)證，圖10所示全差分輸入電路中，斷線時(shí)可能出現(xiàn)以下兩種情形：

?雙端斷線：當(dāng)差分輸入信號(hào)同時(shí)發(fā)生斷線時(shí)，AINP電壓是-0.131V，AINM電壓是-0.131V，ADC差分電壓是0V。

?單端斷線：當(dāng)差分輸入信號(hào)P端單獨(dú)斷線時(shí)，AINP電壓是-0.131V，AINM電壓范圍0~1V，ADC差分電壓范圍-0.131V~-1.131V；當(dāng)差分輸入信號(hào)M端單獨(dú)斷線時(shí)，AINP電壓范圍0~1V，AINM電壓是-0.131V，ADC差分電壓范圍+0.131V~+1.131V。

通過(guò)VIN0/VINCOM、VIN1/VINCOM和VIN0/VIN1的不同組合，設(shè)定檢測(cè)策略如下：

?在模擬輸入通道上執(zhí)行測(cè)量操作之前，可以利用VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM組合來(lái)確認(rèn)信號(hào)輸入P端和N端是否斷線，具體原理和實(shí)現(xiàn)方式與單端模式類似。

?在模擬輸入通道上執(zhí)行測(cè)量操作期間，可以周期性切換至VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM組合進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷線檢測(cè)。

?在模擬輸入通道上執(zhí)行測(cè)量操作期間，當(dāng)檢測(cè)到VIN0/VIN1組合對(duì)應(yīng)的ADC差分電壓值超出正常范圍（±1V）時(shí)，都有可能出現(xiàn)了輸入斷線，此時(shí)可切換到VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM組合進(jìn)行動(dòng)態(tài)斷線檢測(cè)。

5.3.無(wú)下拉電阻的斷線檢測(cè)

若用戶系統(tǒng)中限制額外增加元件，僅使用LHA5115特有的正負(fù)電源供電，可通過(guò)限定輸入范圍（如 1~10 V），預(yù)留出0V附近的電壓區(qū)段不使用來(lái)實(shí)現(xiàn)斷線檢測(cè)。具體分析如下：

對(duì)于16個(gè)單端模擬輸入AIN0~AIN15，VINCOM接地。當(dāng)輸入正常時(shí)，檢測(cè)到的輸入電壓>=1V；當(dāng)輸入斷線浮空時(shí)，檢測(cè)到的輸入電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。

對(duì)于8對(duì)偽差分輸入，每一對(duì)組合的負(fù)輸入段接地，與單端類似，只需要判斷正輸入端是否斷線。當(dāng)輸入正常時(shí)，檢測(cè)到的輸入電壓>=1V；當(dāng)輸入斷線浮空時(shí)，檢測(cè)到的輸入電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。

對(duì)于8對(duì)全差分輸入，VINCOM接地。當(dāng)輸入正常時(shí)，檢測(cè)到的輸入電壓在 ±1V到±10V之間。雙線斷線時(shí)，檢測(cè)到的差分電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。單線斷線時(shí)，信號(hào)正負(fù)端分別對(duì)VINCOM進(jìn)行單端測(cè)量，斷線端電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。

6.實(shí)際驗(yàn)證與分析

測(cè)試平臺(tái)搭建。使用 LHA5115 開(kāi)發(fā)板搭建偽差分輸入電路，如圖11所示，具體配置如下：

?電源：±2.5V雙電源；

?信號(hào)源：0~5V可調(diào)；

?輸入通道：VIN4/VIN5組合，其中VIN4輸入接信號(hào)源，VIN5輸入接地；

?下拉電阻：VIN4接1M電阻到AVSS；

?采樣率：20 SPS。

圖11. LHA5115開(kāi)發(fā)板的偽差分輸入斷線檢測(cè)電路

正常工作時(shí)，采集到的信號(hào)電壓約為2.5V，與輸入信號(hào)基本一致。

輸入斷線時(shí)，VIN4電壓約為-1.4V，對(duì)應(yīng)ADC差分電壓約-1.4 * 0.1 = -0.14 V，與理論計(jì)算值基本相符（注：上文理論計(jì)算所使用的是簡(jiǎn)化電路模型。為保證最小輸入阻抗大于1M歐姆，實(shí)際芯片電路設(shè)計(jì)略有差異，其完整模型與實(shí)測(cè)值一致，簡(jiǎn)化模型不影響最終結(jié)果）。

通過(guò)設(shè)定合適的閾值（如檢測(cè)到ADC差分電壓小于-0.1V），即可判斷信號(hào)輸入是否斷線。

7.結(jié)論

本文提出的 LHA5115 斷線檢測(cè)方案通過(guò)雙電源架構(gòu)與負(fù)壓偏置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了斷線狀態(tài)的快速診斷。實(shí)驗(yàn)表明：斷線時(shí)差分電壓偏移至 -0.14 V（與理論值相符），與正常信號(hào)完全分離。該方法兼容單端、偽差分及全差分輸入模式，對(duì)系統(tǒng)原有性能影響可忽略，滿足工業(yè)場(chǎng)景可靠性需求。