模拟量采集异常分析

高浩 施辰光

摘 要：为解决系统调试时位差beta值超差的问题，文章对控制处理模块的AD采集电路进行分析，改进了测试方法，减少了系统级的故障率。

关键词：模拟量;AD

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）01-001-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.01.001

计算机系统中，模拟量、数字量的采集与输出是最基本的功能，这些信号经系统处理后发出相应的控制信号对其他系统进行控制，因此模拟量、数字量的采集与输出发生异常时，会影响整个系统的功能。

某伺服系统调试时，相位差beta值超差，分析数据发现该故障是由控制处理模块相应输出信号异常引起的。

1 故障定位

1.1 产品工作原理

控制处理模块由F2812为中心的主处理单元、时钟及复位电路、CPLD电路、AD电路、PWM接口电路、串行接口、LDO线性稳压器等电路组成。

控制处理模块接收处理外部输入的4路模拟量信号，即CSIN、CCOS、JSIN、JCOS，信号特性为800Hz正弦信号，信号峰峰值最大±6V。外部输入的4路模拟量信号经过运放调理电路调理后，经过RC滤波电路到ADC芯片ADS8364进行模拟转换。AD电路工作原理图如图1所示[1]。

AD测试软件工作原理如下：

DSP启动ADC芯片开始模拟转换;

DSP启动定时器，定时周期为10ms;

在DSP定时中断服务程序中，对4路模拟量信号进行顺序采集;

当每个通道采集200个数后，关闭中断。

AD测试软件根据采集到的数据进行各类测试计算，并对结果进行评判。

1.2 故障分析

通过对控制處理模块AD电路的分析，可能产生的故障原因如下：

AD转换芯片ADS8364故障;

AD前端运放电路AD8606故障;

前端运放调理电路电阻故障;

前端运放调理电路电容故障。

进一步分析可知，AD转换芯片ADS8364同时处理4路模拟量信号，其余3路均正常，因此可排除ADS8364故障的可能;运放AD8606同时处理2路模拟量信号，除故障通路外，另一路工作正常，因此可排除AD8606故障的可能;使用万用表对前端运放调理电路电阻进行测量，未见异常，通过外部输入直流信号测量运放电压输出，结果正常，可以排除电阻故障的可能。

在AD电路前端注入正弦信号，信号幅度为+6V，偏置电压为0V，频率为800Hz，通过控制处理模块AD电路后的输出结果如图2所示。

针对输出结果，结合硬件电路的逻辑图进行分析可知，CSIN、CCOS、JSIN、JCOS通道的运放局部电路、电容调理电路所选用的器件型号、厂家均一致，理论上测得的数值一致性会比较好，但是根据测试结果，CSIN通道数值比其他通道小0.1左右。通过计算，输出的波形幅度要比其余通道幅值低约100毫伏，故此部分电路输出差异造成系统相位差beta值超差的可能性无法排除。为准确定位故障电容，在板对电容的容值进行测量，测量结果表明CSIN通道调理电容容值相对于其余通道的容值较大。

理论分析认为，容值大会造成交流测试结果的幅度值偏低[2]，输出幅度偏差较大会引起系统相位差beta值超差。

2 机理分析

2.1 采集工作原理

以CSIN通道为例，其余通道信号的局部电路与其基本一致。差分信号CSIN+和CSIN-经过运算放大器AD8606后产生信号CSIN。该信号经过一级RC滤波后进入AD芯片的CHB0+管脚，其中电容C3与AGND相连，C26与AD1REF相连，AD芯片的CHB0-管脚连接AD1REF（2.5V）。

2.2 故障机理分析

根据通道数据采集工作原理，从运放AD8606的输出端至AD芯片ADS8364的输入端之间的电路相当于一个RC低通滤波电路[3]。根据RC低通滤波电路的特性，当电容减小时，其两端分压会增大[4]，如图3所示。

按照原理图在仿真软件NI multisim中建立了如图4所示的电路，并对其进行了仿真（输入条件：信号源频率800Hz，峰峰值为5.00V，偏置电压为2.5V）。

通过改变电路中C3（对应控制板中的C26电容）的电容值，当C3容值为0.1uF时，检测到的CSIN信号的峰峰值为3.51V;当C3容值为0.01uF时，检测到的CSIN信号的峰峰值为4.38V;当C3容值为0.001uF时，检测到的CSIN信号的峰峰值为4.46V。

因此，可以确定系统相位差beta值超差是由前端运放调理电路电容故障引起的。

3 后续处理

针对AD交流测试指标进行研究后，修改控制处理模块测试方法，对模拟量采集电路进行专门的交流测试，即：对AD电路注入规定频率和幅度的交流后，对采集结果进行判断，符合预期要求则认为模块工作正常，否则认为模块存在缺陷，需进行维修处理。

4 结语

模拟量采集和处理作为控制处理模块的基本功能，会直接影响整个系统的正常运行，因此在设计与测试阶段应进行充分、有效的测试，防止故障产品流入下一环节。

参考文献

[1] 杨光，鲁新龙.2S83A及精粗组合算法简介[J].山西电子技术，2009（2）：12-14.

[2] 李宝龙，李宝珺.高精度数字化轴角转换器的设计[J].科技咨询，2011（19）：26-28.

[3] 郜开开，王佳民，王卿.基于导引头控制系统的状态观测器的应用[J].系统仿真学报，2013（12）：33-35.

[4] 刘学军，刘昌权，肖福勤，等.双通道多级旋转变压器误差补偿的研究分析[J].工业控制计算机，2010（11）：62-64.