摘要

LHA5115 是一款面向工業(yè)自動化領(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，傳感器或輸入信號斷線可能導(dǎo)致測量失效或精度劣化，嚴重威脅系統(tǒng)可靠性。本文系統(tǒng)研究了LHA5115 的斷線檢測機制，通過理論推導(dǎo)與實驗驗證，提出基于雙電源架構(gòu)的負壓偏置設(shè)計方案。實驗表明：該方案可區(qū)分斷線狀態(tài)與正常信號。相比傳統(tǒng)電路，本方法在保持原有性能的同時顯著提升了系統(tǒng)的容錯能力與穩(wěn)定性，滿足工業(yè)場景的嚴苛需求。

1.?引言

在工業(yè)4.0框架下，工業(yè)自動化系統(tǒng)正加速向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向演進，其模擬信號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)場景中發(fā)生概率較低，但其潛在風(fēng)險可能通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速擴散，引發(fā)控制網(wǎng)絡(luò)誤動作、產(chǎn)線級聯(lián)停機等系統(tǒng)性故障，造成重大經(jīng)濟損失。傳統(tǒng)模擬前端電路受限于單電源架構(gòu)的電壓閾值檢測盲區(qū)，已無法滿足智能工廠對設(shè)備健康狀態(tài)的全生命周期監(jiān)測需求。本文基于LHA5115芯片的雙電源（±2.5 V）供電特性，創(chuàng)新設(shè)計負壓偏置斷線檢測架構(gòu)，通過重構(gòu)輸入偏置網(wǎng)絡(luò)使斷線態(tài)差分電壓突破傳統(tǒng)檢測邊界，形成具有顯著辨識度的負向電壓特征，從而實現(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)場景設(shè)計，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125K SPS。? 支持8個全差分或16個單端通道，輸入范圍±20V，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/℃、10ppm/℃的2.5V精密基準源。

圖1. LHA5115系統(tǒng)框圖

3. LHA5115簡化模擬量采集的設(shè)計復(fù)雜度

針對工業(yè)自動化等應(yīng)用的嚴格需求，往往要耗費大量研發(fā)資源來開發(fā)高性能、分立式精密線性信號鏈采集模塊，以實現(xiàn)測量、保護、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+精密運放+精密分壓電阻+ADC的分立式設(shè)計，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，還需考慮過壓、過流和ESD保護等事件，如圖2所示。

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圖2. 傳統(tǒng)分立方案簡圖

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)、多路模擬開關(guān)、運放、ADC、精密基準源和內(nèi)部時鐘等功能，如圖3所示。

? 僅需低壓5V單電源供電，即可承受額定值為 ±65 V的高壓輸入，降低輸入端的過壓和過流的保護要求，并極大簡化電源軌設(shè)計。

? 芯片出廠已校準，并提供4種自校準模式，可輕松實現(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進行多通道序列采樣。

? 小尺寸封裝簡化了PCB布局并支持高通道密度，與傳統(tǒng)分立式信號鏈相比，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現(xiàn)小型化。

? LHA5115通過將元件選擇、優(yōu)化和布局從設(shè)計人員轉(zhuǎn)移到器件本身，簡化了信號鏈設(shè)計，有效縮短精密采集系統(tǒng)的開發(fā)周期。

圖3. LHA5115集成方案

4. 常規(guī)電路的斷線檢測局限性

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

圖4. 簡化電壓輸入電路

4.1. 單端/偽差分輸入模式

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

圖5. 單端輸入電路

正常工作時，ADC負端電壓為：

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

當輸入信號范圍是0~10 V時，ADC差分電壓是0~1 V，如圖6所示。

圖6. 單端輸入（0~10V）時ADC差分電壓

當輸入斷線時，ADC負端電壓保持不變：

VAINM?≈ 2.25 V

正端電壓等效為兩個222KΩ電阻串聯(lián)分壓：

VAINP?= AVDD / 2 = 2.5 V

此時的ADC差分電壓為：

VDIFF?= VAINP?- VAINM?= 0.25 V

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

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

4.2. 全差分輸入模式

為進一步驗證常規(guī)設(shè)計的局限性，本節(jié)進一步分析全差分輸入場景。設(shè)AVDD = 5V，VBIAS- = 0V，VIN0接信號P端，VIN1接信號N端，不使用VINCOM公共端，此時VIN0/VIN1是一對差分輸入。如圖7所示。

圖7. 全差分輸入電路

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

圖8. 全差分輸入（±10V）時ADC差分電壓

可驗證，圖7所示全差分輸入電路中，斷線時可能出現(xiàn)以下兩種情形：

? 雙端斷線：當差分輸入信號同時發(fā)生斷線時，差分輸出電壓是0V。

? 單端斷線：當差分輸入信號P端單獨斷線時，差分輸出電壓-0.75V到+0.25V；當差分輸入信號N端單獨斷線時，差分輸出電壓-0.25V到+0.75V。

分析表明，常規(guī)設(shè)計下，不論出現(xiàn)何種情況斷線，ADC檢測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)間分離機制，無法可靠檢測斷線故障。

5. LHA5115斷線檢測方案設(shè)計

LHA5115支持雙電源供電，可以利用負壓偏置來檢測輸入信號的電壓變化，以判斷輸入是否斷線。

5.1. 單端/偽差分輸入實現(xiàn)斷線檢測

與常規(guī)設(shè)計相比，使用LHA5115特有的正負電源供電，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。

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圖9. LHA5115單端輸入的斷線檢測電路

分析表明，新增下拉電阻對正常工作狀態(tài)幾乎無影響。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)信號輸入范圍是0~10V，可計算得出，正常工作情況下ADC差分電壓范圍是0~1V。

發(fā)生斷線時，ADC負端電壓保持不變：

VAINM?= 0 V

ADC正端電壓變化為：

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

此時的ADC差分電壓為：

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

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

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

5.2. 全差分輸入實現(xiàn)斷線檢測

與常規(guī)設(shè)計相比，使用LHA5115特有的正負電源供電，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電路

可計算得出，當輸入信號的差分電壓范圍為±10V（輸入電壓0~10V）時，ADC差分電壓范圍是±1V。

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

? 雙端斷線：當差分輸入信號同時發(fā)生斷線時，AINP電壓是-0.131V，AINM電壓是-0.131V，ADC差分電壓是0V。

? 單端斷線：當差分輸入信號P端單獨斷線時，AINP電壓是-0.131V，AINM電壓范圍0~1V，ADC差分電壓范圍-0.131V~-1.131V；當差分輸入信號M端單獨斷線時，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VIN0/VINCOM、VIN1/VINCOM和VIN0/VIN1的不同組合，設(shè)定檢測策略如下：

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

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

? 在模擬輸入通道上執(zhí)行測量操作期間，當檢測到VIN0/VIN1組合對應(yīng)的ADC差分電壓值出正常范圍（±1V）時，都有可能出現(xiàn)了輸入斷線，此時可切換到VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM組合進行動態(tài)斷線檢測。

5.3.?無下拉電阻的斷線檢測

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

對于16個單端模擬輸入AIN0~AIN15，VINCOM接地。當輸入正常時，檢測到的輸入電壓>=1V；當輸入斷線浮空時，檢測到的輸入電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。

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

對于8對全差分輸入，VINCOM接地。當輸入正常時，檢測到的輸入電壓在 ±1V到±10V之間。雙線斷線時，檢測到的差分電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。單線斷線時，信號正負端分別對VINCOM進行單端測量，斷線端電壓約為0V，在正常區(qū)間之外。

6.?實際驗證與分析

測試平臺搭建。使用 LHA5115 開發(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；

? 信號源：0~5V可調(diào)；

? 輸入通道：VIN4/VIN5組合，其中VIN4輸入接信號源，VIN5輸入接地；

? 下拉電阻：VIN4接1M電阻到AVSS；

? 采樣率：20 SPS。

圖11. LHA5115開發(fā)板的偽差分輸入斷線檢測電路

正常工作時，采集到的信號電壓約為2.5V，與輸入信號基本一致。

輸入斷線時，VIN4電壓約為-1.4V，對應(yīng)ADC差分電壓約-1.4 * 0.1 = -0.14 V，與理論計算值基本相符（注：上文理論計算所使用的是簡化電路模型。為保證小輸入阻抗大于1M歐姆，實際芯片電路設(shè)計略有差異，其完整模型與實測值一致，簡化模型不影響終結(jié)果）。

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

7. 結(jié)論

本文提出的 LHA5115 斷線檢測方案通過雙電源架構(gòu)與負壓偏置設(shè)計，實現(xiàn)了斷線狀態(tài)的快速診斷。實驗表明：斷線時差分電壓偏移至 -0.14 V（與理論值相符），與正常信號完全分離。該方法兼容單端、偽差分及全差分輸入模式，對系統(tǒng)原有性能影響可忽略，滿足工業(yè)場景可靠性需求。