某型遠(yuǎn)程接口單元PT1000 電阻采集精度超差故障分析及解決措施

任玉明，趙 璽

（海軍裝備部，陜西 西安 710043）

0 引 言

PT1000 鉑熱電阻的阻值與溫度的變化成正比。當(dāng)PT1000 溫度為0 ℃時(shí)，它的阻值為1 000 Ω，在100 ℃時(shí)它的阻值約為1 385 Ω[1-4]。鉑熱電阻穩(wěn)定性好、電阻溫度系數(shù)高，還具有體積小、熱容量小、熱響應(yīng)快、耐受振動(dòng)和沖擊、一致性好等優(yōu)點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電機(jī)、工業(yè)、航空等領(lǐng)域。

在某型飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程接口單元進(jìn)行PT1000 電阻采集，以實(shí)現(xiàn)某些特定場(chǎng)景的溫度監(jiān)測(cè)等功能[6]。遠(yuǎn)程接口單元交聯(lián)的PT1000電阻實(shí)際變化范圍約為700～1 700 Ω，采集精度要求為3‰，即±3 Ω[7]。遠(yuǎn)程接口單元在進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)PT1000 電阻阻值為1 000 Ω 時(shí)，采集值為1 007.86 Ω，精度超出誤差±3 Ω 的要求[8]。針對(duì)該問題，筆者開展故障樹排查定位，分析精度超差故障的原因，給出了解決措施。

1 PT1000 電阻采集電路原理

PT1000 采集電路布局在遠(yuǎn)程接口單元的CPM 模塊中，電路如圖1 所示，Rx是本電路的采集目標(biāo)—PT1000 電阻，R1、R2、R3為分壓電阻，該電路按目標(biāo)電阻Rx變化范圍為500 ～2 000 Ω 進(jìn)行設(shè)計(jì)。Rx與內(nèi)部電阻分壓，再經(jīng)運(yùn)放AD620 放大[9-10]后進(jìn)入A/D 采集芯片進(jìn)行電壓采集，在軟件中將A/D 采集結(jié)果經(jīng)公式換算后得到Rx的阻值。

2 故障樹分析

PT1000 電阻采集精度超差故障的故障樹分析如圖2所示。

圖2 PT1000 電阻采集精度超差故障樹

根據(jù)故障樹，PT1000電阻采集精度超差故障分兩大部分：硬件故障和軟件故障。硬件故障又分為硬件失效和硬件電路設(shè)計(jì)問題。

2.1 X1 底事件：硬件問題

2.1.1 X1.1 底事件：硬件失效

PT1000 電阻采集電路位于CPM 模塊中，對(duì)狀態(tài)一致的其他2 塊CPM 模塊進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電阻采集值均不穩(wěn)定且跳變較大，采集結(jié)果超出誤差范圍不是個(gè)體現(xiàn)象。因此，可以排除X1.1.1 底事件—遠(yuǎn)程接口單元硬件個(gè)體失效。

測(cè)試CPM 模塊的其他模擬量采集電路，除PT1000 外，其余模擬量電路采集結(jié)果均正常。因CPM 模塊中模擬量采集電路形式類似，所選用運(yùn)放、A/D 采集等芯片的型號(hào)一致，因此，可以排除X1.1.2 底事件—硬件批次失效問題。

2.1.2 X1.2 底事件：硬件電路設(shè)計(jì)問題

（1）X1.2.1 底事件：運(yùn)放AD620 放大倍數(shù)設(shè)置不當(dāng)

如圖2 所示，Rx（PT1000 采集目標(biāo)電阻）與內(nèi)部電阻分壓后，經(jīng)運(yùn)放AD620 放大后進(jìn)入A/D 采集芯片。由于運(yùn)放的放大電阻R3未焊接，運(yùn)放放大倍數(shù)僅為1 倍（運(yùn)放AD620 的放大倍數(shù)G=49.4k/R3+1），因此當(dāng)Rx在500 ～2 000 Ω 區(qū)間變化時(shí)，進(jìn)入A/D 采集芯片的電壓變化區(qū)間為-0.83 ～0.36 V，有效電壓范圍僅為1.19 V。而A/D 采集芯片實(shí)際可采集的電壓范圍為-10 ～10 V。由于運(yùn)放放大倍數(shù)過(guò)小，進(jìn)入A/D 采集芯片的有效輸入電壓范圍過(guò)小，信噪比過(guò)低。因此，X1.2.1底事件“運(yùn)放AD620放大倍數(shù)設(shè)置不當(dāng)”不可排除。

（2）X1.2.2 底事件：芯片選型不當(dāng)

A/D 采集芯片選用的是ADI 公司的一款6 通道A/D 轉(zhuǎn)換器，主要由控制邏輯、SAR 寄存器、輸入輸出控制、基準(zhǔn)、時(shí)鐘、D/A 轉(zhuǎn)換器和比較器組合而成。該芯片分辨率為16 bits，采集精度約為±3 LSB，可滿足使用需求。在遠(yuǎn)程接口單元中，A/D 采集芯片除了用于PT1000 采集電路，還用于其他多種模擬量采集電路，除PT1000 外其他電路結(jié)果均正常。因此，可以排除X1.2.2 底事件“A/D 采集芯片選型不當(dāng)”。

2.2 X2 底事件：軟件問題

在軟件中，僅對(duì)A/D 采集芯片的A/D 采集結(jié)果按換算公式進(jìn)行換算，得到相應(yīng)PT1000 電阻值。經(jīng)核實(shí)，軟件中電阻值的換算公式無(wú)誤，可排除軟件問題。

2.3 故障分析結(jié)論

通過(guò)以上分析，故障可定位為硬件設(shè)計(jì)問題：“運(yùn)放AD620 放大倍數(shù)設(shè)置不當(dāng)”，電路進(jìn)入A/D 采集芯片的有效輸入電壓范圍過(guò)小，最終導(dǎo)致PT1000 電阻采集結(jié)果不能滿足誤差為±3 Ω 的要求。

3 糾正措施及驗(yàn)證情況

3.1 糾正措施

改進(jìn)PT1000 采集電路，增加放大電阻R3（型號(hào)RMK1608KB682WMT），將運(yùn)放（AD620）的放大倍數(shù)設(shè)置為8.265 倍，如此當(dāng)Rx在500 ～2 000 Ω 區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，進(jìn)入A/D 采集芯片的有效輸入電壓變化區(qū)間為-6.85 ～2.98 V，改進(jìn)后電路中A/D 采集的有效輸入電壓范圍由1.19 V 增大至9.83 V，有效提高A/D 采集信噪比。

改進(jìn)前的電路中，Rx每變化1 Ω，A/D 采集的電壓變化0.79 mV；改進(jìn)后的電路中，Rx每變化1 Ω，A/D 采集的電壓變化6.5 mV。在A/D 采集電壓精度一定的情況下，改進(jìn)后的電路有效提高了電阻采集精度。

3.2 糾正措施驗(yàn)證情況

在遠(yuǎn)程接口單元中落實(shí)糾正措施后進(jìn)行PT1000 采集測(cè)試，采集結(jié)果穩(wěn)定，且經(jīng)軟件校準(zhǔn)后，采集值誤差小于1 Ω，滿足誤差為±3 Ω 的要求。采集結(jié)果見表1 所列，將PT1000 電阻分別設(shè)置為700 Ω、1 000 Ω、1 300 Ω、1 600 Ω和1 900 Ω，每個(gè)電阻值連續(xù)采集5 次。

表1 PT1000 電路改進(jìn)后測(cè)試結(jié)果 Ω

見表1 所列，改進(jìn)后的電路PT1000 采集結(jié)果穩(wěn)定，所有采集結(jié)果誤差均在1 Ω 以內(nèi)，可滿足誤差為±3 Ω 的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

PT1000 電阻的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，在航空領(lǐng)域?qū)ζ洳杉木纫笤絹?lái)越高。故障樹分析是一種行之有效的故障分析方法，筆者針對(duì)某型遠(yuǎn)程接口單元PT1000 電阻采集精度超差故障，開展故障樹分析，找到了采集精度超差的原因，并給出行之有效的故障排除與解決方案，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)施，彌補(bǔ)了電路設(shè)計(jì)上的缺陷，提升了電路采集精度。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，故障分析合理，解決措施有效，原理正確。

通過(guò)此次故障分析與糾正過(guò)程，筆者認(rèn)識(shí)到，在高精度模擬量采集電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，需計(jì)算分析電路中每一個(gè)環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的誤差，同時(shí)須關(guān)注A/D 采集芯片輸入端的有效信號(hào)范圍，提升信噪比，以滿足高精度采集的需求。本電路具有較為典型的借鑒意義；同時(shí)，此次故障排查過(guò)程，可以為飛機(jī)系統(tǒng)同類故障排除工作提供一定的思路及參考經(jīng)驗(yàn)。