工业4.0断线检测挑战?LHA5115双电源负压黑科技,精准揪出故障

摘要LHA5115 是一款面向工业自动化领域的高精度、低功耗模拟前端（AFE）芯片，广泛应用于过程控制、传感器接口及分布式控制系统。在工业应用中，传感器或输入信号断线可能导致测量失效或精度劣化，严重威胁系统可靠性。本文系统研究了LHA5115 的断线检测机制，通过理论推导与实验验证，提出基于双电源架构的负压偏置设计方案。实验表明：该方案可精准区分断线状态与正常信号。相比传统电路，本方法在保持原有性能的同时显著提升了系统的容错能力与稳定性，满足工业场景的严苛需求。

1.引言

在工业4.0框架下，工业自动化系统正加速向智能化、网络化方向演进，其模拟信号链路完整性直接决定了控制精度与设备安全水平。尽管断线故障在传统工业场景中发生概率较低，但其潜在风险可能通过工业互联网快速扩散，引发控制网络误动作、产线级联停机等系统性故障，造成重大经济损失。传统模拟前端电路受限于单电源架构的电压阈值检测盲区，已无法满足智能工厂对设备健康状态的全生命周期监测需求。本文基于LHA5115芯片独特的双电源（±2.5 V）供电特性，创新设计负压偏置断线检测架构，通过重构输入偏置网络使断线态差分电压突破传统检测边界，形成具有显著辨识度的负向电压特征，从而实现故障快速诊断，为智能制造提供了底层感知保障。

2.LHA5115芯片架构与特性

LHA5115 是一款 24 位 Σ-Δ 型模数转换器（ADC），专为高可靠性工业场景设计，系统框图如图1所示，关键特性如下： ?高精度转换，24 位分辨率，低噪声，速率高达125K SPS。 ?支持8个全差分或16个单端通道，输入范围±20V，绝对耐压±65V。 ?前端集成高精密匹配电阻分压网络，输入阻抗≥1MΩ。 ?集成初始精度0.12%，温漂典型3ppm/℃、最大10ppm/℃的2.5V精密基准源。

图1. LHA5115系统框图

3.LHA5115简化模拟量采集的设计复杂度

针对工业自动化等应用的严格需求，往往要耗费大量研发资源来开发高性能、分立式精密线性信号链采集模块，以实现测量、保护、调节和采集等功能。传统的模拟量采集方案，通常采用多路复用器+精密运放+精密分压电阻+ADC的分立式设计，需要复杂的电源轨以创建双极性高压电源给模拟前端供电，还需考虑过压、过流和ESD保护等事件，如图2所示。

图2. 传统分立方案简图

与传统方案相比，高度集成化的LHA5115内含精密电阻分压网络、多路模拟开关、运放、ADC、精密基准源和内部时钟等功能，如图3所示。

?仅需低压5V单电源供电，即可承受最大额定值为 ±65 V的高压输入，降低输入端的过压和过流的保护要求，并极大简化电源轨设计。

?芯片出厂已校准，并提供4种自校准模式，可轻松实现0.06%（@25℃）电压采样精度和0.08%（@25℃）电流采样精度。

?提供灵活的数字滤波器选择，包括Sinc3、Sinc5+Sinc1和50Hz/60Hz抑制滤波器。

?提供可配置的多通道寄存器自动进行多通道序列采样。

?小尺寸封装简化了PCB布局并支持高通道密度，与传统分立式信号链相比，LHA5115的6 mm × 6 mm QFN封装尺寸至少缩减了4倍，可在不牺牲性能的情况下实现小型化。

?LHA5115通过将元件选择、优化和布局从设计人员转移到器件本身，简化了信号链设计，有效缩短精密采集系统的开发周期。

图3. LHA5115集成方案

4.常规电路的断线检测局限性

设输入信号0~10V，电源电压使用+5V/0V供电。如图4所示，LHA5115的简化输入电路由1MΩ输入电阻以及两个222KΩ偏置电阻组成。由于ADC前端集成了电阻分压网络，断线后检测到的信号电压在正常输入信号范围以内，无法区分是否存在输入断线。

图4. 简化电压输入电路

4.1. 单端/伪差分输入模式

首先讨论常规设计下单端或伪差分输入的情况。设AVDD = 5V，VBIAS- = 0V，VINCOM接0V，此时VIN0~VIN15是16个单端信号输入，AINP和AINM分别是ADC的差分输入端，如图5所示。伪差分输入时，将伪差分输入的负输入端接地，正输入端接信号源，与单端模式类似。

图5. 单端输入电路

正常工作时，ADC负端电压为：

VAINM = 1000 * AVDD/2222 ≈ 2.25 V

ADC正端电压为：

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

ADC差分电压为：

VDIFF = VAINP - VAINM = 0.1 * VIN V

当输入信号范围是0~10 V时，ADC差分电压是0~1 V，如图6所示。

图6. 单端输入（0~10V）时ADC差分电压

当输入断线时，ADC负端电压保持不变：

VAINM ≈ 2.25 V

正端电压等效为两个222KΩ电阻串联分压：

VAINP = AVDD / 2 = 2.5 V

此时的ADC差分电压为：

VDIFF = VAINP - VAINM = 0.25 V

显然，断线时ADC检测到的差分电压（0.25V）在正常工作电压（0~1V）范围以内，导致断线状态无法被识别。

可验证，伪差分模式的分析结果与单端模式一致，同样无法识别断线状态。

4.2. 全差分输入模式

为进一步验证常规设计的局限性，本节进一步分析全差分输入场景。设AVDD = 5V，VBIAS- = 0V，VIN0接信号P端，VIN1接信号N端，不使用VINCOM公共端，此时VIN0/VIN1是一对差分输入。如图7所示。

图7. 全差分输入电路

设全差分输入信号范围是±10V，可以计算得出，正常工作时的ADC差分电压范围是±1V，如图8所示。

图8. 全差分输入（±10V）时ADC差分电压

可验证，图7所示全差分输入电路中，断线时可能出现以下两种情形：

?双端断线：当差分输入信号同时发生断线时，差分输出电压是0V。

?单端断线：当差分输入信号P端单独断线时，差分输出电压-0.75V到+0.25V；当差分输入信号N端单独断线时，差分输出电压-0.25V到+0.75V。

分析表明，常规设计下，不论出现何种情况断线，ADC检测到的差分电压都在正常工作电压范围以内，因缺乏电压区间分离机制，无法可靠检测断线故障。

5.LHA5115断线检测方案设计

LHA5115支持双电源供电，可以利用负压偏置来检测输入信号的电压变化，以判断输入是否断线。

5.1. 单端/伪差分输入实现断线检测

与常规设计相比，使用LHA5115特有的正负电源供电，如图9所示，AVDD 接+2.5V，AVSS接-2.5V，在单端输入端增加1000KΩ下拉电阻偏置到AVSS，VINCOM端接地，VBIAS-端接AVSS。

图9. LHA5115单端输入的断线检测电路

分析表明，新增下拉电阻对正常工作状态几乎无影响。其输入电压基本不变，输入电流略有增加，输入阻抗略有降低。

设信号输入范围是0~10V，可计算得出，正常工作情况下ADC差分电压范围是0~1V。

发生断线时，ADC负端电压保持不变：

VAINM = 0 V

ADC正端电压变化为：

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

此时的ADC差分电压为：

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

分析表明，断线时ADC检测到的差分电压是负值，其显著偏离正常工作电压区间（0~1V），可通过阈值比较来判断此时是断线状态。

伪差分输入时，将伪差分输入的负输入端接地，正输入端接信号源并增加下拉电阻至AVSS，与单端模式类似，可轻松实现断线检测。

5.2. 全差分输入实现断线检测

与常规设计相比，使用LHA5115特有的正负电源供电，如图10所示，AVDD 接+2.5V，AVSS接-2.5V，在VIN0和VIN1输入端分别增加1000KΩ下拉电阻偏置到AVSS，将VINCOM输入端接地，VBIAS-端接AVSS。

图10. LHA5115全差分输入的断线检测电路

可计算得出，当输入信号的差分电压范围为±10V（绝对输入电压0~10V）时，ADC差分电压范围是±1V。

可验证，图10所示全差分输入电路中，断线时可能出现以下两种情形：

?双端断线：当差分输入信号同时发生断线时，AINP电压是-0.131V，AINM电压是-0.131V，ADC差分电压是0V。

?单端断线：当差分输入信号P端单独断线时，AINP电压是-0.131V，AINM电压范围0~1V，ADC差分电压范围-0.131V~-1.131V；当差分输入信号M端单独断线时，AINP电压范围0~1V，AINM电压是-0.131V，ADC差分电压范围+0.131V~+1.131V。

通过VIN0/VINCOM、VIN1/VINCOM和VIN0/VIN1的不同组合，设定检测策略如下：

?在模拟输入通道上执行测量操作之前，可以利用VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM组合来确认信号输入P端和N端是否断线，具体原理和实现方式与单端模式类似。

?在模拟输入通道上执行测量操作期间，可以周期性切换至VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM组合进行动态断线检测。

?在模拟输入通道上执行测量操作期间，当检测到VIN0/VIN1组合对应的ADC差分电压值超出正常范围（±1V）时，都有可能出现了输入断线，此时可切换到VIN0/VINCOM和VIN1/VINCOM组合进行动态断线检测。

5.3.无下拉电阻的断线检测

若用户系统中限制额外增加元件，仅使用LHA5115特有的正负电源供电，可通过限定输入范围（如 1~10 V），预留出0V附近的电压区段不使用来实现断线检测。具体分析如下：

对于16个单端模拟输入AIN0~AIN15，VINCOM接地。当输入正常时，检测到的输入电压>=1V；当输入断线浮空时，检测到的输入电压约为0V，在正常区间之外。

对于8对伪差分输入，每一对组合的负输入段接地，与单端类似，只需要判断正输入端是否断线。当输入正常时，检测到的输入电压>=1V；当输入断线浮空时，检测到的输入电压约为0V，在正常区间之外。

对于8对全差分输入，VINCOM接地。当输入正常时，检测到的输入电压在 ±1V到±10V之间。双线断线时，检测到的差分电压约为0V，在正常区间之外。单线断线时，信号正负端分别对VINCOM进行单端测量，断线端电压约为0V，在正常区间之外。

6.实际验证与分析

测试平台搭建。使用 LHA5115 开发板搭建伪差分输入电路，如图11所示，具体配置如下：

?电源：±2.5V双电源；

?信号源：0~5V可调；

?输入通道：VIN4/VIN5组合，其中VIN4输入接信号源，VIN5输入接地；

?下拉电阻：VIN4接1M电阻到AVSS；

?采样率：20 SPS。

图11. LHA5115开发板的伪差分输入断线检测电路

正常工作时，采集到的信号电压约为2.5V，与输入信号基本一致。

输入断线时，VIN4电压约为-1.4V，对应ADC差分电压约-1.4 * 0.1 = -0.14 V，与理论计算值基本相符（注：上文理论计算所使用的是简化电路模型。为保证最小输入阻抗大于1M欧姆，实际芯片电路设计略有差异，其完整模型与实测值一致，简化模型不影响最终结果）。

通过设定合适的阈值（如检测到ADC差分电压小于-0.1V），即可判断信号输入是否断线。

7.结论

本文提出的 LHA5115 断线检测方案通过双电源架构与负压偏置设计，实现了断线状态的快速诊断。实验表明：断线时差分电压偏移至 -0.14 V（与理论值相符），与正常信号完全分离。该方法兼容单端、伪差分及全差分输入模式，对系统原有性能影响可忽略，满足工业场景可靠性需求。