自動氣象站閾值模數轉換模塊設計研究

王 勃

鄭州市氣象局

自動氣象站閾值模數轉換模塊設計研究

王 勃

鄭州市氣象局

本文結合作者的工作經驗，對自動氣象站的閾值與模數轉換模塊的設計上進行了詳細的闡述。

自動化氣象站；數據；閾值；模數轉換模塊

自動氣象站的傳感器信號經過增益放大后先進入閾值電路與模數轉換電路。閾值電路是根據氣象傳感器所采集到的物理信號達到的閾值電壓來決定電路的工作情況。模數轉換電路是把通過閾值電路的模擬電信號轉換成數字信號，并把信號交給數據采集控制芯片進行運算處理。

閾值與模數轉換電路由滑動變阻器和電壓比較器芯片組成。通過滑動變阻器設定自動氣象站的傳感器信號的閾值電壓，經過電壓比較器芯片與閾值電壓比較，把采集的模擬電信號轉換為數字信號并讀入采集控制芯片。

圖1　電壓比較器芯片

電壓比較器芯片集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，如圖1所示，該電壓比較器的特點：1）失調電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號源的內阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0-1.5V；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。電壓比較器芯片類似于增益不可調的運算放大器，每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓，另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接地電位。兩個輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態可靠地轉換到另一種狀態，因此，把電壓比較器芯片用在弱信號檢測等場合是比較理想的。電壓比較器芯片的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般需接一只電阻。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。圖2a給出了一個基本單限比較器。輸入信號Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個參考電壓（門限電平）Ur。當輸入電壓Uin＞Ur時，輸出為高電平UOH。圖2b為其傳輸特性。

圖2 電壓比較器芯片基本工作電路

綜上所述，深入研究了自動氣象站的閾值模數轉換電路，提高了自動氣象站的傳感電路的可靠性和安全性，并對研究情況進行相應的分析設計，使自動氣象站能夠準確可靠地運行，達到了預期的目的。

［1］中國氣象局. 地面氣象觀測規范［M］. 第1版. 北京：氣象出版社，2003

［2］張文煜，袁九毅. 大氣探測原理與方法［M］. 第1版. 北京：氣象出版社，2007

［3］李黃. 自動氣象站實用手冊［M］. 第1版. 北京：氣象出版社，2007

王勃，男，河南鄭州人，碩士，氣象信息技術工程師，從事綜合氣象觀測和氣象儀器設備研究維護工作。