飛機微小電壓信號采集電路設計與驗證

楊東亮

(航空工業西安航空計算技術研究所，陜西西安，710065)

0 引言

飛機上的微小電壓信號是指T4/T5/T6熱電偶、火警傳感器、載荷傳感器、硅壓電阻橋等傳感器或敏感元件輸出的-100~100mV的差分電壓信號。這類信號電壓較低，由于在飛機上的敷設路徑上的電磁環境比較復雜，這類信號特別容易受電磁干擾的影響，最終導致其采集精度較低。同時，此類信號對應的故障等級及應急處置措施等級較高，如：火警傳感器信號是判斷飛機發動機是否失火的主要依據，T6熱電偶信號是計算飛機發動機主燃燒室溫度的重要參數。因此，對這些信號的采集精度要求較高。

1 微小電壓信號采集電路設計

-100～100mV電壓信號采集電路由以下幾部分構成：射頻濾波器、精密放大器、二階有源低通濾波電路、AD轉換電路、數字處理電路，如圖1所示。對于多路微小電壓信號采集電路的應用環境，可以在射頻濾波器的前級或者AD轉換電路的前級添加多路選擇器，實現后級電路的分時復用。

圖1 微小電壓信號采集電路基本構成

射頻濾波器用來濾除-100~100mV差分信號攜帶的共模干擾、差模干擾中的高頻成分，由電阻、電容構成，下節有詳細介紹。儀表放大器選用AD公司低成本低功耗儀表運放AD620SQ/883B，采用雙極性±15V供電，對射頻濾波后的-100~100mV差分信號進行比例放大。二階有源低通濾波電路對放大后的單端信號進行二階有源濾波，濾除其高頻干擾。AD轉換電路選用選用AD公司AD1674BD，數據位寬12bit，同時支持雙8bit的讀數模式，采樣周期10us，采樣頻率100kSPS，對濾波后的單端直流信號進行模數轉換。數字處理電路根據AD轉換數據對微小電壓進行解算和輸出。

2 設計要點分析

2.1 機上電纜處理

微小電壓信號在機上傳輸時務必使用雙絞屏蔽線，線纜的屏蔽層引線至連接器的屏蔽尾附上，屏蔽尾附通過連接器殼體與產品外殼相連，產品外殼再通過搭鐵線與飛機蒙皮相連。注意信號線的負線在產品內部不要與模擬地共地，應以差分形式接入采集電路，否則會因為地電勢不平導致采集精度下降。

2.2 關于射頻濾波器

雖然儀表運放固有的共模抑制比（CMRR）性能允許其提取疊加在很強的共模噪聲和干擾信號上的微弱差分信號，但對于機上這種強度較低的信號必須要考慮進行射頻濾波，其原因是：當存在很強的射頻干擾時，射頻干擾可能被儀表運放整流之后轉化為DC輸出失調誤差，影響測量精度。射頻濾波器的拓撲結構如圖2所示。

RI是兩個輸入電阻，阻值完全相同，兩個輸入電阻的一端分別接輸入信號的兩極，另外一端均接地。兩個輸入電阻的阻值必須相同，這是為了保證儀表放大器的輸入電路是完全對稱的，提高儀表放大器的共模抑制比。R是濾波電阻，CC對應濾除共模干擾，CD對應濾除差模干擾。在具體應用時，濾波器的差模/共模信號帶寬需根據飛機上干擾信號的頻帶來具體確定，然后根據干擾信號頻帶確定R、CC、CD的選型。

圖2 射頻濾波器電路拓撲

2.3 運算放大器增益的選擇

對于微小電壓信號的采集，高精度的儀表放大器是必須的。儀表放大器的增益取決于增益電阻RG的大小。在進行增益電阻的選取時，應遵循一個基本原則：當放大器的輸入信號電壓最小時，輸出電壓應接近AD轉換器轉換電壓的最小值；當放大器的輸入信號電壓最大時，輸出電壓應接近AD轉換器轉換電壓的最大值。這樣做的優點是最大限度的利用AD轉換器的轉換位數，從而提高微小電壓信號的采集精度。如果輸入信號的電壓范圍較窄，無法線性的映射到AD轉換器的輸入電壓范圍內，可以給儀表放大器設置一個較大的放大倍數，然后在儀表放大器的偏置電壓輸入端設置一個合適的負電壓，以實現上述設計原則。

3 微小電壓信號采集電路實測數據

為了驗證該電路的采集精度，以測試設備作為毫伏信號源，從0mV到50mV，每隔5mV設置一個基準電壓，分別提供給某產品中的全部6路微小電壓信號采集電路，測試數據通過總線傳送給測試設備顯示，如表1所示。

表1 微小電壓信號采集電路實測數據

4 結束語

詳細介紹了針對飛機上一類微小電壓信號的采集電路的設計方法及各功能電路的作用，闡述了應注意的設計要點，實際測試數據證明，電路的采集誤差不大于0.1mV，滿足飛機上絕大多數微小電壓信號接口的采集需求。

參考文獻

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