航空直流電壓表顯示誤差補償設(shè)計

聞一鳴 金宏 柯濤煉 陸夏良

（蘇州長風(fēng)航空電子有限公司軍品研究所 江蘇省蘇州市 215151）

1 引言

某型飛機要求配裝的直流電壓表是根據(jù)同類直流電壓表進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，由于測量精度要求進(jìn)一步提高，原有電壓表已不滿足使用要求?？紤]到飛機的工作溫度環(huán)境變化較大，高溫和低溫極限工作條件下將加劇直流電壓表的測量偏差影響[1-2]，因此對該型直流電壓表進(jìn)行了硬件電路和軟件的改進(jìn)設(shè)計，兩種措施使產(chǎn)品的精確性、可靠性得到了提高，優(yōu)化了顯示精度，能夠契合于如今對飛機儀表類顯示精度日益增高的要求，對于同類產(chǎn)品精度提高具有重要的意義[3-4]。

2 工作原理介紹和誤差產(chǎn)生原因分析

直流電壓表通過信號調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計，實現(xiàn)一路機上直流電壓信號的采集。信號調(diào)理電路主要采集飛機匯流條上的28VDC 直流電壓信號，輸入信號先經(jīng)分壓調(diào)理電路后轉(zhuǎn)換為0 ～2.5V 滿足A/D 量程范圍內(nèi)的電壓信號送至A/D 轉(zhuǎn)換電路。信號調(diào)理電路在輸入端增加了接口保護(hù)措施，防止過壓、浪涌損壞器件，采用電壓調(diào)整二極管，保護(hù)后端電路不受損壞。A/D 轉(zhuǎn)換電路將信號調(diào)理后的電壓信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量提供給CPU處理器。CPU 處理器利用IIC 串行接口連接至顯示驅(qū)動電路，用于驅(qū)動數(shù)碼管顯示直流電壓值。

直流電壓表工作原理框圖如圖1 所示。

機上直流電壓信號經(jīng)過了信號調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路后提供給CPU 處理器，其中通過防反接二極管會產(chǎn)生約0.7V 的壓降。電壓信號又通過了由運算放大器構(gòu)成的信號調(diào)理電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路，電路中由于分壓電阻、運算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換芯片等器件自身精度的影響，也會造成電壓信號測量偏差[5]。另外在飛機工作的極限溫度條件下（高溫70℃、低溫-45℃），由于實際情況下各器件溫飄的影響，會進(jìn)一步加劇電壓表的測量偏差，因此本文通過硬件電路和軟件兩方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。

3 硬件電路優(yōu)化設(shè)計

直流電壓表的硬件電路根據(jù)本文第2 節(jié)分析的原因進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，措施主要由采集電路自身精度的提高和降低產(chǎn)品工作溫度變化對測量精度的影響兩方面組成，硬件電路改進(jìn)主要包括信號調(diào)理電路改進(jìn)、A/D 轉(zhuǎn)換電路改進(jìn)和增加溫度傳感器電路。

改進(jìn)后的硬件電路原理框圖見圖2，由圖可知信號調(diào)理電路改進(jìn)措施包括選用高精度分壓電阻和選用理想防反接二極管；A/D 轉(zhuǎn)換電路改進(jìn)措施包括選用高精度基準(zhǔn)源；增加溫度傳感器電路的設(shè)計,用于對采集到的直流電壓信號進(jìn)行溫度修正處理。具體各電路改進(jìn)設(shè)計如下所示。

高精密電阻分壓電路：調(diào)理電路中分壓電阻阻值均選用低溫漂、高精度的電阻，電阻溫度系數(shù)均為±50ppm,阻值允許偏差為±0.05%；

圖1：電壓顯示方式原理框圖

圖2：改進(jìn)后的硬件電路原理框圖

圖3：基于同溫度下的分段補償算法原理圖

理想防反接二極管：調(diào)理電路中防反接二極管更改為理想二極管，壓降約為0.005V，相較于普通二極管壓降減少為1/14；

高精密電壓基準(zhǔn)源：基準(zhǔn)源電路選用高精密電壓基準(zhǔn)源作為A/D 芯片的參考電壓，基準(zhǔn)源精度達(dá)到0.002%V，輸出+2.5V參考電壓時，誤差電壓±0.0035V。因A/D 芯片為12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以基準(zhǔn)源誤差對A/D 轉(zhuǎn)換后的每一個LSB 產(chǎn)生的誤差為（±0.0035/4096）V，與電壓信號顯示誤差已呈指數(shù)倍小，大大降低了對測量精度的影響；

溫度傳感器電路：實時采集印制板的工作溫度。當(dāng)產(chǎn)品溫度發(fā)生變化時，各元器件參數(shù)產(chǎn)生漂移導(dǎo)致采集電路精度下降，電路中需要基于當(dāng)前工作溫度對采集到的直流電壓信號進(jìn)行顯示誤差補償修正功能。

圖4：基于同溫度下的分段補償算法流程圖

圖5：基于不同溫度下的分段逼近補償算法流程圖

圖6：電壓表的顯示誤差

4 軟件補償設(shè)計

在硬件電路設(shè)計時，通過選取高精度基準(zhǔn)源、高精度電阻以保證電壓表顯示誤差在要求范圍內(nèi)。但是由于實際極限溫度情況下溫飄、布局布線等因素可能導(dǎo)致顯示誤差偏大，因此進(jìn)一步進(jìn)行顯示誤差軟件補償設(shè)計。顯示誤差補償算法通過串行接口存儲在EEPROM 中。顯示誤差補償算法主要包括基于同溫度下測量范圍內(nèi)的分段補償算法和基于不同溫度下測量范圍內(nèi)的分段逼近補償算法。

4.1 基于同溫度下測量范圍內(nèi)的分段補償算法

假設(shè)機上的直流電壓信號范圍為12.0V ～42.0V，補算法設(shè)計時每隔5V（暫定值，具體相隔電壓值按需選取，相隔電壓值越小補償算法效果越好）選取一個點，共12V、17V、22V、27V、32V、37V、42V 七個點。

在同種溫度下，因為器件精度、數(shù)據(jù)傳輸過程誤差等因素，所以在輸入電壓不同時，電壓表的輸入電壓和顯示電壓可能存在一點偏移，如圖3 所示。由于七個點的偏移量不一，存在上偏和下偏兩種可能性，因此在上圖構(gòu)成的六條折線內(nèi)分段進(jìn)行補償算法設(shè)計。顯示電壓uo 和輸入電壓uin 的關(guān)系為uo=k(m)*uin+b(m),其中m 指代六條折線的編號，m=1 ～6，k(m)和b(m)的值受m 所影響。

基于同溫度下測量范圍內(nèi)的分段補償算法如圖4 所示：

4.2 基于不同溫度下測量范圍內(nèi)的分段逼近補償算法

電壓表采集12.0V ～42.0V 電壓信號，電壓表的實際設(shè)計的工作溫度范圍是-45℃～70℃，當(dāng)產(chǎn)品溫度發(fā)生變化時，各元器件參數(shù)產(chǎn)生漂移導(dǎo)致采集電路精度下降，尤其是-45℃、70℃和常溫下的顯示誤差會存在差異。電路中需要對采集到的直流電壓信號進(jìn)行溫度補償修正功能。算法設(shè)計時需要考慮溫度影響，相應(yīng)的調(diào)整不同溫度下的補償算法。因此-45℃～70℃每隔5℃選一點參考溫度（具體相隔溫度數(shù)按需選?。?，即參考溫度為-45℃、-40℃、-35℃……70℃，各溫度下獨立進(jìn)行補償算法的設(shè)計，參考4.1 節(jié)實現(xiàn)。當(dāng)采集的溫度不處于參考時，溫度為負(fù)時向上選取參考溫度進(jìn)行逼近，溫度為正時向下選取參考溫度進(jìn)行逼近。即-42℃時采取-40℃時的補償算法，68℃時采取65℃時的補償算法。如圖5 所示。

5 試驗測試

為了驗證采取硬件優(yōu)化和軟件補償后的直流電壓表是否具有較高的測量顯示精度，分別在常溫、高溫（70℃）、低溫（-45℃）情況下進(jìn)行了試驗，根據(jù)測得電壓表輸入的直流電壓信號和顯示數(shù)值，兩者的差值即為電壓表的顯示誤差（顯示）見圖6。

從試驗的結(jié)果看，改進(jìn)后的直流電壓表具有較好的精確性，顯示誤差在±0.1V 范圍內(nèi)。

6 應(yīng)用與推廣

該顯示誤差補償設(shè)計同樣適用于其它型號同類產(chǎn)品的顯示精度提升，僅通過硬件電路設(shè)計改進(jìn)和軟件補償設(shè)計的類似更改即可推廣到其它儀表顯示類產(chǎn)品中去，這種補償設(shè)計對軍品老產(chǎn)品的精確性優(yōu)化、縮短新產(chǎn)品研制周期、降低研制費、產(chǎn)品系列化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計有著深遠(yuǎn)的影響。