航空直流電壓表顯示誤差補償設計

聞一鳴 金宏 柯濤煉 陸夏良

（蘇州長風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)同類直流電壓表進行改進設計，由于測量精度要求進一步提高，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行了硬件電路和軟件的改進設計，兩種措施使產品的精確性、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生原因分析

直流電壓表通過信號調理電路和A/D 轉換電路的設計，實現(xiàn)一路機上直流電壓信號的采集。信號調理電路主要采集飛機匯流條上的28VDC 直流電壓信號，輸入信號先經分壓調理電路后轉換為0 ～2.5V 滿足A/D 量程范圍內的電壓信號送至A/D 轉換電路。信號調理電路在輸入端增加了接口保護措施，防止過壓、浪涌損壞器件，采用電壓調整二極管，保護后端電路不受損壞。A/D 轉換電路將信號調理后的電壓信號轉換成相應的數(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動電路，用于驅動數(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過了信號調理電路和A/D 轉換電路后提供給CPU 處理器，其中通過防反接二極管會產生約0.7V 的壓降。電壓信號又通過了由運算放大器構成的信號調理電路和A/D 轉換電路，電路中由于分壓電阻、運算放大器、A/D 轉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行改進設計。

3 硬件電路優(yōu)化設計

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

改進后的硬件電路原理框圖見圖2，由圖可知信號調理電路改進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 轉換電路改進措施包括選用高精度基準源；增加溫度傳感器電路的設計,用于對采集到的直流電壓信號進行溫度修正處理。具體各電路改進設計如下所示。

高精密電阻分壓電路：調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；

高精密電壓基準源：基準源電路選用高精密電壓基準源作為A/D 芯片的參考電壓，基準源精度達到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)轉換器，所以基準源誤差對A/D 轉換后的每一個LSB 產生的誤差為（±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。當產品溫度發(fā)生變化時，各元器件參數(shù)產生漂移導致采集電路精度下降，電路中需要基于當前工作溫度對采集到的直流電壓信號進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 軟件補償設計

在硬件電路設計時，通過選取高精度基準源、高精度電阻以保證電壓表顯示誤差在要求范圍內。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致顯示誤差偏大，因此進一步進行顯示誤差軟件補償設計。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的分段補償算法和基于不同溫度下測量范圍內的分段逼近補償算法。

4.1 基于同溫度下測量范圍內的分段補償算法

假設機上的直流電壓信號范圍為12.0V ～42.0V，補算法設計時每隔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，因此在上圖構成的六條折線內分段進行補償算法設計。顯示電壓uo 和輸入電壓uin 的關系為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，電壓表的實際設計的工作溫度范圍是-45℃～70℃，當產品溫度發(fā)生變化時，各元器件參數(shù)產生漂移導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行溫度補償修正功能。算法設計時需要考慮溫度影響，相應的調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℃，各溫度下獨立進行補償算法的設計，參考4.1 節(jié)實現(xiàn)。當采集的溫度不處于參考時，溫度為負時向上選取參考溫度進行逼近，溫度為正時向下選取參考溫度進行逼近。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。

從試驗的結果看，改進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。

6 應用與推廣

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