CN108225479A - 航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到机载远程接口航空油量传感器交流激励源技术领域，具体涉及一种高精度航空油量传感器交流正弦可变激励源的实现电路及方法。航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，包括：激励频率实时配置单元、10档位增益实时配置单元、激励输出电流双重限流保护单元以及激励电压输出保护单元；本发明实现了目前航空油量传感器对激励频率，激励幅值的高精度和高稳定性要求，并可通过软件配置实时调节激励输出的频率和幅值，为航空油量传感器测量提供了精准的交流正弦激励源信号。同时完善的安全保护机制和自身BIT检测机制可以保证油箱的本质安全。
Description
技术领域
本发明涉及到航空油量传感器交流激励源技术领域，具体涉及一种高精度航空油量传感器交流正弦可变激励源的实现电路。
背景技术
航空油量的准确采集，可以减少飞机起飞时的备用燃油量，为飞机战术制定提供更准确的参考依据，对于航空领域各机型具有重要意义。目前航空各机型采用的是电容式油量传感器，油量传感器在接收到一定幅值一定频率的交流激励信号后，输出pF级的微小电容信号。通过专用测量电路采集，电路补偿，电容值解算，权重解算，飞行姿态补偿等步骤可以推算得到整机油量。
高精度的交流正弦激励源是保证油量准确采集的基础。激励源的高精度体现在两方面：(1)幅值精准；(2)频率精准。油量传感器反馈的交流信号要通过电容-电压转换电路将反馈信号转换为电容值，反馈信号的幅值与电容值成正比，而反馈信号的幅值与激励源的幅值成正比，因此激励源幅值的精准对于电容测量值的准确性具有决定性作用。同时，油量传感器由于本身的特性，具有特定的最优激励频率，在最优激励频率下对油量传感器进行采集，可以最大程度保证油量传感器电容值-油量换算的准确性。
传统模拟式的正弦产生电路存在集成度不高，精度较差，转换时间较长，不能灵活配置等缺点。因此如何产生高精度可变的交流正弦激励源成为继续推动航空油量测量技术进步亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种高精度可变的交流正弦激励源。
航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，包括：激励频率实时配置单元、10档位增益实时配置单元、激励输出电流双重限流保护单元以及激励电压输出保护单元；
高精度航空油量传感器交流正弦可变激励源的实现电路原理框图可参见图1，其中：FPGA控制激励频率实时配置单元进行频率值配置，使激励频率实时配置单元输出预设频率的小幅值正弦信号，该信号通过带通滤波单元处理后滤除耦合干扰，信号进入10档位增益实时配置单元，通过FPGA设置增益实时配置单元的增益系数，输出频率和幅值均满足外部传感器要求的交流激励信号，激励信号通过激励输出电流双重限流保护单元对外部油位传感器进行激励，同时通过内部的激励电压输出保护单元对输出的激励信号进行回采，以监控其是否正常。
所述激励频率实时配置单元用于产生超高精度的交流正弦频率源信号；通过外接16MHz晶振，可以实现100Hz～16MHz频率的连续输出，最小的频率分辨率为0.06Hz。进一步，通过软件可实时调节激励频率实时配置单元对外的激励频率，实现实时变频，并且在激励输出异常时可通过软件及时切断对外的激励输出。
所述10档位增益实时配置单元用于将激励频率实时配置单元的信号放大到合适的幅值，保证对外激励的信号幅值准确；10档位增益实时配置单元是利用控制多路模拟开关的通断控制高精度电阻增益网络的等效并联阻抗，进而改变反相比例放大器的增益系数，将激励频率实时配置单元输出的小信号精确放大到符合外部传感器要求精确幅值的交流正弦激励信号。
所述激励输出电流双重限流保护单元用于保证油箱安全。通过串接在激励输出通路上的限流电阻和62mA保险丝实现双重限流保护。当激励源电路发生单点故障时限制对外的激励电流，当激励电路限流电阻和运放输出发生复合故障时，通过保险丝熔断切断对外的激励输出。
所述激励电压输出保护单元用于实现激励对外输出的实时监控。激励电压输出保护单元将对外输出的激励信号进行自回绕采集并传送回FPGA，FPGA结合目前的激励档位进行激励信号是否正常的判定并可在实时调整激励幅值。通过激励电压输出保护单元可以保证真正施加到外部传感器上的激励信号符合预期，并可在激励发生故障时上报故障信息并切断对外的激励输出。
本发明主要的优点包括：
(1)利用数字合成技术输出超高精度交流激励频率，通过外接16MHz晶振，可以实现100Hz～16MHz频率的连续输出，最小的频率分辨率为0.06Hz。通过软件可实时调节对外的激励频率，在激励输出异常时可通过软件及时切断对外的激励输出；通过外接高精度频率基准源，在-55℃～+125℃范围内，输出激励频率的精度可达到±50×10-6；
(2)通过高精度低噪声的放大器和高精度的电阻网络和模拟开关构成高精度的程控增益放大电路。高精度10档位增益电阻网络可以实时保证输出激励电压幅值在10档位内任意可调，每一档位的激励源幅值稳定准确，通过此技术可以将全量程范围细化为多个测量段，动态实时地保证对油量传感器的最优激励；
(3)通过对激励输出电流进行双重限流保护和电压异常检测实现安全测量。激励输出电流双重限流保护单元是指在输出通路上串接限流保护电阻和超低电流保险丝。在激励电路发生故障或限流保护电阻短路的情况下，仍可以通过保险丝切断对外的激励输出，保证油箱安全。通过按照不同的档位设置各档位激励电压的上下限值，在激励电压异常时，切断对外的激励输出并上报激励电压故障信息。
附图说明
图1为交流正弦可变激励源发生原理框图。
图2激励频率实时配置单元配置流程图。
图3为10档位增益实时配置单元发生电路图。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方案做进一步详细说明。
(1)所述激励频率实时配置单元。
激励频率实时配置单元是由FPGA控制单元，数字合成集成芯片，晶振频率源构成。FPGA通过三线SPI接口向数字合成芯片内部的控制寄存器和数据寄存器进行配置，以控制数字合成芯片对外的输出波形，输出频率以及输出禁止等操作。数字合成芯片的频率来源于晶振频率源，通过对晶振频率源进行分频实现预设频率的输出。对外输出激励频率计算公式为：
其中，fout为输出的激励频率，fmclk为外接晶振时钟频率，FREQREG为频率寄存器写入值(十进制数值)。将FREQREG转换为二进制数据，分成低14位数据和高14位数据写入频率寄存器内实现预设频率的输出。
激励频率实时配置单元配置流程见图2。其配置方法如下：
a.通过FPGA向配置单元的控制寄存器进行写操作，选定频率寄存器1的低位数据寄存器执行下面的频率写操作；
b.通过FPGA向频率寄存器的低14位写入量化好的低14位二进制数据；
c.通过FPGA向配置单元的控制寄存器进行写操作，选定频率寄存器1的高位数据寄存器执行下面的频率写操作；
d.通过FPGA向频率寄存器的高14位写入量化好的高14位二进制数据，不足14为的高位数据以0补充；
e.通过FPGA向配置单元的控制寄存器进行写操作，选定控制寄存器中的输出波形为正弦波，等待7个时钟周期，流程结束，实现对外的激励输出。
(2)所述10档位增益实时配置单元。
10档位增益实时配置单元电路图可参见图3。其中电阻R1和电容C1构成低通滤波单元。电阻R2，电容C2和电阻R3构成高通滤波单元。电阻R4，R5，R6，R7，R8和运算放大器N1，N2，N3构成了10档位增益实时配置单元。保险丝F1和电阻R5构成激励输出电流双重限流保护单元。
交流正弦可变激励源发生电路图其信号流向为：激励频率实时配置单元输出的信号C_AC+依次经过电阻R1和C1到地，R1和C1构成低通滤波单元。R1和C1相连处信号进入高通滤波单元后分为两个旁路。旁路1为经过电阻R2到地，旁路2为依次经过电容C2和电阻R3到地。电容C2和电阻R3构成高通滤波器。C2和R3相连处的信号进入运算放大器N1的+端，运算放大器N1的-端通过电阻R4接地，同时运算放大器N1的-端和输出端之间通过电阻R5，R6，R7，R8和单刀单掷的模拟开关构成高精度增益电阻网络。其中运算放大器N1的-端与模拟开关的公共端RS_COM相连，增益电阻R5，R6，R7和R8分别与模拟开关的RS_NC1，RS_NC2，RS_NC3和RS_NC4相连。FPGA可以控制实现任意RS_NC信号与公共端信号RS_COM的连通，则增益电阻网络的并联总电阻与电阻R4构成比例放大关系。运算放大器N1输出的放大信号进入运算放大器N2和N3的+端，运算放大器N2的负端与输出脚直接相连，运算放大器N3的负端与输出脚直接相连，N2和N3自身构成电压跟随器，N2和N3为双路并联形式，提高对外的电流驱动能力。电压跟随后的信号经过保险丝F1和限流电阻R5对外输出，激励外部的油量传感器。
通过10档位增益放大单元将数字合成技术芯片输出的数字化频率信号幅值进行放大，以满足油量传感器对于激励幅值的要求。通过SPST单刀单掷精密模拟开关控制高精密电阻增益网络的并联关系，改变放大电路总的等效增益电阻，可实现10档位精密激励幅值实时调节。通过配置R，2R，3R，4R电阻增益网络，可实现总的等效增益电阻在R，2R，3R，4R，2/3R，3/4R，4/5R，6/5R，4/3R，12/7R共10个档位内变化。精密模拟开关的RS_COM端和RS_NC_1-4可通过FPGA实时进行控制，进而实时配置激励幅值。电阻增益网络的并联总电阻和电阻R4，运算放大器N1构成同相比例放大器，实现对弱信号的精确放大。
通过10档增益放大，可实现档位增益在4.606～37.060范围内档位可调，激励输出幅值在1.19V～9.60V(半峰值)范围内档位可调。并且通过改变电阻增益网络的阻值，可灵活改变增益放大单元的增益可调范围，具有很强的扩展性。
通过运算放大器N2和N3构成的电压跟随器并联，可以提高对外的电流驱动能力，实现内部电路部分的隔离，保证10档位增益实时配置单元不受外部信号的干扰，保证了增益实时配置单元的高精度。
(3)所述激励输出电流双重限流保护单元。
油量传感器因其布置在飞机油箱内部，测量时需要保证飞机油箱安全，因此设计激励输出电流双重限流保护单元，保证在产品发生故障时能够确保切断对外的激励输出。
双重限流保护的第一重保护是指，通过串接在输出通路上的限流电阻R5，保证其输出电流的峰值不大于20mA。第二重保护是指，在限流电阻短路失效且运放输出短路故障时，可以通过串接在输出通路上的62mA保险丝自身熔断以切断对外的电流输出，保护油箱安全。保险丝通流能力为62mA，熔断时间为113us，因此在发生复合多点故障时，其最多向外输出0.105mJ的能量，该能量远低于飞机油箱的引爆能量，可以保证飞机安全。
(4)所述激励电压输出保护单元。
激励源向外输出激励信号的时，通过激励电压输出保护单元实时回采输出的激励值，根据当前档位判断电压幅值是否在正常范围内。当激励电压采集异常时，定位为激励电路故障并通过总线对此故障进行上报。此时向数字合成芯片的控制寄存器的RESET进行置1操作，将数字合成芯片内部的寄存器清零，数字合成芯片即向外输出中值电压0.342V，由于后级幅值放大电路存在隔直电容C2，因此最终电容接口对外输出0V，可实现紧急情况下对外切断激励输出。
Claims (6)
1.航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，其特征是，包括：激励频率实时配置单元、10档位增益实时配置单元、激励输出电流双重限流保护单元以及激励电压输出保护单元；
其中：FPGA控制激励频率实时配置单元进行频率值配置，使激励频率实时配置单元输出预设频率的小幅值正弦信号，该信号通过带通滤波单元处理后滤除耦合干扰，信号进入10档位增益实时配置单元，通过FPGA设置增益实时配置单元的增益系数，输出频率和幅值均满足外部传感器要求的交流激励信号，激励信号通过激励输出电流双重限流保护单元对外部油位传感器进行激励，同时通过内部的激励电压输出保护单元对输出的激励信号进行回采，以监控其是否正常。
2.如权利要求1所述的航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，其特征是，所述激励频率实时配置单元用于产生超高精度的交流正弦频率源信号；通过外接16MH z晶振，可以实现100Hz～16MHz频率的连续输出，最小的频率分辨率为0.06H z。
3.如权利要求2所述的航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，其特征是，进一步，通过软件可实时调节激励频率实时配置单元对外的激励频率，实现实时变频，并且在激励输出异常时可通过软件及时切断对外的激励输出。
4.如权利要求1所述的航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，其特征是，所述10档位增益实时配置单元用于将激励频率实时配置单元的信号放大到合适的幅值，保证对外激励的信号幅值准确；10档位增益实时配置单元是利用控制多路模拟开关的通断控制高精度电阻增益网络的等效并联阻抗，进而改变反相比例放大器的增益系数，将激励频率实时配置单元输出的小信号精确放大到符合外部传感器要求精确幅值的交流正弦激励信号。
5.如权利要求1所述的航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，其特征是，所述激励输出电流双重限流保护单元用于保证油箱安全；通过串接在激励输出通路上的限流电阻和62mA保险丝实现双重限流保护；当激励源电路发生单点故障时限制对外的激励电流，当激励电路限流电阻和运放输出发生复合故障时，通过保险丝熔断切断对外的激励输出。
6.如权利要求1所述的航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路，其特征是，所述激励电压输出保护单元用于实现激励对外输出的实时监控；激励电压输出保护单元将对外输出的激励信号进行自回绕采集并传送回FPGA，FPGA结合目前的激励档位进行激励信号是否正常的判定并可在实时调整激励幅值；通过激励电压输出保护单元可以保证真正施加到外部传感器上的激励信号符合预期，并可在激励发生故障时上报故障信息并切断对外的激励输出。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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