CN110429559A - 基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置 - Google Patents

基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置，属于航空电气技术领域。本发明在双恒流源铂电阻信号采集电路的基础上，增加了滤波和雷电防护设计，针对现有技术对采集电路进行有效完善和提升，该电路在铂电阻传感器信号的进入端通过双向瞬态抑制二极管进行雷电防护，而后通过T型滤波器进行滤波处理，根据雷电防护等级和试验量值计算双向瞬态抑制二极管的匹配功率；经过雷电防护和滤波电路后的铂电阻传感器信号进入双恒流源采集调试电路，双恒流源采集电路针对不同铂电阻传感器采集范围，可通过调节电阻变化独立设置不同基准电压，将多路铂电阻传感器信号转换至相近电压AD采集范围内。整个电路设计、计算过程符合机载产品正向设计要求。

Description

基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置
技术领域
本发明属于航空电气技术领域，具体涉及一种基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置。
背景技术
机载铂电阻传感器由于机上安装位置等原因(如机载防冰系统中，安装于机翼蒙皮等位置)存在雷击的风险，为提高系统可靠性，需要在采集电路中进行雷电防护设计。以往机载设备雷电防护要求较少，不同电气接口由于信号类型不同，还存在滤波、隔离等不同功能需求，根据铂电阻传感器信号采集需求在恒流源信号采集电路的基础上，需要增加滤波和雷电防护设计。
恒流源采集电路是通过给铂电阻传感器施加恒定电流源，当铂电阻传感器阻值随被测环境温度发生变化时，铂电阻传感器两端电压随电阻变化而改变。当需要采用一路AD转换电路完成多路铂电阻传感器信号采集时，需要根据多路铂电阻传感器采样范围进行统一调整，为提高信号采集精度采集电路设计时需要考虑最大化提高信号分辨率，并通过设计滤波电路提高信号抗干扰能力，此外在工程应用中还需要考虑电路的调试难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置，提高整体铂电阻传感器信号采集分辨率和调试难度，实现铂电阻传感器信号高精度、高可靠性采集。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置，包括雷电防护电路、信号滤波电路和调试采集电路三部分。在信号输入前端通过双向瞬态抑制二极管设计雷电防护电路，雷电防护电路输出的信号过信号滤波电路中的T型滤波器进行滤波处理，经滤波处理后的信号进调试采集电路，完成电压信号转换后输出，所述调试采集电路是通过运放芯片和稳压管搭建的双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路。
优选地，所述雷电防护电路包括双向瞬态抑制二极管D1、D2，铂电阻传感器信号一路输入端与双向瞬态抑制二极管D1一端连接，瞬态抑制二极管D1的另外一端接机壳地；铂电阻传感器信号另一路输入端与瞬态抑制二极管D2一端连接，瞬态抑制二极管D2的另外一端接机壳地。
优选地，所述信号滤波电路包括T型滤波器L1、L2，所述铂电阻传感器信号一路输入端与T型滤波器L1的第一端3脚连接，T型滤波器L1的第二端1脚接机壳地；所述铂电阻传感器信号另一路输入端与T型滤波器L2的第一端2脚连接，T型滤波器L2的第二端1脚接机壳地。
优选地，所述调试采集电路包括运算放大器M1，电容C1、C3，稳压管D3，电阻R5：将运算放大器M1的8脚V+接15V电源，将电容C3一端接电源地，电容C3另一端接所述15V电源；稳压管D3负极第1脚与电阻R5一端、运算放大器M1第5脚INB+相连，稳压管D3正极第2脚接电源地，电阻R5另一端接所述15V电源，在稳压管D3负极第1脚形成恒定2.5V电压；将稳压管D3与电容C1并联，稳压管D3负极第1脚连接电容C1一端，正极第2脚连接电容C1另一端。
优选地，运算放大器M1为双路运放芯片。
优选地，所述稳压管D3负极第1脚与运算放大器M1的第3脚INA+和第5脚INB+相连，运算放大器M1第2脚INA-连接一电阻R6一端，电阻R6另一端与一电阻R4一端相连，电阻R4另一端接电源地；铂电阻传感器两路输入信号经T型滤波器L1和L2后，T型滤波器L1第三端第2脚与运算放大器M1第1脚OUTA相连，T型滤波器L2第三端第3脚与运算放大器M1第2脚INA-相连；运算放大器M1连接一电容C2，具体是运算放大器M1第1脚OUTA、第2脚INA-分别与电容C2两端连接，运算放大器M1第1脚OUTA的电压为铂电阻传感器处理后的电压信号。运算放大器M1第6脚INB-与一电阻R3一端相连、电阻R3另一端与一电阻R1一端相连，电阻R1另一端接电源地；运算放大器M1第7脚OUTB与一电阻R2一端相连，电阻R2另一端与运算放大器M1第6脚INB-相连，运算放大器M1第7脚OUTB的电压值为输出基准电压信号。
优选地，所述电阻R2的阻值可调，通过调节电阻R2的阻值使其与铂电阻传感器信号采集范围的中间值相等。
优选地，根据选用的双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路中运算放大器最大安全工作电压范围对瞬态抑制二极管D1、D2的击穿电压和最大钳位电压进行选择。
优选地，根据机载产品雷电防护瞬态敏感度试验波形和量值要求，对瞬态抑制二极管D1、D2的功率需求进行计算。
(三)有益效果
本发明在双恒流源铂电阻信号采集电路的基础上，增加了滤波和雷电防护设计，针对现有技术对采集电路进行有效完善和提升，该电路在铂电阻传感器信号的进入端通过双向瞬态抑制二极管进行雷电防护，而后通过T型滤波器进行滤波处理，根据雷电防护等级和试验量值计算双向瞬态抑制二极管的匹配功率；经过雷电防护和滤波电路后的铂电阻传感器信号进入双恒流源采集调试电路，双恒流源采集电路针对不同铂电阻传感器采集范围，可通过调节电阻变化独立设置不同基准电压，将多路铂电阻传感器信号转换至相近电压AD采集范围内。整个电路设计、计算过程符合机载产品正向设计要求。
附图说明
图1是本发明实施例的应用于机翼防冰控制器的基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护电路原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供的一种基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置，包括雷电防护电路、信号滤波电路和调试采集电路三部分。在信号输入前端通过双向瞬态抑制二极管设计雷电防护电路，雷电防护电路输出的信号过信号滤波电路中的T型滤波器进行滤波处理，经滤波处理后的信号进调试采集电路，完成电压信号转换后输出，所述调试采集电路是通过运放芯片和稳压管搭建的双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路。
如图1所示，所述雷电防护电路包括双向瞬态抑制二极管D1、D2：铂电阻PRt传感器信号一路输入端与双向瞬态抑制二极管D1一端连接，瞬态抑制二极管D1的另外一端接机壳地；铂电阻传感器信号另一路输入端与瞬态抑制二极管D2一端连接，瞬态抑制二极管D2的另外一端接机壳地，实现雷电防护功能。根据选用的双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路中运算放大器最大安全工作电压范围对瞬态抑制二极管D1、D2的击穿电压和最大钳位电压进行选择，然后根据机载产品雷电防护瞬态敏感度试验波形和量值要求，对瞬态抑制二极管D1、D2的功率需求进行计算。双向瞬态抑制二极管D1、D2用于在铂电阻传感器信号输入端吸收、释放雷电能量，实现接口雷电防护。
所述信号滤波电路包括T型滤波器L1、L2：所述铂电阻传感器信号一路输入端与T型滤波器L1的第一端3脚连接，T型滤波器L1的第二端1脚接机壳地；所述铂电阻传感器信号另一路输入端与T型滤波器L2的第一端2脚连接，T型滤波器L2的第二端1脚接机壳地，实现信号滤波功能。其中T型滤波器L1、L2用于有效抑制铂电阻传感器信号中的共模干扰，并减少差模信号的产生，实现模拟信号滤波；
所述调试采集电路包括运算放大器M1，电容C1、C3，稳压管D3，电阻R5：将运算放大器M1的8脚V+接15V电源，将电容C3一端接电源地，电容C3另一端接所述15V电源；稳压管D3负极第1脚与电阻R5一端、运算放大器M1第5脚INB+相连，稳压管D3正极第2脚接电源地，电阻R5另一端接所述15V电源，在稳压管D3负极第1脚形成恒定2.5V电压；将稳压管D3与电容C1并联，稳压管D3负极第1脚连接电容C1一端，正极第2脚连接电容C1另一端。运算放大器M1为双路运放芯片，运算放大器M1、稳压管D3配合外围电阻形成双路恒流源。
将稳压管D3负极第1脚与运算放大器M1的第3脚INA+和第5脚INB+相连，运算放大器M1第2脚INA-连接一电阻R6一端，电阻R6另一端与一电阻R4一端相连，电阻R4另一端接电源地；铂电阻传感器两路输入信号经T型滤波器L1和L2后，T型滤波器L1第三端第2脚与运算放大器M1第1脚OUTA相连，T型滤波器L2第三端第3脚与运算放大器M1第2脚INA-相连，如此形成流过铂电阻传感器的恒定电流；运算放大器M1连接一电容C2，具体是运算放大器M1第1脚OUTA、第2脚INA-分别与电容C2两端连接，运算放大器M1第1脚OUTA的电压为铂电阻传感器处理后的电压信号。运算放大器M1第6脚INB-与一电阻R3一端相连、电阻R3另一端与一电阻R1一端相连，电阻R1另一端接电源地；运算放大器M1第7脚OUTB与一电阻R2一端相连，电阻R2的阻值可调，电阻R2另一端与运算放大器M1第6脚INB-相连，运算放大器M1第7脚OUTB的电压值为输出基准电压信号，通过调节电阻R2的阻值使其与铂电阻传感器信号采集范围的中间值相等。
以下将结合附图和实施例对本发明实施例做进一步详述：
1)雷电防护瞬态敏感度TVS直流击穿电压，即瞬态抑制二极管(TVS管)D1、D2的击穿电压VBR的选取：
VBR≥1.2×V工作＝5×1.2＝6V，其中V工作为电路正常上电工作后，TVS管两端的电压值；
TVS管D1、D2的功率要求：
第一步：计算等级3、4瞬态的源阻抗
ZS3＝Voc3/Isc3＝1500V/60A＝25Ω；
ZS4＝Voc4/Isc4＝750V/150A＝5Ω；
Voc3/Isc3为RTCA DO-160F中规定的等级3的试验量值；Voc4/Isc4为RTCA DO-160F中规定的等级4的试验量值。
第二步：计算输入电源电路中TVS管的击穿电压VBR和钳位电压VC
VBR＝12V；
VC≤2×V工作(估算值VC≈1.5VBR)VC＝1.5×6＝9V
第三步：计算TVS管脉冲峰值电流
IP3＝(Voc3-VC)/ZS3＝(1500-9)/25＝59.64A
IP4＝(Voc4-VC)/ZS4＝(750-9)/5＝148.2A
第四步：计算电路测试波形对应的TVS管脉冲功率
PP3＝VC×IP3＝9×59.64＝536.76W
PP4＝VC×IP4＝9×148.2＝1333.8W
表1电源模块雷电防护器件功率分析
根据上述计算，选用型号为TVS1504D的双向瞬态抑制二极管，器件额定功率1500W；按照器件的功率脉冲时间曲线，脉冲时间为69us时，此时TVS管可以承受的实际功率为6KW，大于TVS管标称功率1500W，同时也大于脉冲时间为69us估算的电路冲击能量功率3294W。说明此时TVS是可以完全满足DO-160F等级4波形3和波形4的瞬态防雷测试要求。
2)T型滤波器选型
铂电阻传感器信号为弱信号，T型滤波器选择MLLC807030-222KZW1ED3。
3)调试采集电路
对于不同的铂电阻传感器信号采集范围，通过调节电阻的设定将铂电阻传感器信号转换为AD转换电路(雷电防护装置输出的信号输入AD转换电路)采样范围内的电压信号，使AD转换分辨率最大，确保信号采集精度。
以采集范围0℃～120℃温度范围为例，对应Pt1000铂电阻阻值范围1000Ω～1460.6Ω，采用图1中双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路：
R2＝(1000Ω+1460.6Ω)/2＝1230.3Ω；信号经放大41倍转换后压差信号范围-9.4423V～9.4423V，AD转换电路采样范围-10V～10V。
本发明采用瞬态抑制二极管作为电源信号雷电防护器件，并与T型滤波器相结合，形成简单实用的雷电防护和信号滤波电路；基于双恒流源的调试采集电路可通过调节电阻R2将多路不同采集范围的铂电阻传感器信号转换为相近范围的电压信号，有助于AD转换电路的统一性设计，提高整体铂电阻传感器信号采集分辨率和调试难度，实现铂电阻传感器信号高精度、高可靠性采集；同时减少采集电路规模和体积，进而减轻产品重量。电路的设计及计算过程符合航空产品正向设计要求，元器件参数计算简单，适用范围广，环境适用性强，是一个具有很好使用价值的航空铂电阻传感器信号滤波采集和雷电保护电路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于恒流源的铂电阻信号滤波采集及雷电防护装置，其特征在于，包括雷电防护电路、信号滤波电路和调试采集电路三部分。在信号输入前端通过双向瞬态抑制二极管设计雷电防护电路，雷电防护电路输出的信号过信号滤波电路中的T型滤波器进行滤波处理，经滤波处理后的信号进调试采集电路，完成电压信号转换后输出，所述调试采集电路是通过运放芯片和稳压管搭建的双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述雷电防护电路包括双向瞬态抑制二极管D1、D2，铂电阻传感器信号一路输入端与双向瞬态抑制二极管D1一端连接，瞬态抑制二极管D1的另外一端接机壳地；铂电阻传感器信号另一路输入端与瞬态抑制二极管D2一端连接，瞬态抑制二极管D2的另外一端接机壳地。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号滤波电路包括T型滤波器L1、L2，所述铂电阻传感器信号一路输入端与T型滤波器L1的第一端3脚连接，T型滤波器L1的第二端1脚接机壳地；所述铂电阻传感器信号另一路输入端与T型滤波器L2的第一端2脚连接，T型滤波器L2的第二端1脚接机壳地。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述调试采集电路包括运算放大器M1，电容C1、C3，稳压管D3，电阻R5：将运算放大器M1的8脚V+接15V电源，将电容C3一端接电源地，电容C3另一端接所述15V电源；稳压管D3负极第1脚与电阻R5一端、运算放大器M1第5脚INB+相连，稳压管D3正极第2脚接电源地，电阻R5另一端接所述15V电源，在稳压管D3负极第1脚形成恒定2.5V电压；将稳压管D3与电容C1并联，稳压管D3负极第1脚连接电容C1一端，正极第2脚连接电容C1另一端。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，运算放大器M1为双路运放芯片。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述稳压管D3负极第1脚与运算放大器M1的第3脚INA+和第5脚INB+相连，运算放大器M1第2脚INA-连接一电阻R6一端，电阻R6另一端与一电阻R4一端相连，电阻R4另一端接电源地；铂电阻传感器两路输入信号经T型滤波器L1和L2后，T型滤波器L1第三端第2脚与运算放大器M1第1脚OUTA相连，T型滤波器L2第三端第3脚与运算放大器M1第2脚INA-相连；运算放大器M1连接一电容C2，具体是运算放大器M1第1脚OUTA、第2脚INA-分别与电容C2两端连接，运算放大器M1第1脚OUTA的电压为铂电阻传感器处理后的电压信号。运算放大器M1第6脚INB-与一电阻R3一端相连、电阻R3另一端与一电阻R1一端相连，电阻R1另一端接电源地；运算放大器M1第7脚OUTB与一电阻R2一端相连，电阻R2另一端与运算放大器M1第6脚INB-相连，运算放大器M1第7脚OUTB的电压值为输出基准电压信号。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电阻R2的阻值可调，通过调节电阻R2的阻值使其与铂电阻传感器信号采集范围的中间值相等。
8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，根据选用的双恒流源铂电阻信号采集调试采集电路中运算放大器最大安全工作电压范围对瞬态抑制二极管D1、D2的击穿电压和最大钳位电压进行选择。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，根据机载产品雷电防护瞬态敏感度试验波形和量值要求，对瞬态抑制二极管D1、D2的功率需求进行计算。
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