CN111030657A - 一种高精度直流激励产生电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机压力传感器供电技术，具体涉及一种高精度直流激励产生电路及方法。本发明的高精度直流激励产生电路包括积分电路、驱动电路、电流采样电路、过流保护电路、复位电路、电流检测电路、滤波电路和电压检测电路。本发明高精度直流激励产生电路是负反馈电路，首先采集直流激励输出电压，并转换为反馈电压输出到积分电路输入端，与基准电压的差进行积分处理，实现对驱动电路的控制，使得直流激励输出电压等于期望电压。本发明具备故障检测、过流保护功能。经实际使用验证，能够为硅压阻型压力传感器等负载提供高精度直流供电、保证了压力传感器采集精度，具有广泛的应用价值。

Description

一种高精度直流激励产生电路及方法

技术领域

本发明属于航空发动机压力传感器供电技术，具体涉及一种高精度直流激励产生电路。

背景技术

在航空发动机控制系统中，压力测量是控制核心参数，直接影响的发动机性能、功能和稳定运行。硅压阻压力传感器具有精度髙、测量范围宽、稳定性好及可靠性等特点，广泛应用于航空发动机压力测量系统中。硅压阻压力传感器直流激励供电性能对采集精度及稳定性影响很大，同时，还需要能够实现直流激励过流保护功能，以免损坏压力传感器敏感元件。

当前，多见的硅压阻压力传感器供电方案，主要使用线性电源实现，且电路结构复杂，系统成本和重量的增加，精度不高，故障检测性能差，没有考虑接口的开路与短路检测，且没有设计过流保护措施保证硅压阻压力传感器敏感元件的正常工作等问题，实际应用受到了局限。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度直流激励产生电路，解决采用线性电源为硅压阻压力传感器供电时存在的电路结构复杂，系统成本高，精度不高，故障检测性能差等问题。

本发明的技术方案是提供一种高精度直流激励产生电路，其特殊之处在于：包括积分电路、驱动电路、电流采样电路、保护电路、电流检测电路与电压检测电路；

上述积分电路两输入端分别与基准电压和直流激励电压连接，积分电路输出端与保护电路输出端同时与驱动电路控制端连接，驱动电路输出端与电流采样电路输入端相连，电流采样电路输出端同时与保护电路、电流检测电路、积分电路和电压检测电路相连。

进一步地，上述保护电路包括复位电路和/或过流保护电路，过流保护电路输出端与复位信号同时接入复位电路输入端，均可使能复位电路；复位电路输出端接入驱动电路控制端。复位电路可由过流保护电路或复位信号使能，当复位电路使能时，直流激励驱动停止输出。

进一步地，在电流采样电路与负载之间设有滤波电路，滤波电路输出为高精度直流激励信号。

进一步地，上述驱动电路包括晶体管与接到晶体管发射极与地之间的电容。

进一步地，上述电流采样电路包括电阻R8，电阻R8串接到驱动电路供电电源与晶体管集电极之间。

进一步地，上述过流保护电路包括晶体管V3、晶体管V6和二极管V4、二极管V5，二极管V4与二极管V5正向串接到驱动电路供电电源与晶体管V3的发射极，晶体管V3的集电极通过电阻与晶体管V6的基极相连，晶体管V6的发射极接地，晶体管V6集电极与驱动电路的控制端相连。

进一步地，过流保护阈值由采样电阻R8决定，当直流激励驱动电流超过过流保护阈值时，过流保护电路使能复位电路，停止直流激励驱动输出，R8通过下式确定：R8＝(二极管V4的压降+二极管V5的压降+晶体管V3的开启电压)/过流保护阈值。

进一步地，上述积分电路包括运算放大器D1、分压电阻R1、分压电阻R2、分压电阻R3、分压电阻R4和反馈电容C1，R1两端分别与参考电压Vref和运算放大器D1正输入端相连，R2两端分别与地和运算放大器D1正输入端相连，R3两端分别与直流激励输出和运算放大器D1负输入端相连，R4两端分别与地和运算放大器D1负输入端相连，电容C1分别与运算放大器D1负输入端和输出端相连。

进一步地，上述直流激励电压的期望值Vo＝[R2*(R3+R4)]/[R4*(R1+R2)]*Vref。

本发明还提供高精度直流激励产生电路的激励产生方法，包括如下步骤：

步骤1：直流激励电压接到积分电路中运算放大器的负向输入端；

步骤2：直流激励电压与基准电压V_ref通过积分电路进行处理，输出结果用来实现对驱动电路的控制，当直流激励电压偏大时，积分电路输出减小，进而减小激励电压的输出；当直流激励电压偏小时，积分电路会输出增大，进而增大激励电压的输出；

步骤3：在激励电压输出到负载的同时，电流检测电路和电压检测电路时刻采集直流激励的驱动电流和驱动电压值，当驱动电压正常，但驱动电流超过正常值(驱动电流还未达到过流保护阈值)时，提示负载存在异常；当驱动电压正常，但驱动电流远远小于正常值时，提示负载开路故障。当检测到驱动电压异常时，提示直流激励电路存在故障。

本发明的技术效果是：

能够为压力传感器等传感器提供一种高精度直流激励，精度可达到0.2％，并且具有过流保护、负载开路、短路等功能。

本发明一种高精度直流激励电路主要应用于多型航空发动机全权限数字电子控制器产品中，已经过各种发动机系统试验验证和飞机装机验证，系统运行稳定可靠，能够实现压力传感器精准供电，保证了压力传感器采集精度，并能够实现供电接口的开路、短路检测和过流保护。

附图说明

图1是本发明一种高精度直流激励产生电路的功能原理框图；

图2是本发明一种高精度直流激励产生电路硬件原理图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，某型硅压阻压力传感器激励电压要求为10V±0.01V，激励电流不大于20mA。

请同时参阅图1、图2，其中，图1是本发明一种高精度直流激励产生电路的功能原理框图，图2是本发明一种高精度直流激励产生电路硬件原理图。

该电路主要包括积分电路、驱动电路、电流采样电路、过流保护电路、复位电路、电流检测电路、滤波电路和电压检测电路。

积分电路两输入端分别与基准电压和直流激励电压连接，积分电路输出端与复位电路输出端同时与驱动电路控制端连接，过流保护电路输出端与复位信号同时接入复位电路输入端，均可使能复位电路；驱动电路输出端与电流采样电路输入端相连，电流采样电路输出端同时与过流保护电路、电流检测电路、积分电路、滤波电路相连，滤波电路输出为高精度直流激励信号，与负载和电压检测电路相连。

如图2所示，基准电压Vref经由分压电阻R1、R2后接入积分电路中的运算放大器正向输入端，直流激励电压Vo经由分压电阻R3、R4后接入积分电路中的运算放大器负向输入端。在电路处于稳态前，当直流激励电压Vo小于期望值时，积分电路输出会增大；当直流激励电压Vo大于期望值时，积分电路输出会减小；当电路处于稳态时，积分电路输出保持不变，根据负反馈运放的“虚断”、“虚短”特性，图2中直流激励电压期望值Vo＝[R2*(R3+R4)]/[R4*(R1+R2)]*Vref，因此，直流激励电压Vo的大小由电阻R1、R2、R3、R4的阻值及基准电压Vref的电压值决定。直流激励电压Vo的精度由R1、R2、R3、R4的精度及基准电压Vref的精度决定。通过选择分压电阻R1阻值为5KΩ(精度：±0.05％)、R2阻值为50KΩ(精度：±0.05％)、R3阻值为12KΩ(精度：±0.05％)，R4阻值为10KΩ(精度：±0.05％)，及电压基准Vref为5V(精度：0.02％)，因此直流激励电压Vo＝10V，经理论分析及实际测量精度可达到±0.2％。

驱动电路由NPN型功率三极管V2构成，作用是仅为直流激励电压Vo提供驱动能力，与Vo精度无关。电流采样电路由采样电阻R8构成，流经R8的电流与提供给压力传感器的供电电流相同。过流保护电路由PNP型开关三极管V3、普通硅二极管V4、V5、NPN型开关三极管V6以及相应阻容元器件构成，工作原理如下：当采样电阻R8两端的压降大于2.1V(二极管V4、V5的压降与三极管V3的开启电压之和)时，V3导通，进而导致V6导通，则A点电压值接近于0，则直流激励电压Vo输出为0，进而实现了过流保护功能。过流保护阈值I₀仅决定于R8的阻值，即I0＝2.1V/R8，采样电阻R8阻值为50Ω(精度：±0.05％)，则过流保护阈值I0＝42mA。复位电路由NPN型开关三极管V1及相应阻容器件构成，当复位信号RESET为高电平时，V1导通，则A点电压值接近于0，则直流激励电压Vo输出为0，进而实现了复位功能。

电流检测电路和电压检测电路时刻采集激励电流和激励电压值，当检测到驱动电压正常，直流激励驱动电流超过15mA时，系统提示压力传感器阻抗存在异常；当检测到驱动电压正常，但直流激励驱动电流小于1mA时，系统提示负载开路故障。当检测到驱动电压在范围[9,95V,10.05V]时，系统提示直流激励电路存在故障。

高精度直流激励产生电路，其特征在于，具体电路工作过程如下：

步骤1：高精度直流激励产生电路为负反馈电路，直流激励电压V₀接到积分电路中运算放大器的负向输入端；

步骤2：直流激励电压V₀与期望激励电压对应基准电压V_ref通过积分电路进行处理，输出结果用来实现对驱动电路的控制，在电路处于稳态前，当直流激励电压Vo小于期望值时，积分电路输出会增大；当直流激励电压Vo大于期望值时，积分电路输出会减小；根据负反馈运放的“虚断”、“虚短”特性，直流激励电压期望值Vo＝[R2*(R3+R4)]/[R4*(R1+R2)]*Vref，直流激励电压Vo的精度仅与R1、R2、R3、R4的精度及基准电压Vref有关，通过选择分压电阻R1阻值为5KΩ(精度：±0.05％)、R2阻值为50KΩ(精度：±0.05％)、R3阻值为12KΩ(精度：±0.05％)，R4阻值为10KΩ(精度：±0.05％)，及电压基准Vref为5V(精度：0.02％)，因此直流激励电压Vo＝10V。

步骤3：电流检测电路和电压检测电路时刻采集激励电流和激励电压值，当检测到驱动电压正常，直流激励驱动电流超过15mA时，系统提示压力传感器阻抗存在异常；当检测到驱动电压正常，但直流激励驱动电流小于1mA时，系统提示负载开路故障。当检测到驱动电压在范围[9,98V,10.02V]时，系统提示直流激励电路存在故障。

实际工作中，本发明已用于某型发动机全权限数字电子控制器中，经过各种系统试验验证和装机验证，系统运行稳定可靠，能够实现压力传感器精准供电，保证了压力传感器采集精度，并能够实现供电接口的开路、短路检测和过流保护功能。

Claims (10)

1.一种高精度直流激励产生电路，其特征在于：包括积分电路、驱动电路、电流采样电路、保护电路、电流检测电路与电压检测电路；

所述积分电路两输入端分别与基准电压和直流激励电压连接，积分电路输出端与保护电路输出端同时与驱动电路控制端连接，驱动电路输出端与电流采样电路输入端相连，电流采样电路输出端同时与保护电路、电流检测电路、积分电路和电压检测电路相连。

2.根据权利要求1所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：所述保护电路包括复位电路和/或过流保护电路，过流保护电路输出端与复位信号同时接入复位电路输入端，均可使能复位电路；复位电路输出端接入驱动电路控制端。

3.根据权利要求1所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：在电流采样电路与负载之间设有滤波电路，滤波电路输出为高精度直流激励电压。

4.根据权利要求2所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：所述驱动电路包括晶体管与接到晶体管发射极与地之间的电容。

5.根据权利要求4所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：所述电流采样电路包括电阻R8，电阻R8串接到驱动电路供电电源与晶体管集电极之间。

6.根据权利要求5所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：所述过流保护电路包括晶体管V3、晶体管V6和二极管V4、二极管V5，二极管V4与二极管V5正向串接到驱动电路供电电源与晶体管V3的发射极，晶体管V3的集电极通过电阻与晶体管V6的基极相连，晶体管V6的发射极接地，晶体管V6集电极与驱动电路的控制端相连。

7.根据权利要求6所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：R8通过下式确定：R8＝(二极管V4的压降+二极管V5的压降+晶体管V3的开启电压)/过流保护阈值。

8.根据权利要求5所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于，所述积分电路包括运算放大器D1、分压电阻R1、R2、R3、R4和反馈电容C1，R1两端分别与参考电压Vref和运算放大器D1正输入端相连，R2两端分别与地和运算放大器D1正输入端相连，R3两端分别与直流激励电压输出和运算放大器D1负输入端相连，R4两端分别与地和运算放大器D1负输入端相连，电容C1分别与运算放大器D1负输入端和输出端相连。

9.根据权利要求8所述的高精度直流激励产生电路，其特征在于：所述直流激励电压的期望值Vo＝[R2*(R3+R4)]/[R4*(R1+R2)]*Vref。

10.一种权利要求1-9任一所述的高精度直流激励产生电路的激励产生方法如下：

步骤1：直流激励电压接到积分电路中运算放大器的负向输入端；

步骤2：直流激励电压与基准电压V_ref通过积分电路进行处理，输出结果用来实现对驱动电路的控制，当直流激励电压偏大时，积分电路输出减小，进而减小激励电压的输出；当直流激励电压偏小时，积分电路会输出增大，进而增大激励电压的输出；

步骤3：在激励电压输出到负载的同时，电流检测电路和电压检测电路时刻采集直流激励的驱动电流和驱动电压值，当驱动电压正常，但驱动电流超过正常值时，提示负载存在异常；当驱动电压正常，但驱动电流远远小于正常值时，提示负载开路故障；当检测到驱动电压异常时，提示直流激励电路存在故障。

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