CN208537956U - 一种高精度可控模拟大气总温信号装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种高精度可控模拟大气总温信号装置，包括主控计算机、数据采集卡、模拟开关、并联电阻网络，所述并联电阻网络采用多个权电阻并联形式实现，所述模拟开关与各路电阻电性连接，所述数据采集卡设置I/O端口，所述I/O端口通过输出的数字量控制模拟开关，所述主控计算机通过总线与所述数据采集卡电性连接。本装置使用并联电阻网络，并且模拟开关替代继电器，在提高可靠性的基础上保证了模拟传感器电阻的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号源装置，特别是涉及一种高精度可控模拟大气总温信号装置。
背景技术
总温信号是大气数据计算机的基本输入信号之一，是以电阻的形式给定的，总温传感器的输出电阻与大气总温一一对应，电阻的变化范围是 220Ω 至 420Ω 。
在对飞机大气数据计算机进行测试时，需要向大气数据计算机提供所需的总温信号，电阻给定的精度不大于 0.37%。目前，利用数字电路构建电阻网络大多采用串联的方式来实现任意精密电阻，其实现方式大都为 8421BCD 码的结构方式。该计算方法容易实现，结构清晰，程序简单，易于控制。
中国专利授权公告号CN104538136B公开了一种数控变阻装置，包括第一端口A和第二端口B，以及连接在所述第一端口A与所述第二端口B之间的电压调节电路。所述电压调节电路包括：标准电阻R、补偿电压源US以及输出电压可变的数控电压源U。所述补偿电压源US是用反相跟随电路2来实现抵消所述标准电阻R两端上的电压降的；其中，标准电阻R的一端C与所述第一端口A相连，另一端D与所述补偿电压源的输出端US-相连；所述补偿电压源US的参考地线端US+与所述数控电压源U的参考地线端U+相连；所述数控电压源输出端U-与所述第二端口B相连；所述补偿电压源US的输出端US_ 与所述数控电压源中数模转换电路3的基准输入端连接，为所述数控电压源提供参考端电压。该装置具有模拟输出电阻稳定、分辨力可调、模拟电阻范围宽广的优点。但是该装置操作繁琐而且给定的检测点数量有限，降低了效率。
中国专利授权公告号CN203849583U公开了一种程控总温电阻信号源，主要由MCU电路、通信接口电路、隔离驱动电路和电阻网络电路组成，所述电阻网络电路由n个电阻串联组成，并且与每个电阻并联分别设有一个控制其接入的电子开关，所述MCU电路控制连接电阻网络电路的各个电子开关，从所述电阻网络电路的两个端点引出总温电阻信号连接大气数据计算机，所述MCU电路通过所述通信接口电路连接主控制器，实现该程控总温电阻信号源与主控制器的通信。该实用新型程控总温电阻信号源，由于采用数字化控制，总温电阻值给定不需人工操作，提高了机载设备的维护效率，具有结构简单、设计科学、实用性强、信号准确的优点。但是采用串联方式存在许多不利因素：
首先，串联电阻网络可靠性低。当某一电阻出故障，会降低整个系统的可靠性。而且串联电阻网络采用继电器，在向大气数据计算机输入总温电阻时，要求电阻网络的输出电阻值不断地变换大小，继电器不停地动作，其使用寿命将受损，同样会降低系统的可靠性。
其次，串联电阻网络精度低。随着继电器的不断动作，其触点的电阻值会发生变化，从而影响整个网络的精度。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的问题是提供一种可靠性高、精度高的电阻网络来替代现有的串联电阻网络，特别是提供一种高精度可控模拟大气总温信号装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度可控模拟大气总温信号装置，包括主控计算机、数据采集卡、模拟开关、并联电阻网络，所述并联电阻网络采用多个权电阻并联形式实现，所述模拟开关与各路电阻电性连接，所述数据采集卡设置I/O端口，所述I/O端口通过输出的数字量控制模拟开关，所述主控计算机通过总线与所述数据采集卡电性连接。
进一步的，所述并联电阻网络采用2倍的权电阻并联网络。
进一步的，所述数据采集卡采用PCL-722型号，所述模拟开关采用美国MAXIM公司生产的MX4601芯片，所述总线采用RS-485总线。
进一步的，所述数据采集卡与模拟开关之间设置隔离芯片，所述数据采集器的I/O端口通过隔离芯片控制连接模拟开关，所述隔离芯片采用美国ADI公司生产的四通道通用型数字隔离器ADUM1400。
进一步的，所述并联电阻网络采用16条并联支路。
进一步的，所述并联电阻网络设置在PCB板上，所述PCB板上设置散热器。
进一步的，所述散热器使用带有风扇的散热器。
本发明的有益效果是：
1、本装置使用并联电阻网络，并且模拟开关替代继电器，在提高可靠性的基础上保证了模拟传感器电阻的精度。
2、模拟开关的选用准则是导通电阻应小，美国 MAXIM 公司生产的低导通电阻模拟开关芯MAX4601 可以很方便地解决导通电阻过大的问题，其 Ron,max=2.5Ω 采用 CMOS方式，使用寿命长，且其动作时间短，只需要160ns。
3、本装置增加隔离芯片目的是为了加强硬件的抗干扰能力，可以阻隔主控计算机与模拟开关之间的信号干扰。
4、采用16条并联支路只需要使用4片MAX4601模拟开关芯片即可以满足部分应用。
5、对PCB板采取散热措施是为了减少电阻发热导致的精度降低，以保证电阻精度要求。
综上所述，本发明提供的一种高精度可控模拟大气总温信号装置通过使用并联电阻网络，并用模拟开关代替继电器的方法避免了串联电阻网络的可靠性低、精度不高的缺点，实现了高精度、高可靠性模拟模拟大气总温信号。
附图说明
图1为本发明实施例一的可控模拟大气总温信号装置原理框图。
图2为本发明实施例一的权并联电阻网络电路图。
图3为本发明实施例二的可控模拟大气总温信号装置原理框图。
图4为本发明实施例二隔离芯片与PCL722及MAX4601的接口电路图。
图5为本发明实施例一的并联电阻网络误差曲线图。
图6为本发明实施例二的并联电阻网络误差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对一种高精度可控模拟大气总温信号装置的技术方案做进一步的详细说明。
实施例一
如图1所示, 本发明提供了一种高精度可控模拟大气总温信号装置，包括主控计算机、数据采集卡、模拟开关、并联电阻网络，并联电阻网络采用16条权电阻并联支路，模拟开关与各路电阻电性连接，数据采集卡设置I/O端口，所述I/O端口通过输出的数字量控制模拟开关，所述主控计算机通过总线与所述数据采集卡电性连接。本装置并联电阻网络采用2倍的权电阻并联网络，数据采集卡采PCL-722型号，模拟开关采用美国MAXIM公司生产的MX4601芯片，总线采用RS-485总线。并联电阻网络设置在PCB板上， PCB板上设置带有风扇的散热器。
本装置使用并联电阻网络，并用模拟开关代替继电器，本装置使用并联电在提高可靠性的基础上保证模拟传感器电阻的精度。如图2所示的实施例一的并联电阻网络电路图，并联电阻网络采用权电阻并联的形式实现，与数/模转换器的工作原理相似，采用 2 倍的权电阻并联网络，用数字控制的模拟开关实现对各路电阻的控制。
其中：
R0:R1:R2……Rn-2:Rn-1=20:21:22……2n-2:2n-1 (1)
本装置采用 16 支路的并联电阻网络，由并联电阻公式可知，等效电阻为：
式中：；为各支路的开关量，。将 代入上式，得到：
设 ，将 N看成是各支路开关控制信号组成的十进制整
数，则可以得到控制信号与等效电阻间的关系，即采用数字电路就能实现对电阻网络的控制。设Req为所需的传感器模拟电阻，则由式（3）可得
R=215RO/Req （4）
式（4）是开关控制信号 N与所需传感器模拟电阻Req的对应关系。应说明，开关控制信号为二进制码，必须为整数，而式（4）等号右边为实数乘除，因此实际过程中会存在电阻误差。经取整运算得出
N=ent(215RO/Req)
设Rr为实际电阻 ，则Rr=215RO/N,设δr为相对误差，则δr=|Req-Rr|/Req。
以Req=244.1欧姆，选择 R0=10欧姆为例，则得出：
N=ent(215*10/244.1)=1342。
而1324=21+22+23+24+25+28+210，
从而得出b0—b15模拟开关控制端的数字量为：011111001010000,使得并联电阻网络中的 R1、R2、R3、R4、R5、R8、R10所在的支路接通，测出实际电阻 Rr=215*100/1342=244.172欧姆，相对误差为：0.029%，电阻给定的精度小于 0.37%，因此可以满足需求。
如表1所示，在阻值范围为 220Ω～420Ω，取 R0=10Ω，n=16，可以测出实际电阻值，并计算出相对误差，相对误差不超过 0.08%，可以满足精度要求。因此，采用 16条并联支路的方式能够满足电阻网络的精度。在使用的过程中，还可以通过软件对整个电阻网络进行误差修正，提高电阻网络的精度。图5是实施例一的理想电阻值与实际电阻相对误差曲线图。
表1 实施例一理想电阻与实际电阻数据对照表
| 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 | 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 | 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 | 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 |
| 220 | 220.04 | 0.02% | 294 | 294.21 | 0.07% | 346 | 346.10 | 0.03% | 392 | 392.08 | 0.02% |
| 226 | 226.09 | 0.04% | 298 | 298.15 | 0.05% | 349 | 349.10 | 0.03% | 394 | 394.12 | 0.03% |
| 231 | 231.07 | 0.03% | 300 | 300.15 | 0.05% | 352 | 352.18 | 0.05% | 396 | 396.16 | 0.04% |
| 236 | 236.14 | 0.06% | 302 | 302.09 | 0.03% | 356 | 356.11 | 0.03% | 398 | 398.20 | 0.05% |
| 239 | 239.07 | 0.03% | 304 | 304.12 | 0.04% | 359 | 359.25 | 0.07% | 400 | 400.12 | 0.03% |
| 245 | 245.12 | 0.05% | 309 | 309.03 | 0.01% | 362 | 362.29 | 0.08% | 402 | 402.20 | 0.05% |
| 251 | 251.15 | 0.06% | 314 | 314.16 | 0.05% | 366 | 366.22 | 0.06% | 406 | 406.16 | 0.04% |
| 255 | 255.18 | 0.07% | 318 | 318.06 | 0.02% | 369 | 369.18 | 0.05% | 409 | 409.12 | 0.03% |
| 259 | 259.13 | 0.05% | 320 | 320.10 | 0.03% | 372 | 372.22 | 0.06% | 412 | 412.25 | 0.06% |
| 265 | 265.16 | 0.06% | 325 | 325.16 | 0.05% | 376 | 376.15 | 0.04% | 416 | 416.29 | 0.07% |
| 270 | 270.22 | 0.08% | 328 | 328.16 | 0.05% | 379 | 379.19 | 0.05% | 419 | 419.08 | 0.02% |
| 275 | 275.14 | 0.05% | 335 | 335.20 | 0.06% | 382 | 382.11 | 0.03% | 420 | 420.21 | 0.05% |
| 281 | 281.14 | 0.05% | 339 | 339.20 | 0.06% | 386 | 386.23 | 0.06% | |||
| 288 | 288.09 | 0.03% | 342 | 342.17 | 0.05% | 389 | 389.23 | 0.06% |
实施例二
实施例一与实施例二具体实施方式基本相同，所不同之处在于：数据采集卡与模拟开关之间设置隔离芯片，数据采集器的I/O端口通过隔离芯片控制连接模拟开关，隔离芯片采用美国 ADI 公司生产的四通道通用型数字隔离器ADUM1400，PCL722 输出的 TTL 电平信号进入ADUM1400的隔离器输入端，ADUM1400 的隔离器输出端与 MX4601 模拟开关控制端相连，控制 4 路模拟开关。增加隔离芯片的目的为了加强硬件抗干扰能力,在 PCL-722 的 I/O 端口与 MX4601之间加上一个隔离芯片,它的作用是阻隔主控计算机与MX4601 之间信号的干扰。如图3所示装有隔离芯片的可控模拟大气总温信号装置原理框图。如图4所示，为本发明实施例二隔离芯片与PCL722及MAX4601的接口电路图。
如表2所示，在阻值范围为 220Ω～420Ω，取 R0=10Ω，n=16，可以测出实施例的实际电阻值，并计算出相对误差，相对误差不超过 0.23%，可以满足精度要求。因此，采用16条并联支路的方式能够满足电阻网络的精度。图6是实施例二的理想电阻值与实际电阻相对误差曲线图。
表2 实施例二理想电阻与实际电阻数据对照表
| 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 | 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 | 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 | 理想电阻 | 实际电阻 | 误差 |
| 220 | 220.1 | 0.045% | 294 | 294.2 | 0.068% | 346 | 346.29 | 0.084% | 392 | 392.7 | 0.179% |
| 226 | 226.12 | 0.053% | 298 | 298.13 | 0.044% | 349 | 349.3 | 0.086% | 394 | 394.8 | 0.203% |
| 231 | 231.13 | 0.056% | 300 | 300.2 | 0.067% | 352 | 352.4 | 0.114% | 396 | 396.6 | 0.152% |
| 236 | 236.08 | 0.034% | 302 | 302.21 | 0.070% | 356 | 356.4 | 0.112% | 398 | 398.8 | 0.201% |
| 239 | 239.11 | 0.046% | 304 | 304.25 | 0.082% | 359 | 359.38 | 0.106% | 400 | 400.8 | 0.200% |
| 245 | 245.07 | 0.029% | 309 | 309.26 | 0.084% | 362 | 362.42 | 0.116% | 402 | 402.78 | 0.194% |
| 251 | 251.1 | 0.040% | 314 | 314.22 | 0.070% | 366 | 366.45 | 0.123% | 406 | 406.74 | 0.182% |
| 255 | 255.18 | 0.071% | 318 | 318.23 | 0.072% | 369 | 369.45 | 0.122% | 409 | 409.8 | 0.196% |
| 259 | 259.2 | 0.077% | 320 | 320.28 | 0.087% | 372 | 372.48 | 0.129% | 412 | 412.87 | 0.211% |
| 265 | 265.18 | 0.068% | 325 | 325.22 | 0.068% | 376 | 376.52 | 0.138% | 416 | 416.9 | 0.216% |
| 270 | 270.02 | 0.007% | 328 | 328.3 | 0.091% | 379 | 379.56 | 0.148% | 419 | 419.86 | 0.205% |
| 275 | 275.1 | 0.036% | 335 | 335.32 | 0.096% | 382 | 382.54 | 0.141% | 420 | 420.82 | 0.195% |
| 281 | 281.12 | 0.043% | 339 | 339.3 | 0.088% | 386 | 386.5 | 0.130% | |||
| 288 | 288.12 | 0.042% | 342 | 342.38 | 0.111% | 389 | 389.68 | 0.175% |
除实施例一、实施例二外，众所周知的，选用模拟开关的准则是，导通电阻应小，除MAX4601芯片外，MAX4661等导通电阻小的芯片都可以做为模拟开关的备选项。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种高精度可控模拟大气总温信号装置，包括主控计算机、数据采集卡、模拟开关、并联电阻网络，其特征在于：所述并联电阻网络采用多个权电阻并联形式实现，所述模拟开关与各路电阻电性连接，所述数据采集卡设置I/O端口，所述I/O端口通过输出的数字量控制模拟开关，所述主控计算机通过总线与所述数据采集卡电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种高精度可控模拟大气总温信号装置，其特征在于：所述并联电阻网络采用2倍的权电阻并联网络。
3.根据权利要求1所述的一种高精度可控模拟大气总温信号装置，其特征在于：所述数据采集卡采用PCL-722型号，所述模拟开关采用美国MAXIM公司生产的MX4601芯片，所述总线采用RS-485总线。
4.根据权利要求1所述的一种高精度可控模拟大气总温信号装置，其特征在于：所述数据采集卡与模拟开关之间设置隔离芯片，所述数据采集器的I/O端口通过隔离芯片控制连接模拟开关，所述隔离芯片采用美国ADI公司生产的四通道通用型数字隔离器ADUM1400。
5.根据权利要求1所述的一种高精度可控模拟大气总温信号装置，其特征在于所述并联电阻网络采用16条并联支路。
6.根据权利要求1所述的一种高精度可控模拟大气总温信号装置，其特征在于：所述并联电阻网络设置在PCB板上，所述PCB板上设置散热器。
7.根据权利要求6所述的一种高精度可控模拟大气总温信号装置，其特征在于：所述散热器使用带有风扇的散热器。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190222 |