趙振宇，白 潔，馮 浩

(中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引 言

在發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，RTD作為溫度傳感器，主要用來(lái)對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)口溫度、滑油溫度和引氣溫度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位的溫度進(jìn)行精確測(cè)量。而鉑電阻型溫度傳感器具有精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、范圍寬的特性[1-3]，已在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證。因此在組合動(dòng)力單元中，對(duì)于這些結(jié)構(gòu)位的溫度通常采用鉑電阻型溫度傳感器進(jìn)行采集。對(duì)于鉑電阻型溫度傳感器，本文采用惠斯特平衡電橋方法進(jìn)行采集。設(shè)計(jì)了高精密電流源電路、高精度儀表放大電路以及相應(yīng)的濾波電路，充分保證了在復(fù)雜電磁環(huán)境及溫度惡劣使用環(huán)境下都可進(jìn)行高精度溫度采集的良好性能。

1 調(diào)理電路原理

在該電路設(shè)計(jì)時(shí)，除進(jìn)行功能設(shè)計(jì)外，還進(jìn)行了抗惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)，以保證該調(diào)理電路能夠在各種惡劣環(huán)境下都保持良好的性能。本文中設(shè)計(jì)的調(diào)理電路功能框圖如圖1所示，該調(diào)理電路由EMI防護(hù)電路[4]、精密電流源電路、惠斯特電橋電路、精密放大電路、低通濾波電路組成。EMI防護(hù)電路用于抑制外界的輻射、耦合干擾通過(guò)電纜，使設(shè)計(jì)滿足傳導(dǎo)敏感度的要求。精密電流源電路產(chǎn)生mA級(jí)電流，為惠斯特平衡電橋提供供電穩(wěn)定的電流，保證電流橋輸出電壓與傳感器阻值變化具有固定的函數(shù)關(guān)系?；菟固仉姌蛲ㄟ^(guò)將傳感器加入橋臂，利用電橋的平衡原理反應(yīng)外部阻值的變化。精密放大電路完成小信號(hào)的無(wú)失真放大。低通濾波電路針對(duì)傳感器信號(hào)的頻率特性，濾除不需要的高頻成分。調(diào)理電路的原理圖如圖2所示。

圖1 調(diào)理電路功能框圖

圖2 調(diào)理電路原理圖

1.1 EMI防護(hù)

由于飛機(jī)上會(huì)有發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)等各種復(fù)雜電磁設(shè)備使用，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的高頻擾動(dòng)，必須考慮如何抑制這部分干擾，即必須進(jìn)行EMI防護(hù)設(shè)計(jì)。在本文中采用由電感和電容組成的L型EMI防護(hù)電路，在傳感器的每一個(gè)輸入線路上添加該電路，以防止外部設(shè)備的擾動(dòng)進(jìn)入后級(jí)調(diào)理電路，造成后級(jí)電路處于錯(cuò)誤的工作狀態(tài)。

EMI防護(hù)電路和分析模型如圖3所示，該EMI防護(hù)電路是一個(gè)L形LC低通濾波電路，將電感自身的阻抗及線路電阻定義為RL，將電容自身的阻抗及后級(jí)負(fù)載等效電阻定義為RC，純電感、電容分別為L(zhǎng)、C，則輸入和輸出電壓的傳遞函數(shù)如式(1)。截止頻率f0計(jì)算公式如式(2)，在該頻率噪聲開(kāi)始衰減。

圖3 EMI防護(hù)等效電路

EMI防護(hù)等效電路的傳遞函數(shù)如下：

(1)

求解該傳遞函數(shù)，可以得到EMI防護(hù)電路的截止頻率為

(2)

由上述推導(dǎo)，可知電路EMI特性與RL及RC無(wú)關(guān)，通過(guò)選擇合適的L、C參數(shù)，可充分抑制頻率范圍外的噪聲擾動(dòng)。

1.2 精密電流源

為保證精密電流源在-40℃～70℃溫度范圍內(nèi)都可輸出穩(wěn)定的mA級(jí)弱電流值，在本文中采用5 V穩(wěn)壓源芯片構(gòu)成電流源電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅通過(guò)改變配置電阻值即可靈活配置輸出電流。電路原理圖如圖4所示。

圖4 精密電流源電路

精密電流源電路輸出的電流值為

(3)

該電路中，僅需通過(guò)變化R2電阻的阻值，即可很方便的實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確調(diào)整。該電路在應(yīng)用的過(guò)程中，有如下需要注意事項(xiàng)：

(1)VIN供電電壓范圍為5 ～21 V。

(2)R2電阻的阻值不得小于500 Ω。

(3)運(yùn)放在選型時(shí)，需選擇偏置電流盡量小的運(yùn)放。

(4)R2電阻在選型時(shí)，需結(jié)合惠斯特橋臂電阻以及后級(jí)儀表運(yùn)放的輸入電壓范圍進(jìn)行綜合判斷，同時(shí)要保證R2電阻的精度以及溫度漂移特性，以滿足寬溫度范圍內(nèi)的高精度電流輸出要求。

1.3 惠斯特平衡電橋

在本文中將惠斯特平衡電橋的三個(gè)橋臂電阻選取相同的阻值[5-6]，電路原理圖如圖5所示。

圖5 惠斯特電橋等效原理圖

對(duì)圖5中電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知：

(4)

1.4 精密放大

為了盡量減小傳感器信號(hào)的共模擾動(dòng)，在電路設(shè)計(jì)時(shí)將該信號(hào)作為差分信號(hào)進(jìn)行處理，放大環(huán)節(jié)選用了具有較高共模抑制比的儀表運(yùn)放，該電路配置簡(jiǎn)單，僅需更改R1的電阻值即能調(diào)節(jié)電路的增益。

圖6 精密放大電路原理圖

對(duì)圖6中電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知：

(5)

同時(shí)在該電路的前端設(shè)計(jì)有濾波單元，用來(lái)抑制信號(hào)中的共模及差模擾動(dòng)。共模信號(hào)濾波截止頻率及差模信號(hào)濾波截止頻率分別如下：

(6)

(7)

1.5 低通濾波

傳感器輸出的有效信號(hào)為低頻信號(hào)，為了進(jìn)一步消除外部擾動(dòng)對(duì)傳感器信號(hào)調(diào)理電路的影響，在該調(diào)理電路的最后設(shè)計(jì)有二階低通濾波器，其原理圖如圖7所示。

圖7 二階低通濾波電路原理圖

二階低通濾波電路的傳遞函數(shù)如下：

(8)

求解該傳遞函數(shù)，可以得到二階低通濾波電路的截止頻率為

(9)

2 電路測(cè)試

2.1 電路測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為對(duì)本文提出的鉑電阻型溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路的功能和性能進(jìn)行測(cè)試，按圖8所示進(jìn)行了測(cè)試平臺(tái)的搭建。選擇PT100信號(hào)仿真板卡實(shí)現(xiàn)對(duì)鉑電阻型溫度傳感器的模擬，允許電阻信號(hào)變化范圍為68～192 Ω，輸出信號(hào)穩(wěn)態(tài)精度在全量程范圍內(nèi)不超過(guò)0.05%。為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)的阻值輸出使用安捷倫6位半萬(wàn)用表1進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)輸出超差時(shí)，及時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后再進(jìn)行測(cè)試。使用萬(wàn)用表2對(duì)調(diào)理電路的輸出進(jìn)行測(cè)量并記錄，將測(cè)試電壓值與理論電壓值進(jìn)行比較，可以得到該電路的調(diào)理精度。為測(cè)試電路在惡劣環(huán)境下的工作性能，需在高低溫試驗(yàn)箱中，對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行測(cè)試。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)

2.2 電路測(cè)試結(jié)果

調(diào)理電路中，橋臂電阻設(shè)置為120 Ω，精密放大電路放大倍數(shù)設(shè)置為80.80614。表1為本鉑電阻型溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路實(shí)際測(cè)試結(jié)果，通過(guò)表1可看出，本文提出的溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路在-40 ℃～75 ℃溫度范圍內(nèi)均可保持高精度狀態(tài)，精度可達(dá)0.5%，具有較大實(shí)際應(yīng)用前景。

表1 鉑電阻型溫度傳感器號(hào)調(diào)理電路測(cè)試

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種鉑電阻型溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)對(duì)功能電路進(jìn)行單元拆分設(shè)計(jì)，既保證了調(diào)理電路的精度，又保證了調(diào)理電路對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。電路測(cè)試結(jié)果表明，該調(diào)理電路精度可達(dá)到0.5%，同時(shí)抗干擾能力較高，另外，該調(diào)理電路設(shè)計(jì)方案可通過(guò)簡(jiǎn)單的更換橋臂電阻以及電流源電阻兼容PT1000型熱電阻傳感器，理論上仍可得到同樣的精度。