侯 毅， 王文健， 肖 彬

(中國航空工業(yè)集團公司 北京長城計量測試技術(shù)研究所， 北京 100095)

0 引 言

飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)是飛機電源供電特性參數(shù)測試和飛機用電設(shè)備電源適應(yīng)性評價的重要測試系統(tǒng)[1-2]. 為了確保飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)測試能力的可靠性， 通常每年需要對其測試性能進行計量校準[3-4]. 所使用的校準系統(tǒng)要求能夠輸出精度極高的校準電壓信號. 根據(jù)校準設(shè)備的精度應(yīng)達到被校準設(shè)備精度4倍的計量要求， 校準系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)信號的精度應(yīng)達到誤差小于0.1%， 瞬態(tài)信號的精度應(yīng)達到誤差小于0.2%的要求[5]. 為了實現(xiàn)校準系統(tǒng)輸出信號的精度要求， 就必須使其內(nèi)部的基準電壓信號源產(chǎn)生更高精度的初始信號. 目前， 電壓信號源主要采用微控制器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器件的嵌入式方式實現(xiàn). 但如果選用的微控制器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器件的數(shù)據(jù)位數(shù)較低， 設(shè)計出的電壓信號源就不能達到精度的要求. 而且， 如果選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器工作性能不穩(wěn)定， 所設(shè)計的電壓信號源還會存在溫度漂移、 噪聲干擾、 線性穩(wěn)定度差、 電壓失調(diào)等問題， 這些也會影響校準系統(tǒng)輸出信號的精度. 基于以上分析， 本文提出由STM32微控制器、 高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器、 低通濾波器和數(shù)據(jù)采集單元等部分構(gòu)成的基準電壓信號源， 以滿足高精度校準系統(tǒng)的技術(shù)指標要求.

1 基準電壓信號源的構(gòu)成和工作原理

用于飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)的校準系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖 1 所示. 校準系統(tǒng)主要由基準電壓信號源、 線性功率放大單元、 輸出保護單元、 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和人機交互接口等部分構(gòu)成.

圖 1 校準系統(tǒng)的構(gòu)成框圖Fig.1 Block diagram of calibration system

基準電壓信號源是校準系統(tǒng)的核心部分， 其工作性能直接決定了校準系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)校準功能和達到技術(shù)指標要求. 如圖1所示， 基準電壓信號源主要由STM32微控制器及其外圍器件、 高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器、 低通濾波器和用于監(jiān)測航電校準系統(tǒng)輸出信號的單元等部分構(gòu)成.

基準電壓信號源的各項操作由其內(nèi)部的嵌入式軟件設(shè)計實現(xiàn). 在實際使用時， 通過外部計算機或觸摸屏等設(shè)備輸入具體的電壓信號參數(shù)， 以控制基準電壓源的信號輸出. 根據(jù)校準規(guī)程[6]， 校準系統(tǒng)應(yīng)能夠輸出正常穩(wěn)態(tài)信號、 非正常穩(wěn)態(tài)信號、 正常瞬變信號、 非正常瞬變信號等不同種類的信號， 以實現(xiàn)對飛機機載供電特性參數(shù)測試系統(tǒng)的校準. 對于不同種類的信號， 校準規(guī)程限定了不同的信號周期持期時間和波形， 例如正常瞬變信號， 規(guī)程要求信號的周期為100 ms～200 ms 之間； 而非正常瞬變信號， 規(guī)程要求信號的周期為10 s. 根據(jù)不同種類信號的特點， 同時為了縮短信號生成和讀取的時間， 微控制器采用了相應(yīng)的數(shù)據(jù)生成和存儲方式. 對于周期時間短的正常瞬變信號， 微控制器生成的數(shù)據(jù)量較小， 其數(shù)據(jù)可以由微控制器根據(jù)輸入的信號參數(shù)實時生成， 并保存在其內(nèi)部的FLASH中； 而對于周期時間長的非正常瞬變信號， 微控制器生成的數(shù)據(jù)量將很大， 其數(shù)據(jù)將預(yù)先生成， 并存儲在外部存儲器中， 當需要實際使用時再從外部存儲器的相應(yīng)地址處讀取數(shù)據(jù)， 而存儲數(shù)據(jù)的地址信息， 則保存在基于I2C總線的另一個存儲器中. 微控制器生成的數(shù)據(jù)為數(shù)字量， 通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成高精度的模擬量信號， 由低通濾波器輸出后再經(jīng)線性功率放大器放大， 作為校準系統(tǒng)的校準信號輸入到被校準的飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng). 在基準電壓源輸出信號的同時， 也通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器定時采集校準系統(tǒng)輸出的信號. 基準電壓信號源將采集的信號參數(shù)與要求的信號參數(shù)相比較， 根據(jù)計算后的偏差量， 調(diào)整微控制器中生成的基準電壓信號的幅值、 周期和波形等參數(shù).

2 基準電壓信號源的設(shè)計

基準電壓信號的數(shù)據(jù)由微控制器根據(jù)外部計算機或觸摸屏等設(shè)備輸入的參數(shù)實時生成或從預(yù)先存儲在外部存儲器的地址中讀取. 微控制器生成的數(shù)據(jù)為數(shù)字量數(shù)據(jù)， 通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成范圍為±10 V的模擬量信號. 為了滿足校準系統(tǒng)的高精度技術(shù)指標要求， 使用20 位DAC_AD5791實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換.

2.1 微控制器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通信實現(xiàn)

微控制器STM32與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791通過SPI總線實現(xiàn)硬件上的連接， 并使用SPI功能函數(shù)實現(xiàn)將微控制器中的數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器.

圖 2 微控制器STM32與數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791的硬件連接圖Fig.2 Hardware connection diagram of microcontroller STM32 and DAC_AD5791

與DAC_AD5791的通信由燒寫在微控制器中的控制程序?qū)崿F(xiàn). 在KEIL軟件中編寫微控制器的SPI外設(shè)的功能函數(shù)， 該功能函數(shù)實現(xiàn)初始化微控制器的通信引腳和端口時鐘， 使能SPI的外設(shè)時鐘， 設(shè)置SPI的工作模式、 地址、 速率等參數(shù)， 使能SPI外設(shè)， 編寫基本SPI按字節(jié)收發(fā)的子函數(shù)等操作. 在主程序中， 調(diào)用SPI外設(shè)的功能函數(shù)， 并初始化DAC_AD5791， 利用SPI外設(shè)按字節(jié)收發(fā)的子函數(shù)實現(xiàn)對DAC_AD5791的數(shù)據(jù)讀取和寫入等操作.

2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

微控制器通過SPI總線以串行方式向數(shù)模轉(zhuǎn)換器寫入數(shù)據(jù)， 由數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791輸出幅值范圍為±10 V的模擬電壓信號.

圖 3 DAC_AD5791的控制時序Fig.3 Control timing of DAC_AD5791

數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791輸出的模擬電壓值， 可以通過式(1)計算得出：

(1)

式中：VOUT為DAC_AD5791的輸出電壓值；VREFP為向DAC_AD5791的VREFP引腳施加的正電壓值；VREFN為向DAC_AD5791的VREFN引腳施加的負電壓值；D為向DAC_AD5791寫入的20位數(shù)字量.

2.3 基準電壓信號的精度

數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791的供電電壓為±15 V， 采用芯片AD688提供. 芯片AD688輸出的基準電壓通過芯片OPA2277以開爾文電路方式輸入到DAC_AD5791的基準電壓輸入端. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791輸出模擬信號的幅值范圍為±10 V， 因此， 20位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC_AD5791輸出模擬信號的最小步長為0.019 mV， 量化誤差為9.5 μV. 當校準系統(tǒng)輸出270 V的高壓校準信號時， 需要將數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號放大50倍. 放大后信號的最小步長為0.953 7 mV， 遠低于輸出幅值的0.1%， 因此， 使用該基準電壓信號源可實現(xiàn)精密調(diào)節(jié)輸出電壓幅值的功能.

校準系統(tǒng)使用功率放大芯片PA94將基準電壓信號放大， 形成270 V高壓校準信號. 而功率放大芯片PA94存在輸入失調(diào)電壓大的特點， 不滿足穩(wěn)態(tài)電壓要求， 因此， 功率放大電路使用了兩級放大電路設(shè)計. 第一級線性功率放大電路實現(xiàn)將基準電壓信號預(yù)放大10倍， 第二級功率放大電路實現(xiàn)將基準電壓信號再放大5倍. 在第一級功率放大電路中， 放大器采用低溫漂零失調(diào)運算放大器ADA4522， 其最大輸入失調(diào)電壓為5 μV， 溫漂為22 nV/℃. 在第二級功率放大電路中， 由于PA94芯片最大輸入失調(diào)電壓為5 mV， 溫漂為50 μV/℃， 無法達到精度要求， 因此， 第二級功率放大電路采用復(fù)合放大電路， 將ADA4522與PA94構(gòu)成內(nèi)外環(huán)串級系統(tǒng)， 降低了功率放大電路由于輸入失調(diào)與溫漂造成的輸出誤差. 最終， 放大通道由于輸入失調(diào)電壓造成的最大穩(wěn)態(tài)誤差為5 μV×10×5=0.25 mV， 可以滿足精度指標要求.

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 正常瞬變電壓信號輸出測試實驗

根據(jù)GJB181B-2012的規(guī)定， 270 V正常瞬變電壓信號應(yīng)滿足表 1 所示的幅值和持續(xù)時間[8].

設(shè)計的基準電壓信號源能夠輸出幅值范圍為±10 V的基準電壓信號. 在校準系統(tǒng)中， 通過線性功率放大器將基準電壓信號源輸出的基準電壓信號放大50倍后， 能夠輸出GJB181B-2012規(guī)定的270 V正常瞬變電壓信號. 因此， 根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)， 輸出270 V正常瞬變電壓信號時， 應(yīng)設(shè)置基準電壓信號源輸出幅值為表 1 中數(shù)據(jù)的1/50 的電壓信號. 基準電壓信號源輸出的基準電壓信號如圖 4 和圖 5 所示.

表 1 GJB181B-2012規(guī)定的270 V正常瞬變電壓信號的幅值和持續(xù)時間Tab.1 Amplitude and duration of 270 V normal transient voltage signal specified by GJB181B-2012

圖 4 270 V正常過壓瞬變電壓信號

圖 5 270 V正常欠壓瞬變電壓信號

3.2 非正常瞬變電壓信號輸出測試實驗

根據(jù)GJB181B-2012的規(guī)定， 270 V非正常瞬變電壓信號應(yīng)滿足表 2 所示的幅值和持續(xù)時間.

表 2 GJB181B-2012規(guī)定的270 V非正常瞬變電壓信號的幅值和持續(xù)時間Tab.2 Amplitude and duration of 270 V unnormal transient voltage signal specified by GJB181B-2012

設(shè)置基準電壓信號源輸出幅值為表2中數(shù)據(jù)1/50的電壓信號， 同時， 因為非正常瞬變校準信號的周期時間為10 s， 這些數(shù)據(jù)已經(jīng)預(yù)先生成， 并已存儲在外部存儲器中. 當需要輸出信號時， 在定時器控制下從相應(yīng)地址的外部存儲器中逐點調(diào)取數(shù)據(jù). 基準電壓信號源輸出的基準電壓信號如圖 6 和圖 7 所示.

圖 6 270 V非正常過壓瞬變電壓信號Fig.6 270 V unnormal overvoltage transient signal

圖 7 270 V非正常欠壓瞬變電壓信號Fig.7 270 V unnormal undervoltage transient signal

由該基準電壓信號源輸出結(jié)果可知， 設(shè)計的基準電壓信號源能夠在程序的控制下輸出范圍為±10 V， 幅值可調(diào)的電壓信號， 且信號的幅值、 周期持續(xù)時間和波形參數(shù)都能夠滿足對飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)的計量要求.

4 結(jié) 論

本文提出了由STM32微控制器、 高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器、 低通濾波器和數(shù)據(jù)采集單元等部分構(gòu)成的基準電壓信號源. 通過實驗驗證了該基準電壓信號源具有按照輸入的參數(shù)實時生成或讀取預(yù)存在外部存儲器中的波形數(shù)據(jù)， 經(jīng)高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換后形成基準電壓信號的能力. 經(jīng)理論分析和示波器對實驗輸出電壓信號測量結(jié)果的分析， 基準電壓信號的最小步長為0.019 mV， 量化誤差為9.5 μV. 該基準電壓信號由線性功率放大器放大后， 形成了用于對飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)進行計量的校準電壓信號. 因此， 由該基準電壓信號源構(gòu)成的校準系統(tǒng)不僅能夠滿足飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)測量準確性和溯源性的計量校準要求， 還能夠大幅提升飛機電源試驗臺電氣參數(shù)測試系統(tǒng)的校準效率.