自动气象站阈值模数转换模块设计研究

王 勃

郑州市气象局

自动气象站阈值模数转换模块设计研究

王 勃

郑州市气象局

本文结合作者的工作经验，对自动气象站的阈值与模数转换模块的设计上进行了详细的阐述。

自动化气象站；数据；阈值；模数转换模块

自动气象站的传感器信号经过增益放大后先进入阈值电路与模数转换电路。阈值电路是根据气象传感器所采集到的物理信号达到的阈值电压来决定电路的工作情况。模数转换电路是把通过阈值电路的模拟电信号转换成数字信号，并把信号交给数据采集控制芯片进行运算处理。

阈值与模数转换电路由滑动变阻器和电压比较器芯片组成。通过滑动变阻器设定自动气象站的传感器信号的阈值电压，经过电压比较器芯片与阈值电压比较，把采集的模拟电信号转换为数字信号并读入采集控制芯片。

图1　电压比较器芯片

电压比较器芯片集成块内部装有四个独立的电压比较器，如图1所示，该电压比较器的特点：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0-1.5V；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。电压比较器芯片类似于增益不可调的运算放大器，每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接地电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把电压比较器芯片用在弱信号检测等场合是比较理想的。电压比较器芯片的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般需接一只电阻。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。图2a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压Uin＞Ur时，输出为高电平UOH。图2b为其传输特性。

图2 电压比较器芯片基本工作电路

综上所述，深入研究了自动气象站的阈值模数转换电路，提高了自动气象站的传感电路的可靠性和安全性，并对研究情况进行相应的分析设计，使自动气象站能够准确可靠地运行，达到了预期的目的。

［1］中国气象局. 地面气象观测规范［M］. 第1版. 北京：气象出版社，2003

［2］张文煜，袁九毅. 大气探测原理与方法［M］. 第1版. 北京：气象出版社，2007

［3］李黄. 自动气象站实用手册［M］. 第1版. 北京：气象出版社，2007

王勃，男，河南郑州人，硕士，气象信息技术工程师，从事综合气象观测和气象仪器设备研究维护工作。