飞机微小电压信号采集电路设计与验证

杨东亮

(航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710065)

0 引言

飞机上的微小电压信号是指T4/T5/T6热电偶、火警传感器、载荷传感器、硅压电阻桥等传感器或敏感元件输出的-100~100mV的差分电压信号。这类信号电压较低，由于在飞机上的敷设路径上的电磁环境比较复杂，这类信号特别容易受电磁干扰的影响，最终导致其采集精度较低。同时，此类信号对应的故障等级及应急处置措施等级较高，如：火警传感器信号是判断飞机发动机是否失火的主要依据，T6热电偶信号是计算飞机发动机主燃烧室温度的重要参数。因此，对这些信号的采集精度要求较高。

1 微小电压信号采集电路设计

-100～100mV电压信号采集电路由以下几部分构成：射频滤波器、精密放大器、二阶有源低通滤波电路、AD转换电路、数字处理电路，如图1所示。对于多路微小电压信号采集电路的应用环境，可以在射频滤波器的前级或者AD转换电路的前级添加多路选择器，实现后级电路的分时复用。

图1 微小电压信号采集电路基本构成

射频滤波器用来滤除-100~100mV差分信号携带的共模干扰、差模干扰中的高频成分，由电阻、电容构成，下节有详细介绍。仪表放大器选用AD公司低成本低功耗仪表运放AD620SQ/883B，采用双极性±15V供电，对射频滤波后的-100~100mV差分信号进行比例放大。二阶有源低通滤波电路对放大后的单端信号进行二阶有源滤波，滤除其高频干扰。AD转换电路选用选用AD公司AD1674BD，数据位宽12bit，同时支持双8bit的读数模式，采样周期10us，采样频率100kSPS，对滤波后的单端直流信号进行模数转换。数字处理电路根据AD转换数据对微小电压进行解算和输出。

2 设计要点分析

2.1 机上电缆处理

微小电压信号在机上传输时务必使用双绞屏蔽线，线缆的屏蔽层引线至连接器的屏蔽尾附上，屏蔽尾附通过连接器壳体与产品外壳相连，产品外壳再通过搭铁线与飞机蒙皮相连。注意信号线的负线在产品内部不要与模拟地共地，应以差分形式接入采集电路，否则会因为地电势不平导致采集精度下降。

2.2 关于射频滤波器

虽然仪表运放固有的共模抑制比（CMRR）性能允许其提取叠加在很强的共模噪声和干扰信号上的微弱差分信号，但对于机上这种强度较低的信号必须要考虑进行射频滤波，其原因是：当存在很强的射频干扰时，射频干扰可能被仪表运放整流之后转化为DC输出失调误差，影响测量精度。射频滤波器的拓扑结构如图2所示。

RI是两个输入电阻，阻值完全相同，两个输入电阻的一端分别接输入信号的两极，另外一端均接地。两个输入电阻的阻值必须相同，这是为了保证仪表放大器的输入电路是完全对称的，提高仪表放大器的共模抑制比。R是滤波电阻，CC对应滤除共模干扰，CD对应滤除差模干扰。在具体应用时，滤波器的差模/共模信号带宽需根据飞机上干扰信号的频带来具体确定，然后根据干扰信号频带确定R、CC、CD的选型。

图2 射频滤波器电路拓扑

2.3 运算放大器增益的选择

对于微小电压信号的采集，高精度的仪表放大器是必须的。仪表放大器的增益取决于增益电阻RG的大小。在进行增益电阻的选取时，应遵循一个基本原则：当放大器的输入信号电压最小时，输出电压应接近AD转换器转换电压的最小值；当放大器的输入信号电压最大时，输出电压应接近AD转换器转换电压的最大值。这样做的优点是最大限度的利用AD转换器的转换位数，从而提高微小电压信号的采集精度。如果输入信号的电压范围较窄，无法线性的映射到AD转换器的输入电压范围内，可以给仪表放大器设置一个较大的放大倍数，然后在仪表放大器的偏置电压输入端设置一个合适的负电压，以实现上述设计原则。

3 微小电压信号采集电路实测数据

为了验证该电路的采集精度，以测试设备作为毫伏信号源，从0mV到50mV，每隔5mV设置一个基准电压，分别提供给某产品中的全部6路微小电压信号采集电路，测试数据通过总线传送给测试设备显示，如表1所示。

表1 微小电压信号采集电路实测数据

4 结束语

详细介绍了针对飞机上一类微小电压信号的采集电路的设计方法及各功能电路的作用，阐述了应注意的设计要点，实际测试数据证明，电路的采集误差不大于0.1mV，满足飞机上绝大多数微小电压信号接口的采集需求。

参考文献

［1]鲍鲁南.热电偶、热电阻在工业生产中的应用[J].企业技术开发,2012,31(10):35-36.

［2]刘重阳.国外无人机技术的发展[J].舰船电子工程,2010,30(1):19-23.

［3]王冰,任勇峰,贾兴中等.一种基于热电偶CJC测温电路的设计［J].电子器件,2016,39(4):907-912.