航空直流电压表显示误差补偿设计

闻一鸣 金宏 柯涛炼 陆夏良

（苏州长风航空电子有限公司军品研究所 江苏省苏州市 215151）

1 引言

某型飞机要求配装的直流电压表是根据同类直流电压表进行改进设计，由于测量精度要求进一步提高，原有电压表已不满足使用要求。考虑到飞机的工作温度环境变化较大，高温和低温极限工作条件下将加剧直流电压表的测量偏差影响[1-2]，因此对该型直流电压表进行了硬件电路和软件的改进设计，两种措施使产品的精确性、可靠性得到了提高，优化了显示精度，能够契合于如今对飞机仪表类显示精度日益增高的要求，对于同类产品精度提高具有重要的意义[3-4]。

2 工作原理介绍和误差产生原因分析

直流电压表通过信号调理电路和A/D 转换电路的设计，实现一路机上直流电压信号的采集。信号调理电路主要采集飞机汇流条上的28VDC 直流电压信号，输入信号先经分压调理电路后转换为0 ～2.5V 满足A/D 量程范围内的电压信号送至A/D 转换电路。信号调理电路在输入端增加了接口保护措施，防止过压、浪涌损坏器件，采用电压调整二极管，保护后端电路不受损坏。A/D 转换电路将信号调理后的电压信号转换成相应的数字量提供给CPU处理器。CPU 处理器利用IIC 串行接口连接至显示驱动电路，用于驱动数码管显示直流电压值。

直流电压表工作原理框图如图1 所示。

机上直流电压信号经过了信号调理电路和A/D 转换电路后提供给CPU 处理器，其中通过防反接二极管会产生约0.7V 的压降。电压信号又通过了由运算放大器构成的信号调理电路和A/D 转换电路，电路中由于分压电阻、运算放大器、A/D 转换芯片等器件自身精度的影响，也会造成电压信号测量偏差[5]。另外在飞机工作的极限温度条件下（高温70℃、低温-45℃），由于实际情况下各器件温飘的影响，会进一步加剧电压表的测量偏差，因此本文通过硬件电路和软件两方面进行改进设计。

3 硬件电路优化设计

直流电压表的硬件电路根据本文第2 节分析的原因进行改进设计，措施主要由采集电路自身精度的提高和降低产品工作温度变化对测量精度的影响两方面组成，硬件电路改进主要包括信号调理电路改进、A/D 转换电路改进和增加温度传感器电路。

改进后的硬件电路原理框图见图2，由图可知信号调理电路改进措施包括选用高精度分压电阻和选用理想防反接二极管；A/D 转换电路改进措施包括选用高精度基准源；增加温度传感器电路的设计,用于对采集到的直流电压信号进行温度修正处理。具体各电路改进设计如下所示。

高精密电阻分压电路：调理电路中分压电阻阻值均选用低温漂、高精度的电阻，电阻温度系数均为±50ppm,阻值允许偏差为±0.05%；

图1：电压显示方式原理框图

图2：改进后的硬件电路原理框图

图3：基于同温度下的分段补偿算法原理图

理想防反接二极管：调理电路中防反接二极管更改为理想二极管，压降约为0.005V，相较于普通二极管压降减少为1/14；

高精密电压基准源：基准源电路选用高精密电压基准源作为A/D 芯片的参考电压，基准源精度达到0.002%V，输出+2.5V参考电压时，误差电压±0.0035V。因A/D 芯片为12 位模数转换器，所以基准源误差对A/D 转换后的每一个LSB 产生的误差为（±0.0035/4096）V，与电压信号显示误差已呈指数倍小，大大降低了对测量精度的影响；

温度传感器电路：实时采集印制板的工作温度。当产品温度发生变化时，各元器件参数产生漂移导致采集电路精度下降，电路中需要基于当前工作温度对采集到的直流电压信号进行显示误差补偿修正功能。

图4：基于同温度下的分段补偿算法流程图

图5：基于不同温度下的分段逼近补偿算法流程图

图6：电压表的显示误差

4 软件补偿设计

在硬件电路设计时，通过选取高精度基准源、高精度电阻以保证电压表显示误差在要求范围内。但是由于实际极限温度情况下温飘、布局布线等因素可能导致显示误差偏大，因此进一步进行显示误差软件补偿设计。显示误差补偿算法通过串行接口存储在EEPROM 中。显示误差补偿算法主要包括基于同温度下测量范围内的分段补偿算法和基于不同温度下测量范围内的分段逼近补偿算法。

4.1 基于同温度下测量范围内的分段补偿算法

假设机上的直流电压信号范围为12.0V ～42.0V，补算法设计时每隔5V（暂定值，具体相隔电压值按需选取，相隔电压值越小补偿算法效果越好）选取一个点，共12V、17V、22V、27V、32V、37V、42V 七个点。

在同种温度下，因为器件精度、数据传输过程误差等因素，所以在输入电压不同时，电压表的输入电压和显示电压可能存在一点偏移，如图3 所示。由于七个点的偏移量不一，存在上偏和下偏两种可能性，因此在上图构成的六条折线内分段进行补偿算法设计。显示电压uo 和输入电压uin 的关系为uo=k(m)*uin+b(m),其中m 指代六条折线的编号，m=1 ～6，k(m)和b(m)的值受m 所影响。

基于同温度下测量范围内的分段补偿算法如图4 所示：

4.2 基于不同温度下测量范围内的分段逼近补偿算法

电压表采集12.0V ～42.0V 电压信号，电压表的实际设计的工作温度范围是-45℃～70℃，当产品温度发生变化时，各元器件参数产生漂移导致采集电路精度下降，尤其是-45℃、70℃和常温下的显示误差会存在差异。电路中需要对采集到的直流电压信号进行温度补偿修正功能。算法设计时需要考虑温度影响，相应的调整不同温度下的补偿算法。因此-45℃～70℃每隔5℃选一点参考温度（具体相隔温度数按需选取），即参考温度为-45℃、-40℃、-35℃……70℃，各温度下独立进行补偿算法的设计，参考4.1 节实现。当采集的温度不处于参考时，温度为负时向上选取参考温度进行逼近，温度为正时向下选取参考温度进行逼近。即-42℃时采取-40℃时的补偿算法，68℃时采取65℃时的补偿算法。如图5 所示。

5 试验测试

为了验证采取硬件优化和软件补偿后的直流电压表是否具有较高的测量显示精度，分别在常温、高温（70℃）、低温（-45℃）情况下进行了试验，根据测得电压表输入的直流电压信号和显示数值，两者的差值即为电压表的显示误差（显示）见图6。

从试验的结果看，改进后的直流电压表具有较好的精确性，显示误差在±0.1V 范围内。

6 应用与推广

该显示误差补偿设计同样适用于其它型号同类产品的显示精度提升，仅通过硬件电路设计改进和软件补偿设计的类似更改即可推广到其它仪表显示类产品中去，这种补偿设计对军品老产品的精确性优化、缩短新产品研制周期、降低研制费、产品系列化和标准化设计有着深远的影响。