飞机电源试验台电气参数测试系统基准电压信号源设计与实现

侯 毅， 王文健， 肖 彬

(中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所， 北京 100095)

0 引 言

飞机电源试验台电气参数测试系统是飞机电源供电特性参数测试和飞机用电设备电源适应性评价的重要测试系统[1-2]. 为了确保飞机电源试验台电气参数测试系统测试能力的可靠性， 通常每年需要对其测试性能进行计量校准[3-4]. 所使用的校准系统要求能够输出精度极高的校准电压信号. 根据校准设备的精度应达到被校准设备精度4倍的计量要求， 校准系统输出稳态信号的精度应达到误差小于0.1%， 瞬态信号的精度应达到误差小于0.2%的要求[5]. 为了实现校准系统输出信号的精度要求， 就必须使其内部的基准电压信号源产生更高精度的初始信号. 目前， 电压信号源主要采用微控制器和数模转换器件的嵌入式方式实现. 但如果选用的微控制器和数模转换器件的数据位数较低， 设计出的电压信号源就不能达到精度的要求. 而且， 如果选用的数模转换器工作性能不稳定， 所设计的电压信号源还会存在温度漂移、 噪声干扰、 线性稳定度差、 电压失调等问题， 这些也会影响校准系统输出信号的精度. 基于以上分析， 本文提出由STM32微控制器、 高精度数模转换器、 低通滤波器和数据采集单元等部分构成的基准电压信号源， 以满足高精度校准系统的技术指标要求.

1 基准电压信号源的构成和工作原理

用于飞机电源试验台电气参数测试系统的校准系统构成框图如图 1 所示. 校准系统主要由基准电压信号源、 线性功率放大单元、 输出保护单元、 模数转换单元和人机交互接口等部分构成.

图 1 校准系统的构成框图Fig.1 Block diagram of calibration system

基准电压信号源是校准系统的核心部分， 其工作性能直接决定了校准系统是否能够实现校准功能和达到技术指标要求. 如图1所示， 基准电压信号源主要由STM32微控制器及其外围器件、 高精度数模转换器、 低通滤波器和用于监测航电校准系统输出信号的单元等部分构成.

基准电压信号源的各项操作由其内部的嵌入式软件设计实现. 在实际使用时， 通过外部计算机或触摸屏等设备输入具体的电压信号参数， 以控制基准电压源的信号输出. 根据校准规程[6]， 校准系统应能够输出正常稳态信号、 非正常稳态信号、 正常瞬变信号、 非正常瞬变信号等不同种类的信号， 以实现对飞机机载供电特性参数测试系统的校准. 对于不同种类的信号， 校准规程限定了不同的信号周期持期时间和波形， 例如正常瞬变信号， 规程要求信号的周期为100 ms～200 ms 之间； 而非正常瞬变信号， 规程要求信号的周期为10 s. 根据不同种类信号的特点， 同时为了缩短信号生成和读取的时间， 微控制器采用了相应的数据生成和存储方式. 对于周期时间短的正常瞬变信号， 微控制器生成的数据量较小， 其数据可以由微控制器根据输入的信号参数实时生成， 并保存在其内部的FLASH中； 而对于周期时间长的非正常瞬变信号， 微控制器生成的数据量将很大， 其数据将预先生成， 并存储在外部存储器中， 当需要实际使用时再从外部存储器的相应地址处读取数据， 而存储数据的地址信息， 则保存在基于I2C总线的另一个存储器中. 微控制器生成的数据为数字量， 通过数模转换器转换成高精度的模拟量信号， 由低通滤波器输出后再经线性功率放大器放大， 作为校准系统的校准信号输入到被校准的飞机电源试验台电气参数测试系统. 在基准电压源输出信号的同时， 也通过模数转换器定时采集校准系统输出的信号. 基准电压信号源将采集的信号参数与要求的信号参数相比较， 根据计算后的偏差量， 调整微控制器中生成的基准电压信号的幅值、 周期和波形等参数.

2 基准电压信号源的设计

基准电压信号的数据由微控制器根据外部计算机或触摸屏等设备输入的参数实时生成或从预先存储在外部存储器的地址中读取. 微控制器生成的数据为数字量数据， 通过数模转换器转换成范围为±10 V的模拟量信号. 为了满足校准系统的高精度技术指标要求， 使用20 位DAC_AD5791实现数字量到模拟量的转换.

2.1 微控制器与数模转换器的通信实现

微控制器STM32与数模转换器DAC_AD5791通过SPI总线实现硬件上的连接， 并使用SPI功能函数实现将微控制器中的数据以串行方式发送到数模转换器.

图 2 微控制器STM32与数模转换器DAC_AD5791的硬件连接图Fig.2 Hardware connection diagram of microcontroller STM32 and DAC_AD5791

与DAC_AD5791的通信由烧写在微控制器中的控制程序实现. 在KEIL软件中编写微控制器的SPI外设的功能函数， 该功能函数实现初始化微控制器的通信引脚和端口时钟， 使能SPI的外设时钟， 设置SPI的工作模式、 地址、 速率等参数， 使能SPI外设， 编写基本SPI按字节收发的子函数等操作. 在主程序中， 调用SPI外设的功能函数， 并初始化DAC_AD5791， 利用SPI外设按字节收发的子函数实现对DAC_AD5791的数据读取和写入等操作.

2.2 数模转换的实现

微控制器通过SPI总线以串行方式向数模转换器写入数据， 由数模转换器DAC_AD5791输出幅值范围为±10 V的模拟电压信号.

图 3 DAC_AD5791的控制时序Fig.3 Control timing of DAC_AD5791

数模转换器DAC_AD5791输出的模拟电压值， 可以通过式(1)计算得出：

(1)

式中：VOUT为DAC_AD5791的输出电压值；VREFP为向DAC_AD5791的VREFP引脚施加的正电压值；VREFN为向DAC_AD5791的VREFN引脚施加的负电压值；D为向DAC_AD5791写入的20位数字量.

2.3 基准电压信号的精度

数模转换器DAC_AD5791的供电电压为±15 V， 采用芯片AD688提供. 芯片AD688输出的基准电压通过芯片OPA2277以开尔文电路方式输入到DAC_AD5791的基准电压输入端. 数模转换器DAC_AD5791输出模拟信号的幅值范围为±10 V， 因此， 20位数模转换器DAC_AD5791输出模拟信号的最小步长为0.019 mV， 量化误差为9.5 μV. 当校准系统输出270 V的高压校准信号时， 需要将数模转换器输出的模拟信号放大50倍. 放大后信号的最小步长为0.953 7 mV， 远低于输出幅值的0.1%， 因此， 使用该基准电压信号源可实现精密调节输出电压幅值的功能.

校准系统使用功率放大芯片PA94将基准电压信号放大， 形成270 V高压校准信号. 而功率放大芯片PA94存在输入失调电压大的特点， 不满足稳态电压要求， 因此， 功率放大电路使用了两级放大电路设计. 第一级线性功率放大电路实现将基准电压信号预放大10倍， 第二级功率放大电路实现将基准电压信号再放大5倍. 在第一级功率放大电路中， 放大器采用低温漂零失调运算放大器ADA4522， 其最大输入失调电压为5 μV， 温漂为22 nV/℃. 在第二级功率放大电路中， 由于PA94芯片最大输入失调电压为5 mV， 温漂为50 μV/℃， 无法达到精度要求， 因此， 第二级功率放大电路采用复合放大电路， 将ADA4522与PA94构成内外环串级系统， 降低了功率放大电路由于输入失调与温漂造成的输出误差. 最终， 放大通道由于输入失调电压造成的最大稳态误差为5 μV×10×5=0.25 mV， 可以满足精度指标要求.

3 实验结果与分析

3.1 正常瞬变电压信号输出测试实验

根据GJB181B-2012的规定， 270 V正常瞬变电压信号应满足表 1 所示的幅值和持续时间[8].

设计的基准电压信号源能够输出幅值范围为±10 V的基准电压信号. 在校准系统中， 通过线性功率放大器将基准电压信号源输出的基准电压信号放大50倍后， 能够输出GJB181B-2012规定的270 V正常瞬变电压信号. 因此， 根据表1中的数据， 输出270 V正常瞬变电压信号时， 应设置基准电压信号源输出幅值为表 1 中数据的1/50 的电压信号. 基准电压信号源输出的基准电压信号如图 4 和图 5 所示.

表 1 GJB181B-2012规定的270 V正常瞬变电压信号的幅值和持续时间Tab.1 Amplitude and duration of 270 V normal transient voltage signal specified by GJB181B-2012

图 4 270 V正常过压瞬变电压信号

图 5 270 V正常欠压瞬变电压信号

3.2 非正常瞬变电压信号输出测试实验

根据GJB181B-2012的规定， 270 V非正常瞬变电压信号应满足表 2 所示的幅值和持续时间.

表 2 GJB181B-2012规定的270 V非正常瞬变电压信号的幅值和持续时间Tab.2 Amplitude and duration of 270 V unnormal transient voltage signal specified by GJB181B-2012

设置基准电压信号源输出幅值为表2中数据1/50的电压信号， 同时， 因为非正常瞬变校准信号的周期时间为10 s， 这些数据已经预先生成， 并已存储在外部存储器中. 当需要输出信号时， 在定时器控制下从相应地址的外部存储器中逐点调取数据. 基准电压信号源输出的基准电压信号如图 6 和图 7 所示.

图 6 270 V非正常过压瞬变电压信号Fig.6 270 V unnormal overvoltage transient signal

图 7 270 V非正常欠压瞬变电压信号Fig.7 270 V unnormal undervoltage transient signal

由该基准电压信号源输出结果可知， 设计的基准电压信号源能够在程序的控制下输出范围为±10 V， 幅值可调的电压信号， 且信号的幅值、 周期持续时间和波形参数都能够满足对飞机电源试验台电气参数测试系统的计量要求.

4 结 论

本文提出了由STM32微控制器、 高精度数模转换器、 低通滤波器和数据采集单元等部分构成的基准电压信号源. 通过实验验证了该基准电压信号源具有按照输入的参数实时生成或读取预存在外部存储器中的波形数据， 经高精度数模转换后形成基准电压信号的能力. 经理论分析和示波器对实验输出电压信号测量结果的分析， 基准电压信号的最小步长为0.019 mV， 量化误差为9.5 μV. 该基准电压信号由线性功率放大器放大后， 形成了用于对飞机电源试验台电气参数测试系统进行计量的校准电压信号. 因此， 由该基准电压信号源构成的校准系统不仅能够满足飞机电源试验台电气参数测试系统测量准确性和溯源性的计量校准要求， 还能够大幅提升飞机电源试验台电气参数测试系统的校准效率.