第5講：大氣數據計算機解析課件

大氣數據系統(tǒng)（大氣數據計算機）劉瑞華中國民航大學電子信息工程學院*P100-1大氣數據系統(tǒng)劉瑞華*P100-1大氣數據計算機系統(tǒng)：功能及要求功能 測量靜壓、總壓、總溫以及參與修正作用的攻角和氣源誤差，經過解算裝置或計算機的運算，輸出大量的大氣數據信息。優(yōu)勢減少大量的重復儀表和傳感器提高大氣數據的計算精度擴大測量系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)可靠性2023/8/32大氣數據計算機系統(tǒng)：功能及要求功能2023/7/312大氣數據計算機系統(tǒng)：功能及要求對大氣數據計算機系統(tǒng)的要求：能利用所測參數計算大氣數據信息，應具有不同形式的輸出信號應具有誤差修正功能、監(jiān)控功能和故障告警功能應具有飛行前后的自檢功能；故障診斷、故障隔離功能應具有快速方便地更換部件和機器的快速拆裝能力2023/8/33大氣數據計算機系統(tǒng)：功能及要求對大氣數據計算機系統(tǒng)的要求：2基本解算關系高度的解算（見前述公式）馬赫數的解算（見前述公式）指示空速的解算（見前述公式）真空速的解算大氣密度的解算2023/8/34基本解算關系高度的解算（見前述公式）2023/7/314大氣靜溫的解算2023/8/35大氣靜溫的解算2023/7/315大氣數據計算機組成傳感器測量靜壓傳感器、全壓傳感器、總溫傳感器、攻角傳感器等具有可進行誤差修正和補償的解算裝置座艙指示、顯示裝置及信號輸出裝置2023/8/36大氣數據計算機組成2023/7/316數字式大氣數據計算機硬件結構2023/8/37數字式大氣數據計算機硬件結構2023/7/317大氣數據計算機：原始參數傳感器電容式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器振膜式壓力傳感器總溫傳感器2023/8/38大氣數據計算機：原始參數傳感器電容式壓力傳感器2023/7/數字式大氣數據計算機-----原始參數傳感器（一）差動電容式壓力測量原理差壓為零時，輸出為零；差壓不為零，輸出電壓的幅值取決于差壓的大小，相位取決于差壓的正負。2023/8/39數字式大氣數據計算機-----原始參數傳感器（一）差動電容式電容量式壓力傳感器 將隨壓力變化的電容量變換成電壓輸出。

UOUT=XPUR/XRXP，XR為被測可變電容和標準參考電容的阻抗放大器參考電壓UR參考電容CR固定的3KHz激勵電源UR石英膜盒CP輸出電壓UOUT2023/8/310電容量式壓力傳感器 將隨壓力變化的電容量變換成電壓輸出。放大傳感器A/D轉換回路

傳感器測得信號在放大器輸入端與D/A轉換器輸出相減，電壓差放大，經濾波解調變成直流電壓，用A/D轉換后送入計算機，由計算機對其積分，然后經D/A轉換變成模擬量反饋回放大器輸入端，直至回路達到平衡。K3

解調器濾波器D/A速率符號壓力傳感器A1PS校正存儲器UOUTUD參考電壓URA/D1SN2N1N2PSN1PS’計算機2023/8/311傳感器A/D轉換回路 傳感器測得信號在放大器輸入端與D/A數字式大氣數據計算機-----原始參數傳感器（二）壓阻式壓力傳感器UOUTUR2023/8/312數字式大氣數據計算機-----原始參數傳感器（二）壓阻式壓力振膜式壓力傳感器 在一定的壓力范圍內，在系統(tǒng)振動質量一定時，諧振頻率僅是壓力P的函數。2023/8/313振膜式壓力傳感器 在一定的壓力范圍內，在系統(tǒng)振動質量一定時，全溫探頭2023/8/314全溫探頭2023/7/3114數字式大氣數據計算機-----輸入接口多路轉換器直流電壓/數字轉換V-T式A/D轉換雙積分式A/D轉換逐次逼近式A/D轉換交/直流轉換原理頻率/數字轉換原理頻率測量原理周期測量原理自整角機同步信號/數字轉換電阻/數字轉換多路轉換器S/HA/D輸入信號的傳輸2023/8/315數字式大氣數據計算機-----輸入接口多路轉換器S/HA/D數字式大氣數據計算機-----輸入接口（一）邏輯多路轉換器 二進制譯碼器ABCDS0S1

2023/8/316數字式大氣數據計算機-----輸入接口（一）邏輯多路轉換器 數字式大氣數據計算機-----輸入接口（二）時序型多路轉換器晶體振蕩器計數分頻器計數器譯碼器時鐘脈沖分路脈沖輸出（b）傳感器傳感器傳感器傳輸門傳輸門傳輸門綜合電路脈沖分配器X1X2X3（a）2023/8/317數字式大氣數據計算機-----輸入接口（二）時序型多路轉換器數字式大氣數據計算機-----輸入接口（三）

V/T式A/D轉換鋸齒波發(fā)生器信號比較器計數器標準脈沖發(fā)生器控制門零比較器開測啟動開（上升沿）關（下降沿）數字量輸出U入2023/8/318數字式大氣數據計算機-----輸入接口（三）V/T式A數字式大氣數據計算機-----輸入接口（四）雙積分式A/D轉換 邏輯控制零比較器計數門計數器時鐘譯碼顯示積分器±UXUR+URT1UcT’2tU’cU’xT2UcUx雙積分轉換波形2023/8/319數字式大氣數據計算機-----輸入接口（四）雙積分式A/D轉雙積分式A/D轉換工作過程三個階段：采樣階段、比較階段、休止階段雙積分式A/D轉換器的特點：對積分元件R、C及時鐘脈沖的穩(wěn)定性及準確低要求低對于對稱的常模干擾信號，特別是工頻干擾信號有很強的抑制能力測量速度慢2023/8/320雙積分式A/D轉換工作過程三個階段：采樣階段、比較階段、休止數字式大氣數據計算機-----輸入接口（五）逐次逼近式A/D轉換器方框圖D/A轉換器鎖存器逐次逼近寄存器比較器INBUS0-3鎖存指令250KHz啟動-10VDC轉換完成鎖存器U入INBUS4-72023/8/321數字式大氣數據計算機-----輸入接口（五）逐次逼近式A/D數字式大氣數據計算機-----輸入接口（六）交/直流轉換原理方框圖交流參考電壓90°移相和過零檢測采樣/保持交流信號電壓采樣脈沖直流電壓2023/8/322數字式大氣數據計算機-----輸入接口（六）交/直流轉換原理數字式大氣數據計算機-----輸入接口（六）頻率測量原理方框圖周期測量原理方框圖1/M分頻器計數器參考晶體振蕩器關閉脈沖啟動復位被測頻率fRfN1/M分頻器計數器參考晶體振蕩器關閉脈沖啟動復位被測頻率fRfN2023/8/323數字式大氣數據計算機-----輸入接口（六）頻率測量原理方框數字式大氣數據計算機-----輸入接口（七）

自整角機信號轉換方框圖90°移相和過零檢測器SCOTT變壓器采樣/保持采樣/保持三線400Hz交流信號cosαsinα400Hz參考電壓將三相同步信號變換成傳送角的正弦、余弦兩相交流信號，然后再變成直流信號，再通過A/D轉換成相應的數字量。2023/8/324數字式大氣數據計算機-----輸入接口（七） 自整角機信號轉角度信號的反變換 利用角度的反變換，將f（）變成角，利用插值法進行函數計算。不用tg來求信號，主要是考慮到f（）函數的插值誤差較小。sinαcosαsinα+cosα除法αf（α）α

角度信號的反轉換2023/8/325角度信號的反變換 利用角度的反變換，將f（）變成角，利用SCOTT變壓器（一）

SCOTT變壓器由兩個變壓器組成，一個M變壓器，其原邊線組帶有中間抽頭，匝數為W1，一個叫T變壓器，其原邊繞組匝數為。兩個變壓器副邊繞組匝數相同，都為W2（a）S1R1S2S3R3R4R2W1W2W2c2023/8/326SCOTT變壓器（一） SCOTT變壓器由兩個變壓器組成，SCOTT變壓器（二）S1S2S3W1V42’R1R3R4R2（b）V13’c2023/8/327SCOTT變壓器（二）S1S2S3W1V42’R1R3R4SCOTT變壓器（三）（V2cVc1）V21V3cV32V13Vc3（Vc2V1c）120°120°60°60°（c）2023/8/328SCOTT變壓器（三）（V2cVc1）V21V3cV3數字式大氣數據計算機-----輸入接口（八）電阻/數字轉換程序恒流源A/D多路轉換器MUXRtV1V22023/8/329數字式大氣數據計算機-----輸入接口（八）電阻/數字轉換程數字式大氣數據計算機-----輸出接口串行輸出接口數字—直流電壓轉換電路數字—交流電壓轉換數字—自整角機轉換電路2023/8/330數字式大氣數據計算機-----輸出接口串行輸出接口2023/大氣數據計算機系統(tǒng)輸出2023/8/331大氣數據計算機系統(tǒng)輸出2023/7/3131數字式大氣數據計算機-----輸出接口（一）ARINC429總線 串行傳輸總線，以三電平狀態(tài)傳輸信息

總線電平 邏輯狀態(tài)

+5V 1 0V 空載

-5V 0

1234…78…1213…2829303132源地址字地址不用數據位備用有效位奇偶位發(fā)出數據的設備號表示不同信息（如高度等）根據前31位碼中1的總數及奇偶校驗確定2023/8/332數字式大氣數據計算機-----輸出接口（一）ARINC429ARINC429接口基本原理方框圖32位移位寄存器可以由4個并行輸入的8個移位寄存器（或2個16位寄存器），利用8位數據總線，分4次輸入到移位寄存器，然后串行逐位輸出。譯碼器輸出控制數據輸入移位寄存器，D8

、D9為譯碼器輸入，Y3~Y0選通4個8位移位寄存器的并行輸入，輸入32位數據后，向字間隙發(fā)生器輸出一個啟動信號，表示輸入數據已準備好，開始串行輸出，32位字，加8個字間隙，每傳輸一個數據字，共經歷40位的時間。譯碼器32位移位寄存器字間隙發(fā)生器差動輸出電路奇/偶校驗數據總線0/1D9D8D7D0Y32023/8/333ARINC429接口基本原理方框圖32位移位寄存器可以由4個數字式大氣數據計算機-----輸出接口（二）數字—直流轉換電路多路轉換器MUXD/A濾波器采樣/保持采樣/保持濾波器Vo1Von數字輸入2023/8/334數字式大氣數據計算機-----輸出接口（二）數字—直流轉換電數字---交流電壓轉換模擬模擬模擬模擬模擬數字量模擬量ViAnA8A4A2A1運算放大器乘積模擬/數字乘法器RR/2R/4R/8R/nR/N2023/8/335數字---交流電壓轉換模擬模擬模擬模擬模擬數字量模擬量ViA數字式大氣數據計算機-----輸出接口（三）數字—自整角機轉換數字/交流轉換數字/交流轉換數字/交流轉換接收機數字量cosθcos(θ+120°)cos(θ+240°)

（a）2023/8/336數字式大氣數據計算機-----輸出接口（三）數字—自整角機轉利用SCOTT變壓器實現數字/自整角機變換數字/交流轉換數字/交流轉換運算SCOTT

cosθ

θ數字量

sinθ

URcosθ

URsinθURUR三相同步傳送至自整角機（b）2023/8/337利用SCOTT變壓器實現數字/自整角機變換數字/交流轉換數字數字/自整角機變換原理數字/交流轉換數字/交流轉換二線/三線變換數字量cos(θ-30°)cos(θ+30°)至自整角機（c）S1URcos(θ+30°)S2URcos(θ-30°)S3接收機（d）數字—自整角機轉換及二線/三線變換原理2023/8/338數字/自整角機變換原理數字/交流轉換數字/交流轉換數字量至數字式大氣數據計算機-----微處理器硬件結構微處理器總線關系離散輸出口離散輸入口片選譯碼電路ROMRAM上電復位電路時鐘總線分離器CPU（Z8002）數據總線地址總線2023/8/339數字式大氣數據計算機-----微處理器硬件結構微處理器總線關數字式大氣數據計算機-----微處理器程序結構基本組成管理程序實時的大氣數據計算（或其他數學任務）程序非實時的自檢和故障監(jiān)控程序自檢監(jiān)控程序實時中斷服務自檢程序限值程序開中斷初始化啟動YN2023/8/340數字式大氣數據計算機-----微處理器程序結構基本組成自檢監(jiān)DADCARINC706原理方塊圖

2023/8/341DADCARINC706原理方塊圖2023/7/3141數字式大氣數據計算機-----36項自檢功能檢查輸入總溫是否在規(guī)定的范圍內機型程序檢查檢查靜壓傳感器周期計數是否在規(guī)定范圍檢查靜壓傳感器溫度輸出范圍檢查頻/數轉換是否完善ARINC輸出端繞回檢查對RAM檢查對ROM檢查指令檢查對CPU檢查攻角比較檢查檢查Ps=Pt（僅在地面功能