随着航空电子产品复杂性日益提高,对硬件设计的可靠性、安全性等级,提出了新的设计需求。航空电子产品硬件功能的增加,也必然导致硬件复杂程度的不断增加,同时对元器件的选型、各种模块电路的可靠性、环境适应性设计也提出了新要求。而离散量信号电路作为航空电子电路的基本组成部分,已从传统较复杂的硬件电路逐步改进为简单、可靠的硬件电路,并在电路设计中,根据实际使用要求增加了过流保护功能电路,使离散量信号的设计电路更加简单、可靠、安全。
目前航空电子产品离散量信号处理电路均为典型电路,采用分立器件较多,个别器件在环境温度下存在电平不一致现象,由于电路的容差设计不影响产品的性能指标。根据Rockwell Collins公司研制的AFDC(Autopilot Flight Director Computer)资料手册。为实现高可靠性、安全性的电路设计,在满足硬件性能指标的前提下,尽量使电路实现简单,以提高产品的硬件可靠性指标。
基于上述需求,提出了一种简单、可靠、容差能力高的离散量信号电路设计,该电路功能实现简单易行,即满足硬件性能指标,又满足系统的实际使用要求。
1 典型离散量信号电路实现
典型的离散量处理电路示意框图如图1所示,图1中离散量输入电路各级电路使用独立器件较多,限幅电路在环境温度下,一致性较差。在系统交联复杂且离散量处理路数增加时,硬件电路设计占用板面大,集成度较低。
2 离散量输入信号电路设计和实现
通过对典型离散量处理电路的优化设计,结合国外电子产品的设计思路,提出了一种简单、可靠、容差能力高的离散量信号电路。该型电路不仅优化了电路设计,而且实现原理简单,可靠性高,响应速度快等特点,电路功能框图如图2所示。
2.1 电路原理实现
2.1.1 地/开离散量输入信号
地/开离散量输入信号设计原理如图3所示,该电路利用巧妙的电阻分压网络实现电平转换,并结合后级缓冲处理电路施密特触发器的电路特性,使该电路在克服电阻温度特性变化大的同时,实现更加简单,且提高了电路的容差能力。
2.1.2 28 V/开离散量输入信号
28 V/开离散量输入信号设计原理如图4所示,该电路同样利用电阻分压网络实现电平转换,原理实现与地/开离散量输入信号相似,不同之处为电阻分压网络比例值。
1)施密特触发器的高电平触发门限为:1.2V≤VT+≤1.9V;
2)低电平触发门限为:0.5 V≤VT-≤1.2 V;
3)表2中“开”状态的电平转换电压为3.4 V≤VI≤11.1 V,满足高电平触发门限。“地”状态假设3.5 V≤GND(V)≤10.8 V,仿真计算电压范围为-3.9 V≤VI≤0.48 V,满足低电平触发门限。
4)输入嵌位电流计算:表2中的值为理论计算值,由于SNJ54HCT14J的输入嵌位电路作用,V1的实际嵌位电压VIK:-0.5 V≤VIK≤+5.5 V,当承受最大正向电压VIMAX=5.5 V时,最大正向输入电流为IIK=(VI-VIK)/R40+R41=(32-5.5)/(100+15)=0.23 mA,当承受最大负向电压VIMAX=-0.5 V时,最大反向输入电流为IIK=(VI-VIK)/R42=(-0.5-(-5.5))/150=0.1 mA,均满足芯片使用要求。
2.2.2 28 V/开离散量输入分析计算
图4电路实现的功能及使用的芯片与地/开离散量输入信号相同,根据电路在实际应用环境下的使用情况,提出并计算出测试验证条件见表2,由于与地/开离散量输入使用的芯片相同,因此数据参数也完全一致,主要结合表2中的“开路”状态,对出现负值电压的情况下,是否满足实际使用。
根据芯片的数据手册,当VI电压出现VI>VCC或VI<0的情况时,SNJ54HCT14J芯片内部设有Input clamp current(输入嵌位电流限制),即具有IIK(VI<0 or VI>VCC)的保护电路,手册规定Input clamp current≤±20 mA。
表2中的负值电压为理论计算值,由于芯片本身的嵌位电路作用,VI的实际嵌位电压VIK:-0.5 V≤VIK≤+5.5 V,当承受最大正向电压VIMAX=5.5 V时,最大正向输入电流为IIK=(32-5.5)/100=0.265 mA,当承受最大负向电压VIMAX=-0.5 V时,最大反向输入电流为IIK=(-0.5-(-15))/130=0.112 mA,均满足芯片使用要求。
3 离散量输出信号电路设计和实现
针对典型离散量输出电路的输出特性,并结合实际使用情况,对地/开离散量输出信号进行简化设计,并增加了过流保护功能,当负载过大或出现短路时,离散量输出会自动关闭输出,起到保护作用。该项功能可以有效地降低产品的故障率,并提高系统的安全性,同时也大大降低了产品的维护成本,功能框图如图5所示。
3.1 电路原理实现
3.1.1 地/开离散量输出信号
地/开离散量输出信号原理实现如图6所示,该型电路在原理架构及器件选用上完全不同于以往典型电路,简化设计的同时增加了过流保护电路,当负载电流过大或短路时,利用R3采样电阻、V4三极管组合电路自动关闭离散量输出,过流门限值可通过调整R3电阻大小来设置,图示中电路将过流门限设定为70 mA。
3.2 电路仿真分析
3.2.1 地/开离散量输出电路仿真分析
V3为NMOS场效应管,满足导通条件时,该电路输出为“地”,反之,输出为“开”状态。
电路仿真时,将外部负载上拉为+28VDC,当外部负载电流大于70 mA或短路时,仿真图8中利用R4电阻模拟外部负载,来保证测试验证的极限条件。当R4为0时,负载为短路状态,此时过流保护电路关断NMOS管(开状态),通过示波器监测电压输出范围为:26 V≤V开≤28 V;当外部负载正常工作时,输出地电压10 mV≤V地≤500 mV。电路仿真结果与预期设计结果一致,保证了电路的安全性。
在芯片选型上,当负载对地短路时,V3瞬间承受的功率较大,因此应充分进行降额设计,以满足电路在实际使用中的无故障保护功能特性。
3.2.2 28 V/开离散量输出电路仿真分析
图7中差分电路的传递函数:Uo=UI2-UI1,按最大过流保护电流(70 mA)计算UI2-UI1=10x0.07=0.7 V,实际仿真电路见图9。仿真结果表明,实际仿真中图7中V3作为开关管的饱和导通电压为:UI2-UI1≥0.7 V,满足理论设计要求。
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