第5讲：大气数据计算机

大气数据系统
（大气数据计算机）
刘瑞华 中国民航大学 电子信息工程学院
大气数据计算机系统：功能及要求
功能
测量静压、总压、总温以及参与修正作用的 攻角和气源误差，经过解算装置或计算机的 运算，输出大量的大气数据信息。
优势
减少大量的重复仪表和传感器 提高大气数据的计算精度 扩大测量系统的功能，提高系统可靠性
f（α）
α
角度信号 的反转换
利用角度的反变换，将f（）变成角， 利用插值法进行函数计算。不用tg来 求信号，主要是考虑到f（）函数的 插值误差较小。
2020年4月18日6时1分
第25/共45
SCOTT 变压器（一）
S1 S2 W1 c
3
S3 2 W1
R1 W2 R3 W2 R4
R2
（a）
SCOTT变压器由两个变压器组成，一个M变压器，
其原边线组带有中间抽头，匝数为W1，一个叫T变
压器，其原边绕组匝数为 组匝数相同，都为W2
3 2 W1
。两个变压器副边绕
2020年4月18日6时1分
第26/共45
SCOTT 变压器（二）
S3
3
S2
2 W1
R2 V42’
S1
c W1
R4
V13’ R3 R1
（b）
V21 V2c Vc1 V32 V3c Vc2 V13 V1c Vc3
脉冲分配器
X1 传感器 传输门
综
X2 传感器
传输门
合 电
路
X3 传感器
传输门
（a）
晶体振 荡器
计数分 频器
时 钟 脉 冲
计数器 译码器 分路脉冲输出
（b）
时序型多路转换器
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数字式大气数据计算机-----输入 接口（三）
U入
锯齿波 发生器
开测 启动
信号比 较器
自整角机同步信号/数字转换
电阻/数字转换
S/H
A/D
输入信号的传输
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第15/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（一）
2020年4月18日6时1分
二进制译码器
A B C D S0 S1
逻辑多路转 换器
第16/共45
数字式大气数据计算机-----输入接 口（二）
关（下 降沿）
控制门
零比 较器
标准脉冲 开（上 发生器
升沿）
计数器
数字量 输出
2020年4月18日6时1分
V/T式A/D转换
第18/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（四）
±UX -UR +UR
逻辑 控制
积分器
零比 较器
计数门
计数器
双积分式A/D转换
时钟
译码 显示
Uc
U’c
U’x
Uc
Ux
2020年4月18日6时1分
第3/共45
基本解算关系
高度的解算（见前述公式）
马赫数的解算（见前述公式）
指示空速的解算（见前述公式）
真空速的解算
V Ma a Ma
kRT 72.1728M a
Ts
72.1728M a
1
0.2M
2 a
Tt
大气密度的解算
由 P0 Ps
0T0 sTs
得
第37/共45
数字/自整角机变换原理
数字量
cos(θ30°)
数字/交 流转换
数字/交 流转换
二线/三
至 自
S1
UR cos(θ+30°)
线变换
整 角 机
S2
UR cos(θ-30°)
接 收 机
cos(θ+30
°)
（c）
S3
（d）
数字—自整角机转换及二线/三线变换原理
2020年4月18日6时1分
第38/共45
2020年4月18日6时1分
第13/共45
全温探头
2020年4月18日6时1分
第14/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口
多路转换器
直流电压/数字转换
V-T式A/D转换
多 路
双积分式A/D转换
转 换
逐次逼近式A/D转换
器
交/直流转换原理
频率/数字转换原理
频率测量原理
周期测量原理
s
Ps Ts
0T0
P0
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第4/共45
大气静温的解算
由
1 2
V12
k k 1
P1
1
1 2
V22
k k 1
P2
2
和 P RT
1 2
V12
k
k 1
RT1
1 2
V22
k
k 1
RT2
若气流受阻，即V2 0时，
T2 T1 k2kR1V12
Tt
Ts
!0.2M
2 a
Tt
机
cos(θ+240°) 数字/交流转换
（a）
数字—自整角机转换
2020年4月18日6时1分
第36/共45
利用SCOTT变压器实现数字/自整 角机变换
θ
数字量
sinθ
运 算
cosθ
UR
数字/交 流转换
数字/交 流转换
URsinθ
SCOTT
URcosθ
UR （b）
三相同步 传送至自
整角机
2020年4月18日6时1分
数字式大气数据计算机硬件结构
2020年4月18日6时1分
第7/共45
大气数据计算机：原始参数传感器 电容式压力传感器
压阻式压力传感器
振膜式压力传感器
总温传感器
2020年4月18日6时1分
第8/共45
数字式大气数据计算机-----原始 参数传感器（一）
差动电容式压力测量原理
差压为零时，输出为零；差压不为零，输出电压的幅值 取决于差压的大小，相位取决于差压的正负。
参考晶体 振荡器
f
1/M分 频器
计数器
fR
N
M f
fR
关闭 脉冲
N
周期测量原理方框图
2020年4月18日6时1分
第23/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（七）
三线 400Hz交 流信号
sinα
SCOTT变
压器 cosα
采样/保持 采样/保持
400Hz参 考电压
90°移相和 过零检测器
传感器A/D转换回路
传感器测得信号在放大器输入端与D/A转换
器输出相减，电压差放大，经滤波解调变成
直流电压，用A/D转换后送入计算机，由计算
机对其积分，然后经D/A转换变成模拟量反馈
回放大器输入端，直至回路达到平衡。
校正存储器 UOUT
速率符号
1
N1PS’
PS
压力传感器
A1
滤波器
解调
A/D
器
N S
数字式大气数据计算机-----微处 理器硬件结构
片选 译码 电路
ROM RAM
总
线
CPU
分
（Z8002）
离
器
离散输入口
上电复 离散输出口 位电路 时钟
数据总线
地址总线
微处理器总线关系
2020年4月18日6时1分
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数字式大气数据计算机-----微处 理器程序结构
基本组成
管理程序
实时的大气数据 计算（或其他数 学任务）程序
由电压矢量关系 V21 V3c 时
V3c u sin 60sin 90
3 u cos
2
V13
V21 W1 W2
W2 W1
u sin
V42
V2c W2 u cos
3 W1 W1 2 W2
2020年4月18日6时1分
第28/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（八）
V1
多
数字式大气数据计算机-----输出 接口（二）
D/A
数字 输入
多 路 转 换 器
MUX
采样/ 保持
滤波
器 Vo1
采样/ 保持
滤波 Von
器
数字—直流转换电路
2020年4月18日6时1分
第34/共45
数字---交流电压转换
模拟量Vi
R/n
An
模拟
数
字 量
A8
A4
A2
A1
R/8
模拟
R/4
模拟
R/2
模拟
译码器输出控制数据输入移位寄存器，D8 、D9 为译 码器输入，Y3 ~Y0 选通4个8位移位寄存器的并行输入， 输入32位数据后，向字间隙发生器输出一个启动信号，
表示输入数据已准备好，开始串行输出，32位字，加
8个字间隙，每传输一个数据字，共经历40位的时间。
2020年4月18日6时1分
第33/共45
2020年4月18日6时1分
第9/共45
电容量式压力传感器
将随压力变化的电容量变换成电压输出。
石英膜盒CP
参考电容CR 参考电压UR
固定的3KHz 激励电源UR
放大器
输出电压UOUT
UOUT=X P UR /XR
X P X ， R 为被测可变
电容和标准参考电容的阻抗
2020年4月18日6时1分
第10/共45
VDC1 sin VDC2 cos
自整角机
信号转换 方框图
将三相同步信号变换成传送角的正弦、余弦两相交流信号， 然后再变成直流信号，再通过A/D转换成相应的数字量。
2020年4月18日6时1分
第24/共45
角度信号的反变换
sinα cosα
sinα s i n α c o s
α
f
α
α
除法
sinα +cosα
V21 u sin
V32 u sin 120 V21 u sin 240
2020年4月18日6时1分
第27/共45
SCOTT 变压器（三）
V32
V3c
60° 120
（Vc2 V1c）
60°
° 120
°
V21 （V2c Vc1）
（c）
V13
Vc3
3 sin 60 2
V21 u sin
第20/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（五）
U入
D / A转 换器
比较 器
锁存 器
INBUS0-3
逐次逼近 寄存器
250KHz 启动 -10VDC
锁存 指令
转换 完成
锁存 器
INBUS4-7
逐次逼近式A/D转换器方框图
2020年4月18日6时1分
第21/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（六）
1
N2PS
UD
D/A
K3
N
参考电压UR
2
计算机
2020年4月18日6时1分
第11/共45
数字式大气数据计算机-----原始 参数传感器（二）
UR UOUT
2020年4月18日6时1分
压阻式压力传感器
第12/共45
振膜式压力传感器
在一定的压力范围内，在系统振动质量 一定时，谐振频率仅是压力P的函数。
T1
T2
t
T’2
双积分转换波形
2020年4月18日6时1分
第19/共45
双积分式A/D转换
工作过程三个阶段：采样阶段、比较阶 段、休止阶段
双积分式A/D转换器的特点：
对积分元件R、C及时钟脉冲的稳定性及准 确低要求低
对于对称的常模干扰信号，特别是工频干 扰信号有很强的抑制能力
测量速度慢
Leabharlann Baidu
2020年4月18日6时1分
Ts
!0.2M
2 a
由于
a2 kRT
且
Ma
V a
考虑到总温探头误差
2020年4月18日6时1分
第5/共45
大气数据计算机
组成
传感器测量
静压传感器、全压传感器、总温传感器、 攻角传感器等
具有可进行误差修正和补偿的解算装置 座舱指示、显示装置及信号输出装置
2020年4月18日6时1分
第6/共45
设备号
（如高度等）
2020年4月18日6时1分
第32/共45
根据前31位码中1的总 数及奇偶校验确定
ARINC429接口基本原理方框图
数据总线
奇/偶校验
0/1
D9 D8
译码器
D7 D0
32位移位寄存器
Y3
字间隙发生器
差动输出电路
32位移位寄存器可以由4个并行输入的8个移位寄存器 （或2个16位寄存器），利用8位数据总线，分4次输 入到移位寄存器，然后串行逐位输出。
路
恒
转
流
Rt
换
A/D
源
器
V2 MUX
电阻/数字转换程序
2020年4月18日6时1分
第29/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口
串行输出接口
数字—直流电压转换电路
数字—交流电压转换
数字—自整角机转换电路
2020年4月18日6时1分
第30/共45
大气数据计算机系统输出
2020年4月18日6时1分
交流信号电压
采样/保持
交流参考电压
90°移相 和过零检
测
采样 脉冲
直流电压
交/直流转换原理方框图
2020年4月18日6时1分
第22/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（六）
参考晶体 fR
振荡器
启动 复位
被测频率 f
1/M分 频器
计数器
关闭 脉冲
N
NMf fR
频率测量原理方框图
被测频率
启动 复位
非实时的自检和 故障监控程序
启动 初始化 开中断
N 自检
Y 限值程序
自检程序
实时中断服务
监控程序
2020年4月18日6时1分
第40/共45
DADC ARINC706原理方块图
2020年4月18日6时1分
第41/共45
数字式大气数据计算机-----36项 自检功能
2020年4月18日6时1分
第2/共45
大气数据计算机系统：功能及要求
对大气数据计算机系统的要求：
能利用所测参数计算大气数据信息，应具 有不同形式的输出信号
应具有误差修正功能、监控功能和故障告 警功能
应具有飞行前后的自检功能；故障诊断、 故障隔离功能
应具有快速方便地更换部件和机器的快速 拆装能力
R
模拟
模拟/数字乘法器
A1
Vi R
A2
Vi R/2
An
Vi R/n
Vout R/N
Vout
Vi N
A1
A2
nAn
R/N
乘积
运算放 大器
2020年4月18日6时1分
第35/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口（三）
数字量 cosθ 数字/交流转换
cos(θ+120°) 数字/交流转换
接 收
第31/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口（一）
ARINC429总线 串行传输总线，以三电平状态传输信息
总线电平 +5V 0V
逻辑状态 1
空载
-5V
0
1 2 3 4…7 8…12 13…28 29 30 31 32
源地 字地 不用 数据位 备用 有效位 奇偶位 址址
发出数据的
表示不同信息