01第1章 大气数据计算机系统
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S1
S2 S3 W1
3 W1 2
c
W2 W2
R1
R3 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 23 W 。两个变压器副边绕 组匝数相同，都为W2
1
2019年3月29日3时57分
第28/共45
SCOTT 变压器（二）
2019年3月29日3时57分
第4/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
第5/共45
2019年3月29日3时57分
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
72.1728 M a 1 0.2M
2 a
V M a a M a kRT 72.1728 M a Ts
Tt
UOUT=X P UR /XR X P ，XR 为被测可变 电容和标准参考电容的阻抗
2019年3月29日3时57分 第12/共45
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。
R/8
模拟
A4 A2
R/4
模拟
Vi Vi Vi Vout A1 A2 An R R/2 R/n R/ N V Vout i A1 A2 nAn N
R/2
模拟
R/N
A1
R
模拟 运算放 大器
乘积
模拟/数字乘法器
2019年3月29日3时57分
第23/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（六）
交流信号电压 交流参考电压 采样/保持 采样 脉冲 直流电压
90°移相 和过零检 测
交/直流转换原理方框图
2019年3月29日3时57分
第24/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（六）
参考晶体 振荡器 启动 复位 被测频率
fR
°
V13 Vc3
（V2c Vc1）
（c）
V42
2019年3月29日3时57分
第30/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（八）
V1
恒 流 源 多 路 转 换 器
MUX
Rt V2
A/D
电阻/数字转换程序
2019年3月29日3时57分
第31/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口
第37/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 数字/交流转换 接 收 机
cos(θ+120°) cos(θ+240°)
数字/交流转换
（a）
数字—自整角机转换
2019年3月29日3时57分
第38/共45
利用SCOTT变压器实现数字/自整 角机变换
sinθ
第14/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。
2019年3月29日3时57分 第15/共45
全温探头
2019年3月29日3时57分
第16/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 双积分式A/D转换 逐次逼近式A/D转换 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 自整角机同步信号/数字转换 电阻/数字转换
S3 S2 S1 R3
3 W1 2
V42’ c W1
R2
R4
V13’
R1
（b）
V21 V2c Vc1 V32 V3c Vc 2 V13 V1c Vc 3
V21 u sin
V32 u sin 120
V21 u sin 240
2019年3月29日3时57分
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。
2019年3月29日3时57分 第11/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 放大器 固定的3KHz 激励电源UR 输出电压UOUT
s 2 a
由于
a 2 kRT 且 M a
T !0.2M
V a
考虑到总温探头误差
2019年3月29日3时57分
第7/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
sinα
除法
sinα f α sinα cosα
α α
cosα
sinα +cosα
f（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。
2019年3月29日3时57分 第27/共45
SCOTT 变压器（一）
1/M分 频器
关闭 脉冲
被测频率 启动 复位 参考晶体 振荡器
f
1/M分 频器
关闭 脉冲
f
M f fR
计数器
N
计数器
fR
N M fR f
N
N
频率测量原理方框图
2019年3月29日3时57分
周期测量原理方框图
第25/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（七）
sinα
三线 400Hz交 流信号 SCOTT变 压器
信号比 较器
数字量 输出
开测 启动
标准脉冲 零比 较器 开（上 发生器 升沿）
V/T式A/D转换
2019年3月29日3时57分 第20/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
Uc U’x
时钟
译码 显示
U’c Uc
计数门
计数器
Ux
T1 T2 T’2
t
双积分式A/D转换
双积分转换波形
2019年3月29日3时57分
第21/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
数据总线 奇/偶校验
0/1
D9
D8
D7
D0
字间隙发生器 差动输出电路
译码器wenku.baidu.com
32位移位寄存器
Y3
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。 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。
采样/保持
cosα
VDC 1 sin VDC 2 cos
采样/保持
400Hz参 考电压
90°移相和 过零检测器
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。
2019年3月29日3时57分
第26/共45
角度信号的反变换
大气密度的解算
得
P0 Ps 由 0T0 sTs
Ps 0T0 s Ts P0
2019年3月29日3时57分
第6/共45
大气静温的解算
由 P P 1 2 k 1 k V1 1 V22 2 2 k 1 1 2 k 1 2 和 P RT
1 2 k 1 k V1 RT1 V22 RT2 2 k 1 2 k 1 若气流受阻，即 V2 0时， k 1 2 V1 2kR 2 Tt Ts !0.2 M a T2 T1 Tt
X1 X2 X3
传感器
传输门 综 合 电 路
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
传感器
传输门
传感器
传输门
（b）
（a）
时序型多路转换器
2019年3月29日3时57分
第19/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（三）
U入
锯齿波 发生器 关（下 降沿） 控制门 计数器
校正存储器 PS 压力传感器 UD UOUT A1 滤波器 速率符号 解调 器 A/D K3 N
2
1 N
1
N1PS’
N2PS
S
D/A
参考电压UR
计算机
2019年3月29日3时57分 第13/共45
数字式大气数据计算机-----原始 参数传感器（二）
UR UOUT
压阻式压力传感器
2019年3月29日3时57分
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
第32/共45
2019年3月29日3时57分
大气数据计算机系统输出
2019年3月29日3时57分
第33/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 -5V 逻辑状态 1 空载 0
1 2 3 4…7 8…12 13…28 29 30 源地 字地 不用 址 址
发出数据的 设备号
2019年3月29日3时57分
31
32
数据位
备用 有效位 奇偶位
根据前31位码中1的总 数及奇偶校验确定
第34/共45
表示不同信息 （如高度等）
ARINC429接口基本原理方框图
第29/共45
SCOTT 变压器（三）
V32 60° V3c
3 sin 60 2 V21 u sin
V21
由电压矢量关系 V21 V3c 时 3 u cos 2
120
（Vc2 V1c）
60°
°
120
V3c u sin 60 sin 90 V13 V21 W 2 u sin W1 W1 W2 V2 c 3 W1 2 W2 W2 u cos W1
2019年3月29日3时57分
第22/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
锁存 指令 转换 完成
锁存 器
INBUS4-7
250KHz 启动 -10VDC
逐次逼近式A/D转换器方框图
2019年3月29日3时57分
多 路 转 换 器
S/H
A/D
输入信号的传输
2019年3月29日3时57分
第17/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（一）
二进制译码器
A B C D S0 S1
逻辑多路转 换器
2019年3月29日3时57分 第18/共45
数字式大气数据计算机-----输入接 口（二）
脉冲分配器
2019年3月29日3时57分
第8/共45
数字式大气数据计算机硬件结构
2019年3月29日3时57分
第9/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
第10/共45
2019年3月29日3时57分
数字式大气数据计算机-----原始 参数传感器（一）
2019年3月29日3时57分 第35/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口（二）
多 路 转 换 器
MUX
采样/ 保持
滤波 器
Vo1
D/A 数字 输入
采样/ 保持
滤波 器
Von
数字—直流转换电路
2019年3月29日3时57分
第36/共45
数字---交流电压转换
模拟量Vi
An
R/n
模拟
数 字 A 量 8
2018年10月
第1章 大气数据计算机系统
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
运 数字量 算
UR
θ
数字/交 流转换
URsinθ
SCOTT 三相同步 传送至自 整角机
cosθ
数字/交 流转换 URcosθ
UR
（b）
2019年3月29日3时57分
第39/共45
数字/自整角机变换原理
数字量
cos(θ30°) cos(θ+30 °)
S2 S3 W1
3 W1 2
c
W2 W2
R1
R3 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 23 W 。两个变压器副边绕 组匝数相同，都为W2
1
2019年3月29日3时57分
第28/共45
SCOTT 变压器（二）
2019年3月29日3时57分
第4/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
第5/共45
2019年3月29日3时57分
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
72.1728 M a 1 0.2M
2 a
V M a a M a kRT 72.1728 M a Ts
Tt
UOUT=X P UR /XR X P ，XR 为被测可变 电容和标准参考电容的阻抗
2019年3月29日3时57分 第12/共45
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。
R/8
模拟
A4 A2
R/4
模拟
Vi Vi Vi Vout A1 A2 An R R/2 R/n R/ N V Vout i A1 A2 nAn N
R/2
模拟
R/N
A1
R
模拟 运算放 大器
乘积
模拟/数字乘法器
2019年3月29日3时57分
第23/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（六）
交流信号电压 交流参考电压 采样/保持 采样 脉冲 直流电压
90°移相 和过零检 测
交/直流转换原理方框图
2019年3月29日3时57分
第24/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（六）
参考晶体 振荡器 启动 复位 被测频率
fR
°
V13 Vc3
（V2c Vc1）
（c）
V42
2019年3月29日3时57分
第30/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（八）
V1
恒 流 源 多 路 转 换 器
MUX
Rt V2
A/D
电阻/数字转换程序
2019年3月29日3时57分
第31/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口
第37/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 数字/交流转换 接 收 机
cos(θ+120°) cos(θ+240°)
数字/交流转换
（a）
数字—自整角机转换
2019年3月29日3时57分
第38/共45
利用SCOTT变压器实现数字/自整 角机变换
sinθ
第14/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。
2019年3月29日3时57分 第15/共45
全温探头
2019年3月29日3时57分
第16/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 双积分式A/D转换 逐次逼近式A/D转换 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 自整角机同步信号/数字转换 电阻/数字转换
S3 S2 S1 R3
3 W1 2
V42’ c W1
R2
R4
V13’
R1
（b）
V21 V2c Vc1 V32 V3c Vc 2 V13 V1c Vc 3
V21 u sin
V32 u sin 120
V21 u sin 240
2019年3月29日3时57分
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。
2019年3月29日3时57分 第11/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 放大器 固定的3KHz 激励电源UR 输出电压UOUT
s 2 a
由于
a 2 kRT 且 M a
T !0.2M
V a
考虑到总温探头误差
2019年3月29日3时57分
第7/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
sinα
除法
sinα f α sinα cosα
α α
cosα
sinα +cosα
f（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。
2019年3月29日3时57分 第27/共45
SCOTT 变压器（一）
1/M分 频器
关闭 脉冲
被测频率 启动 复位 参考晶体 振荡器
f
1/M分 频器
关闭 脉冲
f
M f fR
计数器
N
计数器
fR
N M fR f
N
N
频率测量原理方框图
2019年3月29日3时57分
周期测量原理方框图
第25/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（七）
sinα
三线 400Hz交 流信号 SCOTT变 压器
信号比 较器
数字量 输出
开测 启动
标准脉冲 零比 较器 开（上 发生器 升沿）
V/T式A/D转换
2019年3月29日3时57分 第20/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
Uc U’x
时钟
译码 显示
U’c Uc
计数门
计数器
Ux
T1 T2 T’2
t
双积分式A/D转换
双积分转换波形
2019年3月29日3时57分
第21/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
数据总线 奇/偶校验
0/1
D9
D8
D7
D0
字间隙发生器 差动输出电路
译码器wenku.baidu.com
32位移位寄存器
Y3
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。 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。
采样/保持
cosα
VDC 1 sin VDC 2 cos
采样/保持
400Hz参 考电压
90°移相和 过零检测器
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。
2019年3月29日3时57分
第26/共45
角度信号的反变换
大气密度的解算
得
P0 Ps 由 0T0 sTs
Ps 0T0 s Ts P0
2019年3月29日3时57分
第6/共45
大气静温的解算
由 P P 1 2 k 1 k V1 1 V22 2 2 k 1 1 2 k 1 2 和 P RT
1 2 k 1 k V1 RT1 V22 RT2 2 k 1 2 k 1 若气流受阻，即 V2 0时， k 1 2 V1 2kR 2 Tt Ts !0.2 M a T2 T1 Tt
X1 X2 X3
传感器
传输门 综 合 电 路
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
传感器
传输门
传感器
传输门
（b）
（a）
时序型多路转换器
2019年3月29日3时57分
第19/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（三）
U入
锯齿波 发生器 关（下 降沿） 控制门 计数器
校正存储器 PS 压力传感器 UD UOUT A1 滤波器 速率符号 解调 器 A/D K3 N
2
1 N
1
N1PS’
N2PS
S
D/A
参考电压UR
计算机
2019年3月29日3时57分 第13/共45
数字式大气数据计算机-----原始 参数传感器（二）
UR UOUT
压阻式压力传感器
2019年3月29日3时57分
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
第32/共45
2019年3月29日3时57分
大气数据计算机系统输出
2019年3月29日3时57分
第33/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 -5V 逻辑状态 1 空载 0
1 2 3 4…7 8…12 13…28 29 30 源地 字地 不用 址 址
发出数据的 设备号
2019年3月29日3时57分
31
32
数据位
备用 有效位 奇偶位
根据前31位码中1的总 数及奇偶校验确定
第34/共45
表示不同信息 （如高度等）
ARINC429接口基本原理方框图
第29/共45
SCOTT 变压器（三）
V32 60° V3c
3 sin 60 2 V21 u sin
V21
由电压矢量关系 V21 V3c 时 3 u cos 2
120
（Vc2 V1c）
60°
°
120
V3c u sin 60 sin 90 V13 V21 W 2 u sin W1 W1 W2 V2 c 3 W1 2 W2 W2 u cos W1
2019年3月29日3时57分
第22/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
锁存 指令 转换 完成
锁存 器
INBUS4-7
250KHz 启动 -10VDC
逐次逼近式A/D转换器方框图
2019年3月29日3时57分
多 路 转 换 器
S/H
A/D
输入信号的传输
2019年3月29日3时57分
第17/共45
数字式大气数据计算机-----输入 接口（一）
二进制译码器
A B C D S0 S1
逻辑多路转 换器
2019年3月29日3时57分 第18/共45
数字式大气数据计算机-----输入接 口（二）
脉冲分配器
2019年3月29日3时57分
第8/共45
数字式大气数据计算机硬件结构
2019年3月29日3时57分
第9/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
第10/共45
2019年3月29日3时57分
数字式大气数据计算机-----原始 参数传感器（一）
2019年3月29日3时57分 第35/共45
数字式大气数据计算机-----输出 接口（二）
多 路 转 换 器
MUX
采样/ 保持
滤波 器
Vo1
D/A 数字 输入
采样/ 保持
滤波 器
Von
数字—直流转换电路
2019年3月29日3时57分
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数字---交流电压转换
模拟量Vi
An
R/n
模拟
数 字 A 量 8
2018年10月
第1章 大气数据计算机系统
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
运 数字量 算
UR
θ
数字/交 流转换
URsinθ
SCOTT 三相同步 传送至自 整角机
cosθ
数字/交 流转换 URcosθ
UR
（b）
2019年3月29日3时57分
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数字/自整角机变换原理
数字量
cos(θ30°) cos(θ+30 °)