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1、 一种机载系统可编程模拟电压输出接口电路设计 蔡晓乐，呼明亮，孙少华，赵君，闫稳（航空工业西安航空计算技术研究所，陕西西安，710068）0 引言随着机载系统总体复杂度日益提高，机载设备综合化水平不断提升，飞机上各个系统的重要数据需要由分布在各种子系统的终端设备采集并发送给通用综合处理设备统一控制和管理。飞机上各子系统例如环控系统、燃油系统、液压系统、供电系统等通常分布着大量终端传感器及做动器，对这些传感、作动器的控制包括各种类型的数字信号输出，也包括大量的模拟信号输出，机载电子设备模拟电压输出功能的需求也向多元化、可调节及精密控制发展。为适应各类控制器的不同电压值的控制信号，简化设计，实现统
2、一控制，本文提出一种机载系统可编程模拟电压输出接口电路的设计方法，能够输出高精度模拟电压信号，且能够根据需求进行幅值连续可调可编程。1 系统功能框图本文提出一种机载系统可编程模拟电压输出接口电路的设计方法，该设计总体结构框图如图1 所示。主控制器将需要输出的连续模拟电压指令发送给FPGA，同时FPGA的控制逻辑通过双口RAM 获取主控制器要求输出的数据和指令，FPGA 解析主控制器指令并将该指令翻译为D/A 转换器可识别的12 位数据，FPGA 和D/A 转换电路通过并行总线按照D/A 转换器的控制时序进行控制。D/A 转换电路可实现10V 连续电压输出，将FPGA 发送的数据锁存后经DAC
3、转换为模拟电压最终通过高压运放缓冲输出。输出基准源电路用于给D/A转换器提供外部基准，实现高精度输出。模拟电压回采电路用于对输出的电压值进行监控，配合模拟开关，通过FPGA 和微控制器的控制实现电路的自测试功能。图1 系统框图2 详细电路设计2.1 基准电压电路本设计采用可编程电压基准源SW584 为D/A 转换器提供基准。SW584 是采用双极工艺制造的单片精密电压参考，主要由启动电路、采用二阶曲率补偿的带隙基准源、恒流源、误差放大器、过流保护等部分组合而成。通过管脚编程，该电路可以输出10V、7.5V、5V、2.5V 等精密电压值，同时该电路具有噪声消除端，通过外接一个0.01F0.1F
4、的电容，可以极大地改善电路的噪声特性。SW584 原理图如图2 所示。图2 SW584 原理框图SW584 基准典型使用方式包含固定输出编程模式、输出电压微调模式和控制端使能应用方式。（1）固定输出编程模式：将输入电压加在8 脚和4 脚之间，1 脚作为参考电压输出端，电路可以输出稳定的10V电压参考，按照下表1 所示的方式对管脚进行编程，电路可以输出7.5V、5.0V、2.5V 的参考电压。表1 固定输出编程方法（2）输出电压微调模式：除了上述的几种固定编程输出，通过外接电阻进行调整，输出电压参考可以在更大的范围内进行变化。SW584 可以看作一个反向放大器，同向输入端接有1 个稳定的约为1.
5、22V 的带隙基准电压，反向输入端接采样电阻网络，电路内部电阻精度在15%以内。通过外接取样电阻，调整取样电阻的阻值，输出电压可以在很大的范围内进行调整，该电路可以较容易地输出10.24V、5.12V、2.56V、6.3V 等几种输出电压。（3）控制端的使能应用：SW584 的5 脚为电路的控制端口，连接到内部输出管的驱动级，因此可以通过外部线路来控制5 脚电位，从而实现器件使能功能。可以通过外接NPN 单管来控制5 脚电位，当N 管基极输入高电平开启时，器件5 脚电位会被拉低，内部输出管关断，电路处于关断状态；当N 管输入低电平关断时，器件5脚电位不受影响，内部环路处于稳定工作状态，电路工作
6、在正常状态。本设计采用固定输出编程模式，使SW584 输出固定的10V 基准电压，为D/A 转换器提供外部精密基准源。2.2 D/A 转换电路本设计D/A 转换电路选择4 通道12 位电压输出型DAC 单片集成电路HWD664。D/A 转换器功能框图如图3 所示，每个DAC通道都有双缓冲输入锁存结构和数据回读功能。所有的DAC 读和写运行都通过一个连接到IO 的相同的处理器完成。这些IOM 端口提供12 位并行数据，并通过简单的位宽可变的界面连接到处理器。一个复位到零的控制关键允许使用者复位所有DAC 输出到零，而不受输入的锁存状态影响。HWD664的模拟部分包括4 个DAC 单元，4 个输出
7、放大器，1 个控制放大器和开关，每一个DAC 单元是可变的R-2R 类型。输出电流来自每个DAC 连接到板级应用的电阻和输出放大器。每一个DAC 的输出范围是可以通过数字I/O 管脚编程控制，也可设置成单极或双极范围，并参考一个一倍或两倍的参考电压，所有的DAC运行接收一个相同的外部参考。图3 HWD664功能框图HWD664 的参考源输入配置10VDC 精密电压参考，其主要特性如下：a.具有四个完整的电压输出DAC；b.具有数据寄存器回读功能；c.具有“复位到零”无效使能功能；d.输出电压范围010VDC；e.分辨率：12Bit；建立时间10s ；f.线性误差：最大1LSB；g.增益误差：最
8、大14LSB。2.3 FPGA 控制电路本设计基于FPGA 实现的DAC 输出控制模块架构如图4 所示。该控制模块具体包含总线接口控制、10V 输出控制和HWD664 接口控制模块。主控制器通过总线接口与FPGA 进行数据交换，实现010V 输出的电压配置，10V 输出控制模块包含两个寄存器，一个为配置寄存器，用于存储从主控制器下载的配置指令，配置指令的范围为12h00012hFFF，表示输出电压范围为-10V 10V，另一个为使能寄存器，用于存储010V 输出的输出使能与禁止指令；HWD664 接口控制模块按照数模转换器HWD664 的输出时序操作将并行配置数据按通道发送给HWD664，实现
9、并行幅值信息到电压信号的转换。图4 FPGA 控制框图HWD664 数模转换器的异步复位时序如图5 所示。其复位脉宽必须大于150ns，为保证时序时间充足及设计余量，本设计脉冲宽度设计为2s。这个复位信号可以使所有的DAC 通道输出为零，并且忽略模式和范围的选择。在上电时，HWD664 可能被激活到读或者写的模式，异步复位操作可以保证在上电后不会出现未知的错误。图5 异步复位时序HWD664 数模转换器单通道输出的时序如图6所示，LS 为数据加载信号，当LS上升沿时，DAC 内核转换，此时12 位数据输入必须稳定，LS 由低边变高后数据需稳定10s，等待输出完成建立。图6 单通道输出时序FPG
10、A 通过配置寄存器实现-10V10V直流电压的可在线配置，配置寄存器电压和码值对应关系如表2所示。表2 配置寄存器电压和码值对应表2.4 测试性设计本电路设计了模拟量采集电路对D/A 转换器输出的电压信号进行回读，实现对模拟电压输出电路进行监控和测试性设计。同时为保证在进行电路自测试时不影响外部输出接口，设置了一个一对一的模拟开关进行通断控制。在系统上电进行自测试时，开关处于断开状态，模拟量回采电路采集系统预设的测试值，通过将设置值和回采值进行对比，判断可编程模拟电压输出接口是否可以正常工作，当测试通过后，开关导通，进入正常的可编程输出流程，同时还可对正常输出的电压值进行回采监控，保证电路的正
11、确性。本设计选择HWD976 作为AD 转换芯片实现模拟信号到数字信号的转换，并将转换的结果通过存放在FPGA 自身的双口RAM 中，供主控制器读取。该HWD976 模数转换器是一个16 位逐次逼近式的转换器，它具有低功耗、高速度的特点。HWD976 的输入电压范围为-10V+10V 可完全覆盖模拟电压输出的范围，HWD976 线性误差最大为16LSB，参考电压使用外部2.5VDC 基准，转换时间最长10s，失调误差最大为10mV。如图7 所示，根据HWD976 的内部采集转换时序，FPGA 可编程逻辑通过操作R/C 信号并且监控BUSY 信号的上升沿来控制芯片的转换过程。当逻辑控制R/C 信
12、号由高电平转变成低电平后，中间的33ns 是芯片的初始化过程。当芯片完成初始化后，BUSY 信号会被拉低，从而启动A/D 转换，此时BUSY 信号一直保持低电平状态，表示此时芯片内部正在进行模数转换。转换结束之后，BUSY 信号被拉高，代表完成了转换，芯片自动将转换好的数据存入到输出寄存器中。输出寄存器直接连接到FPGA 的数据端，FPGA 控制将其存入内部的双口RAM 对应的地址当中。整个转换过程CS 始终处于低电平状态，R/C 信号、BUSY 信号、CS 信号都是由FPGA 中的可编程逻辑来控制。由于芯片的转换过程由FPGA 来控制，可使得整个采集系统在时序上始终保持一致，从而能大大提高回
13、采电路的整体性能。图7 HWD976操作时序图3 测试内容结果分析为测试本设计提出的模拟电压输出电路的功能及精度，编写测试软件，对其输出电压从-10V+10VDC 范围内进行步进选点多次测试。测试内容及方法如下：系统上电后，初始化微控制器和FPGA，通过软件控制对FPGA 控制器进行配置，接口按照电压递增的情况使其输出不同的电压值，范围从-10V 到+10V 递增变化，同时通过精度不低于4 位半的万用表对其输出的模拟电压进行监控和测量，与理想值进行对比，改变输出值的大小，进行多次测试。试验后抽取部分测试结果如表3 所示。表3 部分模拟电压输出测试结果从表中可以看出，当模拟电压输出范围在02V
14、之间时，其采集的误差仅在6mV 以内，而当输出电压增大，误差也随之增加，但也能够保持在30mV 以内，具备了相当高的采集精度。通过大量的输出试验，结果表明，本系统能够很好地完成模拟电压输出功能，不仅实现输出电压的可配置，且设计具有很好的输出精度，能够很好地满足机载系统对模拟电压输出信号的要求。4 结束语本文研究了机载系统可编程连续模拟电压输出接口电路的设计。通过对基准源电路的分析和设计，使得系统具备了较高的输出精度。通过采用FPGA 控制D/A 转换器设计的方法，保证了连续电压可编程、可调节功能，通过设计模拟回采电路，保证了对输出的电压的监控和测试性设计。经过实际测试，本设计能够实现连续模拟电压输出的需求，同时输出精度较高，具备较强的现实意义，适用于航空领域机载系统的连续模拟电压输出需求。 -全文完-
