飛行器的大氣壓力系統(tǒng)是用來收集大氣氣流的全壓和靜壓信息，并輸送給使用該信息的大氣數(shù)據(jù)儀表、飛行控制系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)等設(shè)備和系統(tǒng)的裝置。它收集的大氣壓力信息是否準(zhǔn)確，系統(tǒng)是否良好，將直接影響到大氣數(shù)據(jù)儀表、設(shè)備和系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性與正常性。因此，對飛行器大氣壓力系統(tǒng)的檢測是至關(guān)重要的。
　　在航空領(lǐng)域，振筒式傳感器應(yīng)用十分廣泛，它具有如下特點(diǎn)：(1)輸出為頻率(周期)信號(hào)，無需經(jīng)過轉(zhuǎn)換便可方便地與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)連接，遠(yuǎn)距離傳輸中不易產(chǎn)生失真誤差導(dǎo)致的精度降低；(2)遲滯誤差和漂移誤差小，具有很高的精度、靈敏度和分辨率；(3)傳感器系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好，尤其適用于比較惡劣的工作環(huán)境。因此，本文以振筒式壓力傳感器為核心設(shè)計(jì)了飛行器全靜壓檢測系統(tǒng)，并具體介紹了其激/拾振電路、溫度補(bǔ)償電路" title="補(bǔ)償電路">補(bǔ)償電路和測量顯示電路。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
　　全靜壓檢測系統(tǒng)以80C51系列的PCF80C552微控制器為核心，外圍電路主要由傳感器、F/D轉(zhuǎn)換器、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、顯示驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤驅(qū)動(dòng)電路及電源監(jiān)控電路等幾部分組成(見圖1)。PCF80C552有五個(gè)I/O口，并集成有一個(gè)八通道10位的ADC和看門狗(WDT)電路。控制器根據(jù)系統(tǒng)要求，將輸入量解算為所需參數(shù)，并通過顯示器顯示。傳感器主要用于檢測大氣全壓和靜壓信息，再經(jīng)F/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入單片機(jī)。F/D轉(zhuǎn)換電路采用的是多路高速高精度專用集成電路FDC9201，它采用軟、硬件測周法將高、低頻計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)成循環(huán)計(jì)數(shù)器，分別對標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖和被測頻率的脈沖數(shù)進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)，保證同時(shí)取得高低頻數(shù)，且第i次和第i+1次都是在低頻脈沖的完整周期內(nèi)進(jìn)行采樣。軟件處理公式為：
　　T=N×t₀/n
　　式中，T為周期；N為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值；n為被測傳感器經(jīng)過的分頻數(shù)； t₀為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高頻時(shí)鐘周期的時(shí)間，設(shè)計(jì)中采樣周期" title="采樣周期">采樣周期為52.4288ms。為了滿足不同精度和不同的實(shí)時(shí)性測量需求，電路設(shè)置了周期控制器，用編程的方法獲得不同的定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)采樣周期t。其公式為：
　　t=t₀×65536×2^b
　　式中，b=1，2，3，4。b可通過軟件設(shè)定，對實(shí)時(shí)性要求高的場合，b取小值；對實(shí)時(shí)性要求不高但對精度要求高的場合，b取大值。此外，為減少因電源波動(dòng)造成的工作不穩(wěn)定，選用TL7705 AIP作為系統(tǒng)電源監(jiān)控器。片外程序存儲(chǔ)器選用AMD27C128，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用MCM6264。顯示器采用16位真空熒光顯示器，避免顯示信息受照度和視角的影響。下面詳細(xì)討論系統(tǒng)中傳感器激/拾振電路與溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
1.2 傳感器激/拾振電路
　　振筒式傳感器是利用自由振動(dòng)頻率與作用力(絕壓或壓差)的函數(shù)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)對作用力的測量的。筒內(nèi)的激振" title="激振">激振線圈用于產(chǎn)生電磁激振力，拾振線圈則感受內(nèi)筒的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)被測壓力輸入筒內(nèi)時(shí)，拾振線圈一方面直接檢測出隨壓力而變的振動(dòng)頻率，并立即將該頻率信號(hào)送到放大和限幅器；另一方面又不斷地把感應(yīng)電勢反饋到激振線圈，使內(nèi)筒以新的固有頻率維持振動(dòng)。可見，激/拾振電路設(shè)計(jì)的正確、合理與否，直接關(guān)系到振筒的起振、諧振和壓力檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　激/拾振電路是一個(gè)正反饋回路(圖2)，為振動(dòng)筒提供連續(xù)的激勵(lì)脈沖。電路中L1為拾振線圈，L2為激振線圈。OPA111BM的偏置電流低、電壓偏移量低、漂移率低、噪聲低、共模抑制比高和開環(huán)增益高等特點(diǎn)，有利于振筒在放大器固有噪聲電平的初始激勵(lì)下的起振和持續(xù)穩(wěn)定振動(dòng)。

　　調(diào)試激/拾振電路，可實(shí)現(xiàn)電路的起振與諧振功能，并使振筒在通電后能立即進(jìn)入并保持諧振狀態(tài)。在頻率計(jì)上觀察，電路輸出為穩(wěn)定連續(xù)方波， 頻率量值符合4kHz~7kHz的理論要求。此外，電容C9在一定程度上決定了振筒式傳感器能否起振及其振動(dòng)的穩(wěn)定性，C9值不同，傳感器的起振效果和穩(wěn)定性不同。為保證振筒的正常工作，本電路C₉值選為15pF。
1.3 溫度補(bǔ)償電路
　　溫度是傳感器系統(tǒng)最主要的干擾量，因?yàn)檎裢彩絺鞲衅鞯奶卣鲄?shù)和感應(yīng)系數(shù)受溫度影響嚴(yán)重，尤其在以下兩個(gè)方面表現(xiàn)更為突出：(1)彈性模量E是決定傳感器輸出的主要因素之一，而振筒材料的彈性模量E隨溫度變化而變化；(2)溫度對被測氣體密度ρ的影響無法避免，密度ρ的變化造成振筒等效質(zhì)量與等效剛度的改變。因此，設(shè)法消除溫度影響是提高測量精度的關(guān)鍵。
　　電路中(圖3)溫敏元件選用硅PN結(jié)BLTS101，利用其偏置電壓隨溫度變化的原理，可實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度測量和誤差補(bǔ)償。BLTS101有足夠高的靈敏度和線性度，環(huán)境溫度每升高1℃，其正向電壓下降約2mV。此外，其體積非常小，便于在狹小的空間內(nèi)安裝。

　　電路中R13、R14是可調(diào)電阻，用于零位和靈敏度調(diào)整。改變LM108AH負(fù)反饋電阻R2的大小，即可獲得所需要的BLTS101感溫靈敏度。此外，還對溫度補(bǔ)償電路的輸出溫壓進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，作為線性化電路的第二輸出量，并采用數(shù)據(jù)融合或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，進(jìn)行溫度誤差修正，提高測量精度。溫度補(bǔ)償電路輸入輸出的仿真曲線如圖4所示，從中可見輸入與輸出的線性度非常好。