第5讲：大气数据计算机课件

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*P100-1大气数据系统刘瑞华*P100-1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2023/1/52大气数据计算机系统：功能及要求功能2022/12/202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2023/1/53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：2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）真空速的解算大气密度的解算2023/1/54基本解算关系高度的解算（见前述公式）2022/12/204大气静温的解算2023/1/55大气静温的解算2022/12/205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2023/1/56大气数据计算机组成2022/12/206数字式大气数据计算机硬件结构2023/1/57数字式大气数据计算机硬件结构2022/12/207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2023/1/58大气数据计算机：原始参数传感器电容式压力传感器2022/12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。2023/1/59数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（一）差动电容式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。

UOUT=XPUR/XRXP，XR为被测可变电容和标准参考电容的阻抗放大器参考电压UR参考电容CR固定的3KHz激励电源UR石英膜盒CP输出电压UOUT2023/1/510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。放大传感器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。K3

解调器滤波器D/A速率符号压力传感器A1PS校正存储器UOUTUD参考电压URA/D1SN2N1N2PSN1PS’计算机2023/1/511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数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（二）压阻式压力传感器UOUTUR2023/1/512数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（二）压阻式压力振膜式压力传感器 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。2023/1/513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，全温探头2023/1/514全温探头2022/12/2014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/数字转换多路转换器S/HA/D输入信号的传输2023/1/515数字式大气数据计算机-----输入接口多路转换器S/HA/D数字式大气数据计算机-----输入接口（一）逻辑多路转换器 二进制译码器ABCDS0S1

2023/1/516数字式大气数据计算机-----输入接口（一）逻辑多路转换器 数字式大气数据计算机-----输入接口（二）时序型多路转换器晶体振荡器计数分频器计数器译码器时钟脉冲分路脉冲输出（b）传感器传感器传感器传输门传输门传输门综合电路脉冲分配器X1X2X3（a）2023/1/517数字式大气数据计算机-----输入接口（二）时序型多路转换器数字式大气数据计算机-----输入接口（三）

V/T式A/D转换锯齿波发生器信号比较器计数器标准脉冲发生器控制门零比较器开测启动开（上升沿）关（下降沿）数字量输出U入2023/1/518数字式大气数据计算机-----输入接口（三）V/T式A数字式大气数据计算机-----输入接口（四）双积分式A/D转换 逻辑控制零比较器计数门计数器时钟译码显示积分器±UXUR+URT1UcT’2tU’cU’xT2UcUx双积分转换波形2023/1/519数字式大气数据计算机-----输入接口（四）双积分式A/D转双积分式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2023/1/520双积分式A/D转换工作过程三个阶段：采样阶段、比较阶段、休止数字式大气数据计算机-----输入接口（五）逐次逼近式A/D转换器方框图D/A转换器锁存器逐次逼近寄存器比较器INBUS0-3锁存指令250KHz启动-10VDC转换完成锁存器U入INBUS4-72023/1/521数字式大气数据计算机-----输入接口（五）逐次逼近式A/D数字式大气数据计算机-----输入接口（六）交/直流转换原理方框图交流参考电压90°移相和过零检测采样/保持交流信号电压采样脉冲直流电压2023/1/522数字式大气数据计算机-----输入接口（六）交/直流转换原理数字式大气数据计算机-----输入接口（六）频率测量原理方框图周期测量原理方框图1/M分频器计数器参考晶体振荡器关闭脉冲启动复位被测频率fRfN1/M分频器计数器参考晶体振荡器关闭脉冲启动复位被测频率fRfN2023/1/523数字式大气数据计算机-----输入接口（六）频率测量原理方框数字式大气数据计算机-----输入接口（七）

自整角机信号转换方框图90°移相和过零检测器SCOTT变压器采样/保持采样/保持三线400Hz交流信号cosαsinα400Hz参考电压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。2023/1/524数字式大气数据计算机-----输入接口（七） 自整角机信号转角度信号的反变换 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。sinαcosαsinα+cosα除法αf（α）α

角度信号的反转换2023/1/525角度信号的反变换 利用角度的反变换，将f（）变成角，利用SCOTT变压器（一）

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。两个变压器副边绕组匝数相同，都为W2（a）S1R1S2S3R3R4R2W1W2W2c2023/1/526SCOTT变压器（一） SCOTT变压器由两个变压器组成，SCOTT变压器（二）S1S2S3W1V42’R1R3R4R2（b）V13’c2023/1/527SCOTT变压器（二）S1S2S3W1V42’R1R3R4SCOTT变压器（三）（V2cVc1）V21V3cV32V13Vc3（Vc2V1c）120°120°60°60°（c）2023/1/528SCOTT变压器（三）（V2cVc1）V21V3cV3数字式大气数据计算机-----输入接口（八）电阻/数字转换程序恒流源A/D多路转换器MUXRtV1V22023/1/529数字式大气数据计算机-----输入接口（八）电阻/数字转换程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2023/1/530数字式大气数据计算机-----输出接口串行输出接口2022/大气数据计算机系统输出2023/1/531大气数据计算机系统输出2022/12/2031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 逻辑状态

+5V 1 0V 空载

-5V 0

1234…78…1213…2829303132源地址字地址不用数据位备用有效位奇偶位发出数据的设备号表示不同信息（如高度等）根据前31位码中1的总数及奇偶校验确定2023/1/532数字式大气数据计算机-----输出接口（一）ARINC429ARINC429接口基本原理方框图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。译码器32位移位寄存器字间隙发生器差动输出电路奇/偶校验数据总线0/1D9D8D7D0Y32023/1/533ARINC429接口基本原理方框图32位移位寄存器可以由4个数字式大气数据计算机-----输出接口（二）数字—直流转换电路多路转换器MUXD/A滤波器采样/保持采样/保持滤波器Vo1Von数字输入2023/1/534数字式大气数据计算机-----输出接口（二）数字—直流转换电数字---交流电压转换模拟模拟模拟模拟模拟数字量模拟量ViAnA8A4A2A1运算放大器乘积模拟/数字乘法器RR/2R/4R/8R/nR/N2023/1/535数字---交流电压转换模拟模拟模拟模拟模拟数字量模拟量ViA数字式大气数据计算机-----输出接口（三）数字—自整角机转换数字/交流转换数字/交流转换数字/交流转换接收机数字量cosθcos(θ+120°)cos(θ+240°)

（a）2023/1/536数字式大气数据计算机-----输出接口（三）数字—自整角机转利用SCOTT变压器实现数字/自整角机变换数字/交流转换数字/交流转换运算SCOTT

cosθ

θ数字量

sinθ

URcosθ

URsinθURUR三相同步传送至自整角机（b）2023/1/537利用SCOTT变压器实现数字/自整角机变换数字/交流转换数字数字/自整角机变换原理数字/交流转换数字/交流转换二线/三线变换数字量cos(θ-30°)cos(θ+30°)至自整角机（c）S1URcos(θ+30°)S2URcos(θ-30°)S3接收机（d）数字—自整角机转换及二线/三线变换原理2023/1/538数字/自整角机变换原理数字/交流转换数字/交流转换数字量至数字式大气数据计算机-----微处理器硬件结构微处理器总线关系离散输出口离散输入口片选译码电路ROMRAM上电复位电路时钟总线分离器CPU（Z8002）数据总线地址总线2023/1/539数字式大气数据计算机-----微处理器硬件结构微处理器总线关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）程序非实时的自检和故障监控程序自检监控程序实时中断服务自检程序限值程序开中断初始化启动YN2023/1/540数字式大气数据计算机-----微处理器程序结构基本组成自检监DADCARINC706原理方块图

2023/1/541DADCARINC706原理方块图2022/12/204数字式大气数据计算机-----36项自检功能检查输入总温是否在规定的范围内机型程序检查检查静压传感器周期计数是否在规定范围检查静压传感器温度输出范围检查频/数转换是否完善ARINC输出端绕回检查对RAM检查对ROM检查指令检查对CPU检查攻角比较检查检查Ps=Pt（仅在地面功能检查时进行）备用VMO离散量检查EPROM读/写检查静压（或全压）锁相环检查微处理器计算功能检查2023/1/542数字式大气数据计算机-----36项自检功能检查输入总温是否CPU监控方案一

CPU定期向B端发出负脉冲，若CPU工作正常，单稳态触发器始终处于暂稳态，输出高电平。单稳态B触发器来自CPUQ正常不正常2023/1/543CPU监控方案一 CPU定期向B端发出负脉冲，若CPU工作CPU监控方案二

CPU每秒发出负脉冲信号，使计数器清零。若CPU不能按时发出清计数器信号，计数器一直计数，当1.25秒后，CPU仍不能发出清计数器信号，WATCHDOGTIMER为1，控制CPU清计数器，若仍不能复位，FAILURE为1，表示故障。WATCHDOGTIMER

计数器来自CPU40Hz时钟FAILURE译码器OSCCLRCLR2023/1/544CPU监控方案二 CPU每秒发出负脉冲信号，使计数器清零大气数据系统1.大气数据计算机的功能是什么？2.采用大气数据计算机有什么优点？3.对大气数据计算机的基本要求是什么？4.简述大气数据计算机的基本组成。5.大气数据计算机有哪些原始数据传感器？6.大气数据计算机有哪些输入输出接口？7.理解典型的大气数据计算机主程序框图。2023/1/545大气数据系统1.大气数据计算机的功能是什么？2022/12/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*P100-46大气数据系统刘瑞华*P100-1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2023/1/547大气数据计算机系统：功能及要求功能2022/12/202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2023/1/548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：2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）真空速的解算大气密度的解算2023/1/549基本解算关系高度的解算（见前述公式）2022/12/204大气静温的解算2023/1/550大气静温的解算2022/12/205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2023/1/551大气数据计算机组成2022/12/206数字式大气数据计算机硬件结构2023/1/552数字式大气数据计算机硬件结构2022/12/207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2023/1/553大气数据计算机：原始参数传感器电容式压力传感器2022/12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。2023/1/554数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（一）差动电容式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。

UOUT=XPUR/XRXP，XR为被测可变电容和标准参考电容的阻抗放大器参考电压UR参考电容CR固定的3KHz激励电源UR石英膜盒CP输出电压UOUT2023/1/555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。放大传感器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。K3

解调器滤波器D/A速率符号压力传感器A1PS校正存储器UOUTUD参考电压URA/D1SN2N1N2PSN1PS’计算机2023/1/556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数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（二）压阻式压力传感器UOUTUR2023/1/557数字式大气数据计算机-----原始参数传感器（二）压阻式压力振膜式压力传感器 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。2023/1/558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，全温探头2023/1/559全温探头2022/12/2014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/数字转换多路转换器S/HA/D输入信号的传输2023/1/560数字式大气数据计算机-----输入接口多路转换器S/HA/D数字式大气数据计算机-----输入接口（一）逻辑多路转换器 二进制译码器ABCDS0S1

2023/1/561数字式大气数据计算机-----输入接口（一）逻辑多路转换器 数字式大气数据计算机-----输入接口（二）时序型多路转换器晶体振荡器计数分频器计数器译码器时钟脉冲分路脉冲输出（b）传感器传感器传感器传输门传输门传输门综合电路脉冲分配器X1X2X3（a）2023/1/562数字式大气数据计算机-----输入接口（二）时序型多路转换器数字式大气数据计算机-----输入接口（三）

V/T式A/D转换锯齿波发生器信号比较器计数器标准脉冲发生器控制门零比较器开测启动开（上升沿）关（下降沿）数字量输出U入2023/1/563数字式大气数据计算机-----输入接口（三）V/T式A数字式大气数据计算机-----输入接口（四）双积分式A/D转换 逻辑控制零比较器计数门计数器时钟译码显示积分器±UXUR+URT1UcT’2tU’cU’xT2UcUx双积分转换波形2023/1/564数字式大气数据计算机-----输入接口（四）双积分式A/D转双积分式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2023/1/565双积分式A/D转换工作过程三个阶段：采样阶段、比较阶段、休止数字式大气数据计算机-----输入接口（五）逐次逼近式A/D转换器方框图D/A转换器锁存器逐次逼近寄存器比较器INBUS0-3锁存指令250KHz启动-10VDC转换完成锁存器U入INBUS4-72023/1/566数字式大气数据计算机-----输入接口（五）逐次逼近式A/D数字式大气数据计算机-----输入接口（六）交/直流转换原理方框图交流参考电压90°移相和过零检测采样/保持交流信号电压采样脉冲直流电压2023/1/567数字式大气数据计算机-----输入接口（六）交/直流转换原理数字式大气数据计算机-----输入接口（六）频率测量原理方框图周期测量原理方框图1/M分频器计数器参考晶体振荡器关闭脉冲启动复位被测频率fRfN1/M分频器计数器参考晶体振荡器关闭脉冲启动复位被测频率fRfN2023/1/568数字式大气数据计算机-----输入接口（六）频率测量原理方框数字式大气数据计算机-----输入接口（七）

自整角机信号转换方框图90°移相和过零检测器SCOTT变压器采样/保持采样/保持三线400Hz交流信号cosαsinα400Hz参考电压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。2023/1/569数字式大气数据计算机-----输入接口（七） 自整角机信号转角度信号的反变换 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。sinαcosαsinα+cosα除法αf（α）α

角度信号的反转换2023/1/570角度信号的反变换 利用角度的反变换，将f（）变成角，利用SCOTT变压器（一）

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。两个变压器副边绕组匝数相同，都为W2（a）S1R1S2S3R3R4R2W1W2W2c2023/1/571SCOTT变压器（一） SCOTT变压器由两个变压器组成，SCOTT变压器（二）S1S2S3W1V42’R1R3R4R2（b）V13’c2023/1/572SCOTT变压器（二）S1S2S3W1V42’R1R3R4SCOTT变压器（三）（V2cVc1）V21V3cV32V13Vc3（Vc2V1c）120°120°60°60°（c）2023/1/573SCOTT变压器（三）（V2cVc1）V21V3cV3数字式大气数据计算机-----输入接口（八）电阻/数字转换程序恒流源A/D多路转换器MUXRtV1V22023/1/574数字式大气数据计算机-----输入接口（八）电阻/数字转换程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2023/1/575数字式大气数据计算机-----输出接口串行输出接口2022/大气数据计算机系统输出2023/1/576大气数据计算机系统输出2022/12/2031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 逻辑状态

+5V 1 0V 空载

-5V 0

1234…78…1213…2829303132源地址字地址不用数据位备用有效位奇偶位发出数据的设备号表示不同信息（如高度等）根据前31位码中1的总数及奇偶校验确定2023/1/577数字式大气数据计算机-----输出接口（一）ARINC429ARINC429接口基本原理方框图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。译码器32位移位寄存器字间隙发生器差动输出电路奇/偶校验数据总线0/1D9D8D7D0Y32023/1/578ARINC429接口基本原理方框图32位移位寄存器可以由4个数字式大气数据计算机-----输出接口（二）数字—直流转换电路多路转换器MUXD/A滤波器采样/保持采样/保持滤波器Vo1Von数字输入2023/1/579数字式大气数据计算机-----输出接口（二）数字—直流转换电数字---交流电压转换模拟模拟模拟模拟模拟数字量模拟量ViAnA8A4A2A1运算放大器乘积模拟/数字乘法器RR/2R/4R/8R/nR/N2023/1/580数字---交流电压转换模拟模拟模拟模拟模拟数字量模拟量ViA数字式大气数据计算机-----输出接口（三）数字—自整角机转换数字/交流转换数字/交流转换数字/交流转换接收机数字量cosθcos(θ+120°)cos(θ+240°)

（a）2023/1/581数字式大气数据计算机-----输出接口（三）数字—自整角机转利用SCOTT变压器实现数字/自整角机变换数字/交流转换数字/交流转换运算SCOTT

cosθ

θ数字量

sinθ

URcosθ

URsinθURUR三相同步传送至自整角机（b）2023/1/582利用SCOTT变压器实现数字/自整角机变换数字/交流转换数字数字/自整角机变换原理数字/交流转换数字/交流转换二线/