（中国飞行试验研究院测控设备研究所，陕西西安，710089）
电子电路设计与方案
摘要：高度速度传感器为飞行器飞行数据记录系统提供气压高度信号和指示空速信号。以往的高度速度传感器采用的是用一个单片机同时采集敏感芯体输出的高度、速度信号。这种方案调试繁琐，排故较困难，传感器的体积较大。文章介绍了一种新型高度速度传感器设计，该传感器借鉴压力传感器的设计原理，采用硅压阻敏感芯体测量高度、速度信号。通过ZMD31050调理芯片对高度、速度信号进行线性修正和温度补偿，使其精度和温漂均满足试飞测试需要。和以往高度速度传感器相比，在体积、成本、维修性方面有了较大提升。关键词：高度速度传感器；ZMD31050；线性修正；温度补偿1 大气动静压基本原理
飞行器在飞行时相对于空气的速度。在飞行器上，相对飞行器流动的大气总压Pt可以通过安装在飞行器上的皮托管前端的总压孔来测量，同时，大气静压Ps可以通过设在皮托
1根据伯努利方程Ps+ρv2=Pt得：
2飞行器的空速是计算飞行器空气动力的必要参数，是指
对应的标准模拟信号，此信号与飞行器飞行气压高度和指示空速成一定比例。
3主要设计方案
■ 3.1 激励电源设计
力传感器的激励电源。采用恒压源作为激励会导致传感器输出信号产生温度漂移，因此在设计中采用恒流源激励。考虑到传感器输出灵敏度、共模电压及电桥自热的影响，设计中使用两路1mA恒流源分别对绝对压力传感器和差压传感器提供激励。
恒流源设计从结构上分负载接地和负载虚地两种，为了在设计中，通常采用恒压源或者恒流源作为硅压阻式压
管周围的静压孔来测量。动压qc为总压Pt与静压Ps之差。
v=2(Pt−Ps)流动空气的密度。与高度参数。
其中v为空速，即飞行器相对于空气流动的速度，ρ为因此可以通过测量飞机的动、静压，计算出飞机的速度
2 方案设计
降低传感器共模输出电压，选用负载接地的设计。其原理如图2所示，REF02BU精密电压基准产生5V的基准电压，到，要输出1mA电流应取电阻为R=5V/1mA =5kΩ。通过双运放OP295GS及精密电阻来取所需电流。经计算得
图2 恒流源电路原理图图1 高度速度传感器功能结构图■ 3.2 信号调理设计
高度信号和指示空速信号。高度速度传感器敏感部分是由一个绝对压力传感器和一个差压传感器组成。传感器结构框图如图1所示。高度测量采用绝对压力传感器,通过测量大气静压实现高度测量；速度测量采用差压传感器，通过测量动压的方法来获取飞行器的飞行速度。压力可由飞机空速管通过导管将总压和静压分别引入传感器的总压、静压入口（总压与静压的差值即为动压），使绝压和差压传感器分别输出和动、静压成比例电压信号，经信号调理后分别输出与其相
高度速度传感器为飞行器飞行数据记录系统提供气压大成所需的电压信号，并对其进行线性、温漂校准。以往的高度速度传感器采用的是用一个单片机同时采集敏感芯体输出的高度、速度信号，在单片机内采用软件算法对信号进传感器一旦出现故障，检查较困难。器件较多也导致了传感器的体积较大。
改进后的传感器采用ZMD31050芯片进行信号调理，
传感器的信号调理是将敏感芯体输出的毫伏级信号放
行调理。这种方案调试繁琐，由于需要的配套外围电路较多，
ZMD31050是一款桥阻式传感器专用信号处理芯片。可以对传感器常见的线性误差及温度漂移进行校准和补偿，
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电子电路设计与方案ZMD31050内部结构如图3所示。图3 ZMD31050内部结构数字串口接口电路组成。通过EEPROM 配置工作模式。实现对传感器信号线性误差及零点、温度漂移的修正。
ZMD31050由微控器、数/模转换器、数字接口电路及ZMD31050内部EEPROM包含32个16位地址空间，
偏移量、温漂以及采用最多3阶曲线拟合进行非线性补偿。信号的修正和调节是通过CMC来完成的，公式如下 ： Y=
c1+2−(rADC−1)−15
2
ZCORR−P+c0+2−(rADC−1)⋅c4⋅ZCORR−T1+2−(rADC−1)⋅c5⋅ZCORR
T
信号在进行模数转换后，还需进一步进行处理，以消除a—增益。配置的32个参数存储在EEPROM中。其中传感器校准参数有22个，配置应用程序7个，CRC字正确性检查1个，剩余2个供自由使用。
在信号调节过程中，经过预处理的模拟传感器信号不断
⋅c6⋅ZCORR−T1+2−15
−(rADC−1)⋅c7⋅ZCORRT
2
−15
2−1
−1
其中： ZCORR−P—数/模转换后的压力的原始数据值；器中。
调节常量c0…c7，存储在EEPROM中的0-7号寄存ZCORR−T1—数/模转换后的温度1的原始数据值；
P=Y⋅(1−2
⋅c2−2⋅c3)+2
−15
⋅c2⋅Y+2⋅c2⋅Y3
进行A/D转换。A/D转换中的精度rADC和其固有的输入信号的偏移rSADC通过配置字进行。对于所有测量值来说，在其测量周期内需对测量结果进行归零操作。
温度：VADC−DIFF−T=aIN−T⋅VIN−DEFF−T初始A/D转换结果：
r
ZADC=2ADC⋅(
压力：VADC−DIFF−P=aIN−P⋅VIN−DEFF−P+aIN−AZS⋅VAZS
残余偏量：VADC−OFF=aIN−OFF⋅VIN−OFF
VADC−DIFF+VADC−OFF
−1+RSADC)
VADC−REF
—温度系数（二阶电桥漂移量）、c6—温度系数（一阶放大率）、c7—温度系数（二阶放大率）。
同时对温漂进行调节和补偿。就中间值Y而论，放大器的字串口寄存器中用于输出。
第一个等式的作用是：对偏移量进行补偿，调节放大率，
c3—三阶非线性、c4—温度系数（一阶电桥漂移量）、c5
其中c0—电桥偏移、c1—放大率、c2—二阶非线性、
VADC−OFF
r
−1+RSADC)自动调零值：ZAZ=2ADC⋅(VADC−REF自动调零修正后的原始A/D转换结果：VADC−DIFF
r
ZCORR=ZADC−ZAZ=2ADC⋅VADC−REFVIN−OFF—前端残余偏量；
非线性已经得到改善。在每次测量过程中，P将被写入到数
4 结论
其中：VIN−DEFF—前端模拟差分输入电压；VADC−DIFF—数／模转换的模拟差分输入；VAZS—模拟零漂电压；rADC—数／模转换精度；
RSADC—A/D偏置大小，由EEPROM设定，通过对
振动试验及绝缘试验。动静压精度均达到0.3％，满足试飞测试要求。产品结构也满足飞行振动要求。
参考文献传感器完成了常温特性试验、高低温试验、振动试验、
VADC−OFF—模拟前端送至A/D的残余偏量；VADC−REF—参考电压；
＊ [1]冯维明，宋娟.传感器原理及应用[M].天津大学出版社，2005＊ [2]赵润，刘华，颜国正. ZMD31050在压力测量之温度补偿中的应用[J].电子测量技术.2012(2)系统中的应用[J]. 国外电子元器.2007(6)
＊ [3]马爱虹，李海亮，孙海霞.ZMD31050在数字式气压传感器＊ [4]ZMD31050 Datasheet[DB/OL]．http：//www．zmd.de/pdf/ZMD3 1050％20Datasheet_Re、5.pdf．2006．
的最近输入范围（RSADC=1/16、1/8、1/4、1/2）。12|电子制作2018年6月
RSADC值的设置可以将输入的传感器信号切换至AD转换器
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