一种简单可靠离散量信号电路的设计和实现

摘要：基于目前航空电子设备离散量输入／输出电路实现复杂，分立器件多，高低温下参数不一致等现象，通过对比分析典型离散量电路，提出了一种简单、高可靠性的离散量信号电路设计，同时由于典型离散量输出电路故障率较高，提出了一种离散量输出信号的过流保护电路设计思路，采用电路仿真软件Multisim进行了功能仿真、容差分析，在实际工程应用中各项实验结果证明，该电路满足实际使用要求，具有很高的稳定性和可靠性。
关键词：航空电子；离散量输入电路；离散量输出电路；过流保护电路；功能仿真分析；差分电路

随着航空电子产品复杂性日益提高，对硬件设计的可靠性、安全性等级，提出了新的设计需求。航空电子产品硬件功能的增加，也必然导致硬件复杂程度的不断增加，同时对元器件的选型、各种模块电路的可靠性、环境适应性设计也提出了新要求。而离散量信号电路作为航空电子电路的基本组成部分，已从传统较复杂的硬件电路逐步改进为简单、可靠的硬件电路，并在电路设计中，根据实际使用要求增加了过流保护功能电路，使离散量信号的设计电路更加简单、可靠、安全。
目前航空电子产品离散量信号处理电路均为典型电路，采用分立器件较多，个别器件在环境温度下存在电平不一致现象，由于电路的容差设计不影响产品的性能指标。根据Rockwell Collins公司研制的AFDC(Autopilot Flight Director Computer)资料手册。为实现高可靠性、安全性的电路设计，在满足硬件性能指标的前提下，尽量使电路实现简单，以提高产品的硬件可靠性指标。
基于上述需求，提出了一种简单、可靠、容差能力高的离散量信号电路设计，该电路功能实现简单易行，即满足硬件性能指标，又满足系统的实际使用要求。

1 典型离散量信号电路实现
典型的离散量处理电路示意框图如图1所示，图1中离散量输入电路各级电路使用独立器件较多，限幅电路在环境温度下，一致性较差。在系统交联复杂且离散量处理路数增加时，硬件电路设计占用板面大，集成度较低。

2 离散量输入信号电路设计和实现
通过对典型离散量处理电路的优化设计，结合国外电子产品的设计思路，提出了一种简单、可靠、容差能力高的离散量信号电路。该型电路不仅优化了电路设计，而且实现原理简单，可靠性高，响应速度快等特点，电路功能框图如图2所示。

2．1 电路原理实现
2．1．1 地／开离散量输入信号
地／开离散量输入信号设计原理如图3所示，该电路利用巧妙的电阻分压网络实现电平转换，并结合后级缓冲处理电路施密特触发器的电路特性，使该电路在克服电阻温度特性变化大的同时，实现更加简单，且提高了电路的容差能力。
2．1．2 28 V／开离散量输入信号
28 V／开离散量输入信号设计原理如图4所示，该电路同样利用电阻分压网络实现电平转换，原理实现与地／开离散量输入信号相似，不同之处为电阻分压网络比例值。

2．2 电路分析计算
2．2．1 地／开离散量输入电路分析计算
图3中缓冲处理电路使用SNJ54HCT14J施密特触发器，根据该芯片的关键数据参数，并结合该电路在实际环境中的使用情况。提出并计算出测试验证条件见表1，结合表1数据对该型电路的设计参数分析如表1所示。

1)施密特触发器的高电平触发门限为：1．2V≤VT+≤1．9V；
2)低电平触发门限为：0．5 V≤VT-≤1．2 V；
3)表2中“开”状态的电平转换电压为3．4 V≤VI≤11．1 V，满足高电平触发门限。“地”状态假设3．5 V≤GND(V)≤10．8 V，仿真计算电压范围为-3．9 V≤VI≤0．48 V，满足低电平触发门限。

4)输入嵌位电流计算：表2中的值为理论计算值，由于SNJ54HCT14J的输入嵌位电路作用，V1的实际嵌位电压VIK：-0．5 V≤VIK≤+5．5 V，当承受最大正向电压VIMAX=5．5 V时，最大正向输入电流为IIK=(VI-VIK)／R40+R41=(32-5．5)／(100+15)=0．23 mA，当承受最大负向电压VIMAX=-0．5 V时，最大反向输入电流为IIK=(VI-VIK)／R42=(-0．5-(-5．5))／150=0．1 mA，均满足芯片使用要求。
2．2．2 28 V／开离散量输入分析计算
图4电路实现的功能及使用的芯片与地／开离散量输入信号相同，根据电路在实际应用环境下的使用情况，提出并计算出测试验证条件见表2，由于与地／开离散量输入使用的芯片相同，因此数据参数也完全一致，主要结合表2中的“开路”状态，对出现负值电压的情况下，是否满足实际使用。
根据芯片的数据手册，当VI电压出现VI>VCC或VI0的情况时，SNJ54HCT14J芯片内部设有Input clamp current(输入嵌位电流限制)，即具有IIK(VI0 or VI>VCC)的保护电路，手册规定Input clamp current≤±20 mA。
表2中的负值电压为理论计算值，由于芯片本身的嵌位电路作用，VI的实际嵌位电压VIK：-0．5 V≤VIK≤+5．5 V，当承受最大正向电压VIMAX=5．5 V时，最大正向输入电流为IIK=(32-5．5)／100=0．265 mA，当承受最大负向电压VIMAX=-0．5 V时，最大反向输入电流为IIK=(-0．5-(-15))／130=0．112 mA，均满足芯片使用要求。

3 离散量输出信号电路设计和实现
针对典型离散量输出电路的输出特性，并结合实际使用情况，对地／开离散量输出信号进行简化设计，并增加了过流保护功能，当负载过大或出现短路时，离散量输出会自动关闭输出，起到保护作用。该项功能可以有效地降低产品的故障率，并提高系统的安全性，同时也大大降低了产品的维护成本，功能框图如图5所示。