關(guān)鍵詞：信號(hào)分配；信號(hào)整形；轉(zhuǎn)速測(cè)量；機(jī)載測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TN606 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試過(guò)程中，由于空間復(fù)雜、結(jié)構(gòu)限制等因素?zé)o法加裝轉(zhuǎn)速傳感器用于飛行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中采用抽引并線測(cè)試進(jìn)行測(cè)量。轉(zhuǎn)速傳感器工作原理是采用磁電式傳感器[1-2]，通過(guò)轉(zhuǎn)子切割傳感器磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)信號(hào)輸出。此類(lèi)磁電式傳感器輸出阻抗較低，一般為幾十至幾百歐姆，并且發(fā)動(dòng)機(jī)存在環(huán)境復(fù)雜、傳輸線纜干擾等問(wèn)題，導(dǎo)致輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)波形畸變嚴(yán)重失真[3-4]。通過(guò)抽引測(cè)試的信號(hào)尤其需要注意其對(duì)原機(jī)傳感器測(cè)量的影響，不能產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)載效應(yīng)及干擾等，這些問(wèn)題在測(cè)試過(guò)程中亟待解決。

在目前的飛行測(cè)試領(lǐng)域中，轉(zhuǎn)速傳感器輸出的測(cè)量轉(zhuǎn)速頻率范圍較小，常規(guī)不超過(guò)5 000 Hz，并且由于轉(zhuǎn)速傳感器安裝誤差等因素，輸出信號(hào)中容易存在偏置信號(hào)，并且需要對(duì)偏置電壓進(jìn)行處理，從而帶來(lái)較大的測(cè)量延遲問(wèn)題[5-7]。同時(shí)根據(jù)新的改裝測(cè)試要求，為了獲取原始傳感器輸出的波形趨勢(shì)信號(hào)，需要對(duì)原始輸入信號(hào)進(jìn)行分路輸出與實(shí)時(shí)高精度采集，用以分析數(shù)據(jù)的趨勢(shì)狀態(tài)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

本文提出了一種用于飛行試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)分配及整形輸出的方法，主要解決抽引并線后加裝測(cè)試設(shè)備對(duì)原機(jī)傳感器輸出干擾、高精度低延遲的同步數(shù)字化整形等問(wèn)題。通過(guò)高阻抗輸入接口后，經(jīng)過(guò)緩沖電路、鉗位電路、濾波電路、整形電路、光耦電路等輸出兩類(lèi)信號(hào)，一類(lèi)是與原始輸入信號(hào)相同（幅值、相位）的輸出共2 路；另外一類(lèi)是輸出與輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)同頻率、同相位的正脈沖信號(hào)共6 路。

1 轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)

機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器通過(guò)抽引的方式，直接為轉(zhuǎn)速信號(hào)分配整形設(shè)備提供1 路原始輸入信號(hào)輸入，因此需要高阻抗接口來(lái)實(shí)現(xiàn)最小的負(fù)載效應(yīng)，以減少加裝測(cè)試設(shè)備對(duì)原機(jī)傳感器輸出干擾。經(jīng)過(guò)整形設(shè)備輸出的信號(hào)分為兩種信號(hào)類(lèi)型，一種是與原始輸入信號(hào)波形相同的信號(hào)，用于對(duì)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)機(jī)載測(cè)試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集記錄；另一種是輸出5 V 正脈沖信號(hào)，用于頻率計(jì)數(shù)。轉(zhuǎn)速信號(hào)分配整形設(shè)備從功能上主要由6 個(gè)部分組成，轉(zhuǎn)速信號(hào)分配整形設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。輸入的被測(cè)信號(hào)為非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率范圍為92 ～ 11 300 Hz，輸入電壓為0.57 ～ 14 V。輸出信號(hào)精度為滿(mǎn)量程（full scale，F(xiàn)S）的0.01%，延遲小于20 μs，輸出5 V 正脈沖信號(hào)6 路，原始波形2 路。

2 信號(hào)分配整形設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)

2.1 輸入緩沖電路設(shè)計(jì)

為了保證輸出2 路信號(hào)與原始輸入信號(hào)的波形完全相同，根據(jù)頻率要求及延遲特性，選擇高性能四通道緩沖器進(jìn)行輸出處理。將輸入信號(hào)接入第一路緩沖信號(hào)后，輸出的信號(hào)在經(jīng)過(guò)緩沖器后形成3路信號(hào)，其中2 路用于輸出與原始傳感器相同的輸入信號(hào)，1 路用來(lái)為后端信號(hào)整形電路提供輸入。高阻抗輸入緩沖器不會(huì)對(duì)輸入信號(hào)造成負(fù)載效應(yīng)，保護(hù)了原始輸入信號(hào)。緩沖器采用運(yùn)算放大器電路進(jìn)行搭建，并根據(jù)信號(hào)傳輸速率、精度的要求，選擇了低功耗場(chǎng)效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）輸入型運(yùn)算放大器。由于需要進(jìn)行多分路輸出，選用了單片集成四通道的運(yùn)放芯片，將其設(shè)計(jì)為電壓跟隨器的形式，從而形成4 路單位增益緩沖器，實(shí)現(xiàn)了高阻抗的輸入，再通過(guò)分路輸出，形成3 路與原始輸入信號(hào)相同的輸出信號(hào)供后端直接使用。

2.2 電壓鉗位電路和濾波電路設(shè)計(jì)

由于輸入電壓范圍較寬，需要先后對(duì)輸入電壓進(jìn)行鉗位和后端信號(hào)處理。在設(shè)計(jì)中，首先采用較大的電阻對(duì)輸入電壓進(jìn)行降壓分壓，其次使用雙向二極管對(duì)輸入電壓進(jìn)行鉗位保護(hù)，最后通過(guò)反向放大器將鉗位后的二極管進(jìn)行固定增益放大，為后端整形電路提供穩(wěn)定的輸入。此外，在整形比較前，需要對(duì)電路中存在的高頻干擾信號(hào)進(jìn)行有效濾波。采用低通濾波器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，將信號(hào)中的干擾雜波濾除。

2.3 整形電路和光耦電路設(shè)計(jì)

整形電路是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的精密比較器，在增加施密特特性（帶有閾值電壓和滯回區(qū)間的電壓比較器）后，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形。將比較器的輸出引至比較器形成正反饋。回差特性可以消除輸出信號(hào)在跳邊沿出的抖動(dòng)現(xiàn)象。

輸出信號(hào)為符合互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）電平的脈沖信號(hào)，同時(shí)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)在電氣上完全隔離，設(shè)計(jì)中采用光電隔離的方式。光耦電路由一只光電耦合器構(gòu)成，配合前端三極管觸發(fā)電路和后端電平輸出電路共同保證輸出符合技術(shù)要求。通過(guò)光耦實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的電氣隔離，并在輸出端采用隔離電源進(jìn)行供電，保證CMOS 電平輸出電路能輸出標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 電平信號(hào)。

2.4 設(shè)備二次供電電源設(shè)計(jì)

對(duì)于測(cè)試類(lèi)加裝的機(jī)載設(shè)備來(lái)說(shuō)，多采用機(jī)上測(cè)試專(zhuān)用直流電源對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行一次供電。然而根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，一般電子設(shè)備內(nèi)部工作電源需要的電壓、電平各不相同。同時(shí)為了保護(hù)設(shè)備長(zhǎng)期的工作安全，避免機(jī)上電源中各類(lèi)雜波串?dāng)_等干擾，在設(shè)備電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)上，需要采用電磁兼容屏蔽、電源系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)的方式，以保證電子電路工作電源的穩(wěn)定與精度。本設(shè)計(jì)需要使用±15 V 電源和+5 V 電源共3 種電源電平，并且要求±15 V 電源與+5 V 電源之間也具備相互隔離的特性，從而保證模擬電源不會(huì)在數(shù)字輸出與電源之間形成串?dāng)_，提高電源品質(zhì)。

3 設(shè)備功能與性能測(cè)試分析

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)電路設(shè)計(jì)、印制電路板（printed circuit board，PCB） 設(shè)計(jì)、焊接裝配、調(diào)試等環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)室搭建了本設(shè)備的完整功能測(cè)試環(huán)境。輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)，使用函數(shù)發(fā)生器進(jìn)行信號(hào)模擬。在各種交流波形狀態(tài)下，測(cè)試經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)分配整形設(shè)備處理后的輸出原始輸入信號(hào)波形和正脈沖信號(hào)，測(cè)量結(jié)果采用臺(tái)式多功能數(shù)字表和示波器進(jìn)行分析。

采用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生交流波形信號(hào)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，轉(zhuǎn)速越高，磁電式傳感器切割磁力線的頻率越快，產(chǎn)生的輸出電壓幅值也就越高。將信號(hào)輸入幅度與頻率進(jìn)行匹配，模擬轉(zhuǎn)速傳感器隨著頻率的提高輸出幅值也同步增大的趨勢(shì)，其中輸出幅值為0.57 ～ 14 Vp，頻率為92 ～ 11 300 Hz。分別通過(guò)變頻、變幅依次測(cè)量原始輸入信號(hào)輸出、正脈沖輸出的頻率與延遲數(shù)據(jù)。表1 為測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1 可知，原始輸出信號(hào)頻率與正脈沖輸出波形頻率的測(cè)量結(jié)果均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，頻率誤差精度最大為0.001%；最大延遲在信號(hào)輸入頻率最低、輸入幅值最小時(shí)，原始輸出延遲1.0 μs，正脈沖輸出延遲10.0 μs。

為了檢測(cè)本設(shè)備輸出整形之后的波形與原始輸入信號(hào)之間的延遲以及波形幅值等之間的關(guān)系，通過(guò)示波器抓拍原始輸入信號(hào)和整形隔離光耦輸出的正脈沖輸出波形。圖2 中規(guī)則交流波形為原始輸入信號(hào)，由函數(shù)發(fā)生器輸入；規(guī)則正脈沖輸出波形為經(jīng)過(guò)信號(hào)整形輸出后的5 V 方波，圖中測(cè)試點(diǎn)為輸入信號(hào)且設(shè)置為10 Vp /11.3 kHz 正弦波，即測(cè)試了輸入信號(hào)中最大信號(hào)頻率時(shí)刻的波形對(duì)比。需要注意的是，由于電路中采用了隔離光耦與隔離電源的設(shè)計(jì)，正脈沖輸出波形與輸入信號(hào)不屬于同一個(gè)電源地線網(wǎng)絡(luò)，因此在示波器測(cè)試過(guò)程中，需要一路采用電壓隔離探頭進(jìn)行波形捕捉。

通過(guò)對(duì)比圖2 中的輸入交流信號(hào)波形與經(jīng)過(guò)整形隔離輸出的正脈沖輸出波形可知，正脈沖輸出波形幅值為標(biāo)準(zhǔn)5 V，延遲誤差經(jīng)過(guò)示波器測(cè)量為5.861 μs，相位與輸入信號(hào)一致，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

由以上結(jié)果分析可知，本設(shè)計(jì)思路合理可行，分別符合發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)分配整形測(cè)試、機(jī)載測(cè)試對(duì)電子設(shè)備精度延遲的要求。目前該設(shè)計(jì)已應(yīng)用在某發(fā)動(dòng)機(jī)試飛測(cè)試項(xiàng)目中，并且獲取了大量的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)測(cè)時(shí)，需要對(duì)原機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的原始輸出進(jìn)行分路和整形輸出的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種同步信號(hào)分配、整形的測(cè)量轉(zhuǎn)換方法，輸出與原始輸入信號(hào)相同的信號(hào)和正脈沖信號(hào)，將其用于后端采集設(shè)備測(cè)試。采用直接從前端傳感器抽取信號(hào)的方法，以不影響原機(jī)測(cè)試信號(hào)鏈路的安全為前提，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換、處理、光耦隔離等措施，保證了加裝測(cè)試信號(hào)的獲取滿(mǎn)足信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求。測(cè)試數(shù)據(jù)表明本設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足機(jī)載測(cè)試設(shè)備的精度和延遲等要求。本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)備已經(jīng)裝機(jī)并用于飛行測(cè)試，其滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證要求，獲取了可靠的數(shù)據(jù)參數(shù)，可用于類(lèi)似轉(zhuǎn)速、流量等傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換場(chǎng)景。