同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

隨著目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)需要測量溫度、轉(zhuǎn)速、推力、電壓、振動(dòng)、應(yīng)力、電流等上千個(gè)測點(diǎn)，往往需要使用數(shù)十種不同測量設(shè)備。而在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)采系統(tǒng)需要對(duì)大量不同廠家的設(shè)備進(jìn)行同步采集。信號(hào)同步采集過程中需要對(duì)所有的測試模塊進(jìn)行通信并提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率的同步脈沖觸發(fā)信號(hào)，以保證各類不同的設(shè)備能夠同時(shí)向數(shù)采系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)測試時(shí)間的一致性[1]。

當(dāng)前常用的同步信號(hào)產(chǎn)生模塊驅(qū)動(dòng)電流較低（50mA左右），僅能同時(shí)驅(qū)動(dòng)5臺(tái)左右采集設(shè)備。同時(shí)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，大量不同類型的設(shè)備運(yùn)行容易產(chǎn)生相互干擾和電源波動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的時(shí)序不一致的情況出現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)的同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器，能夠大幅度提高同步脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流（50mA提高到2A），同時(shí)對(duì)電源、輸入信號(hào)、輸出信號(hào)三者之間進(jìn)行了隔離，能夠有效解決測試設(shè)備增多后同步信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力不足以及互相干擾的問題。

1.同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

針對(duì)同步信號(hào)產(chǎn)生模塊需要對(duì)大量測試設(shè)備提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率的同步脈沖觸發(fā)信號(hào)的需求，同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器（如圖1）整體設(shè)計(jì)框圖如圖2。同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器主要由隔離電源模塊、信號(hào)輸入模塊、信號(hào)隔離模塊、信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊等組成[2]。其中隔離電源模塊是對(duì)整個(gè)設(shè)備前后的電路進(jìn)行隔離供電，并對(duì)供電電源進(jìn)行隔離，避免互相干擾；信號(hào)輸入模塊是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅、濾波再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的5V方波信號(hào)；信號(hào)隔離模塊是利用高速光耦將輸入輸出兩者之間進(jìn)行模擬隔離；信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊是在確保最終輸出為標(biāo)準(zhǔn)的TTL（+5V）電平信號(hào)的同時(shí)增大其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能力。

圖1 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

圖2 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)框圖

2.電路設(shè)計(jì)

2.1 隔離電源模塊設(shè)計(jì)

數(shù)采系統(tǒng)的供電為24V，電源電路需要將其轉(zhuǎn)換成器件工作所需的±5V，以及隔離輸出的5V。同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器的電源電路如圖3所示，采用了MICRODC公司的A1209XD電源模塊以及金升陽公司的WRB1215MT隔離電源模塊。將電源分成了兩路分別為信號(hào)輸入模塊以及信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行供電，保證了外部供電、信號(hào)輸入模塊電源、信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊電源之間的相互隔離。另外在電路的輸出部分加入了電容濾波再通過三端穩(wěn)壓集成電路輸出，使得電源紋波峰峰值從mV級(jí)降低到uV級(jí)，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性。D1為輸入部分的保護(hù)二級(jí)管，能夠在外電源接反的情況下保護(hù)電源電路的安全。

圖3 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器電源電路設(shè)計(jì)

2.2 輸入模塊設(shè)計(jì)

輸入的同步信號(hào)通常是一個(gè)低頻信號(hào)。信號(hào)輸入模塊電路如圖4所示，采用電阻、電容以及二極管對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行低通濾波和限幅，濾除輸入信號(hào)中的高頻干擾，同時(shí)對(duì)其限幅避免輸入信號(hào)中誤接入大電壓而造成器件損壞。U8是一個(gè)電壓比較器，其主要作用是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。假設(shè)其輸出高電平時(shí)的門檻電壓設(shè)為V+，輸出低電平時(shí)的門檻電壓設(shè)為V-，相應(yīng)門檻電壓的計(jì)算公式如下（圖中R46?R48）：

圖4 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入模塊電路設(shè)計(jì)

由上式可知，可以通過調(diào)整電阻的電阻值來改變門檻電壓，同時(shí)門檻電壓V+與V-不同，能夠有效的避免輸入電壓在門檻值附近波動(dòng)而帶來干擾。最終通過電壓比較器能夠準(zhǔn)確地將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。Q1為場效應(yīng)晶體管（FET）具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電流小、工作電流大等優(yōu)點(diǎn)，能夠提供最大0.1A的輸出電流。

2.3 信號(hào)隔離模塊設(shè)計(jì)

同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)隔離模塊電路如圖5所示，信號(hào)隔離芯片選用的是HCPL0600高速光耦芯片，其僅需15mA的輸入電流便可工作，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)10MBit/s。該芯片采用兩路獨(dú)立電源供電能夠確保前后信號(hào)的模擬隔離，其轉(zhuǎn)換速度快能夠確保隔離前后信號(hào)的一致性。

圖5 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器隔離電路設(shè)計(jì)

2.4 信號(hào)驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)計(jì)

經(jīng)過隔離變化后的信號(hào)需要增加其驅(qū)動(dòng)能力，其電路圖如圖6所示，采用TPS2814驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片能夠使得輸出的電流最大達(dá)到2A。如果按照不同設(shè)備平均驅(qū)動(dòng)電流為10mA計(jì)算，本設(shè)計(jì)能夠同時(shí)為超過100臺(tái)的測試設(shè)備提供同步信號(hào)，滿足目前大規(guī)模數(shù)采系統(tǒng)的測試需求；最后使用LED將同步信號(hào)分頻后輸出，這樣便能直觀的觀察到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖6 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)模塊輸出設(shè)計(jì)

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)電路模型使用西門子公司的NX11軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示，在滿足電路安裝固定的基礎(chǔ)上優(yōu)化布局設(shè)計(jì)，提升了機(jī)箱內(nèi)部的整體的空間利用率以及設(shè)備的可維護(hù)性。

圖7 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.應(yīng)用舉例

某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)在試驗(yàn)過程中，數(shù)采系統(tǒng)在僅能同時(shí)驅(qū)動(dòng)5臺(tái)設(shè)備，再增加測試設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)采集信號(hào)不同步無法正常測量。將本文設(shè)計(jì)的同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器按照?qǐng)D8接入后，設(shè)備均能正常同步觸發(fā)。后續(xù)隨著測試系統(tǒng)規(guī)模增大至幾十臺(tái)，本文設(shè)計(jì)的同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器仍然能夠正常驅(qū)動(dòng)。

圖8 同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用實(shí)例

5.結(jié)論

本文介紹的同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)器能夠有效的解決同步信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)能力不足、干擾嚴(yán)重等問題，目前已經(jīng)在我所多個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)大規(guī)模數(shù)采系統(tǒng)中應(yīng)用，圓滿完成了多次測試任務(wù)，并且可以推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域的數(shù)采系統(tǒng)中。