一種發動機轉速信號分配整形設計

關鍵詞：信號分配；信號整形；轉速測量；機載測試

中圖分類號：TN606 文獻標識碼：A

0 引言

在發動機測試過程中，由于空間復雜、結構限制等因素無法加裝轉速傳感器用于飛行試驗測試，測試過程中采用抽引并線測試進行測量。轉速傳感器工作原理是采用磁電式傳感器[1-2]，通過轉子切割傳感器磁力線產生電動勢信號輸出。此類磁電式傳感器輸出阻抗較低，一般為幾十至幾百歐姆，并且發動機存在環境復雜、傳輸線纜干擾等問題，導致輸出的轉速信號波形畸變嚴重失真[3-4]。通過抽引測試的信號尤其需要注意其對原機傳感器測量的影響，不能產生過大的負載效應及干擾等，這些問題在測試過程中亟待解決。

在目前的飛行測試領域中，轉速傳感器輸出的測量轉速頻率范圍較小，常規不超過5 000 Hz，并且由于轉速傳感器安裝誤差等因素，輸出信號中容易存在偏置信號，并且需要對偏置電壓進行處理，從而帶來較大的測量延遲問題[5-7]。同時根據新的改裝測試要求，為了獲取原始傳感器輸出的波形趨勢信號，需要對原始輸入信號進行分路輸出與實時高精度采集，用以分析數據的趨勢狀態，然后進行數據回放，及時發現問題。

本文提出了一種用于飛行試驗中發動機轉速信號分配及整形輸出的方法，主要解決抽引并線后加裝測試設備對原機傳感器輸出干擾、高精度低延遲的同步數字化整形等問題。通過高阻抗輸入接口后，經過緩沖電路、鉗位電路、濾波電路、整形電路、光耦電路等輸出兩類信號，一類是與原始輸入信號相同（幅值、相位）的輸出共2 路；另外一類是輸出與輸入轉速信號同頻率、同相位的正脈沖信號共6 路。

1 轉速信號測量系統

機上發動機轉速傳感器通過抽引的方式，直接為轉速信號分配整形設備提供1 路原始輸入信號輸入，因此需要高阻抗接口來實現最小的負載效應，以減少加裝測試設備對原機傳感器輸出干擾。經過整形設備輸出的信號分為兩種信號類型，一種是與原始輸入信號波形相同的信號，用于對電壓進行實時采集，通過機載測試設備進行數據采集記錄；另一種是輸出5 V 正脈沖信號，用于頻率計數。轉速信號分配整形設備從功能上主要由6 個部分組成，轉速信號分配整形設備系統結構框圖如圖1 所示。輸入的被測信號為非標準正弦波，頻率范圍為92 ～ 11 300 Hz，輸入電壓為0.57 ～ 14 V。輸出信號精度為滿量程（full scale，FS）的0.01%，延遲小于20 μs，輸出5 V 正脈沖信號6 路，原始波形2 路。

2 信號分配整形設備模塊化設計

2.1 輸入緩沖電路設計

為了保證輸出2 路信號與原始輸入信號的波形完全相同，根據頻率要求及延遲特性，選擇高性能四通道緩沖器進行輸出處理。將輸入信號接入第一路緩沖信號后，輸出的信號在經過緩沖器后形成3路信號，其中2 路用于輸出與原始傳感器相同的輸入信號，1 路用來為后端信號整形電路提供輸入。高阻抗輸入緩沖器不會對輸入信號造成負載效應，保護了原始輸入信號。緩沖器采用運算放大器電路進行搭建，并根據信號傳輸速率、精度的要求，選擇了低功耗場效應晶體管（field effect transistor，FET）輸入型運算放大器。由于需要進行多分路輸出，選用了單片集成四通道的運放芯片，將其設計為電壓跟隨器的形式，從而形成4 路單位增益緩沖器，實現了高阻抗的輸入，再通過分路輸出，形成3 路與原始輸入信號相同的輸出信號供后端直接使用。

2.2 電壓鉗位電路和濾波電路設計

由于輸入電壓范圍較寬，需要先后對輸入電壓進行鉗位和后端信號處理。在設計中，首先采用較大的電阻對輸入電壓進行降壓分壓，其次使用雙向二極管對輸入電壓進行鉗位保護，最后通過反向放大器將鉗位后的二極管進行固定增益放大，為后端整形電路提供穩定的輸入。此外，在整形比較前，需要對電路中存在的高頻干擾信號進行有效濾波。采用低通濾波器電路結構進行處理，將信號中的干擾雜波濾除。

2.3 整形電路和光耦電路設計

整形電路是由運算放大器構成的精密比較器，在增加施密特特性（帶有閾值電壓和滯回區間的電壓比較器）后，對輸入信號進行整形。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在跳邊沿出的抖動現象。

輸出信號為符合互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）電平的脈沖信號，同時輸入信號和輸出信號在電氣上完全隔離，設計中采用光電隔離的方式。光耦電路由一只光電耦合器構成，配合前端三極管觸發電路和后端電平輸出電路共同保證輸出符合技術要求。通過光耦實現輸入信號與輸出信號的電氣隔離，并在輸出端采用隔離電源進行供電，保證CMOS 電平輸出電路能輸出標準的CMOS 電平信號。

2.4 設備二次供電電源設計

對于測試類加裝的機載設備來說，多采用機上測試專用直流電源對測試設備進行一次供電。然而根據電路設計要求，一般電子設備內部工作電源需要的電壓、電平各不相同。同時為了保護設備長期的工作安全，避免機上電源中各類雜波串擾等干擾，在設備電源轉換設計上，需要采用電磁兼容屏蔽、電源系統隔離設計的方式，以保證電子電路工作電源的穩定與精度。本設計需要使用±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在數字輸出與電源之間形成串擾，提高電源品質。

3 設備功能與性能測試分析

根據上述的設計過程，通過電路設計、印制電路板（printed circuit board，PCB） 設計、焊接裝配、調試等環節，在實驗室搭建了本設備的完整功能測試環境。輸入信號為轉速傳感器輸出信號，使用函數發生器進行信號模擬。在各種交流波形狀態下，測試經過轉速信號分配整形設備處理后的輸出原始輸入信號波形和正脈沖信號，測量結果采用臺式多功能數字表和示波器進行分析。

采用函數發生器產生交流波形信號，根據發動機工作轉速傳感器的工作原理，轉速越高，磁電式傳感器切割磁力線的頻率越快，產生的輸出電壓幅值也就越高。將信號輸入幅度與頻率進行匹配，模擬轉速傳感器隨著頻率的提高輸出幅值也同步增大的趨勢，其中輸出幅值為0.57 ～ 14 Vp，頻率為92 ～ 11 300 Hz。分別通過變頻、變幅依次測量原始輸入信號輸出、正脈沖輸出的頻率與延遲數據。表1 為測試試驗數據。

由表1 可知，原始輸出信號頻率與正脈沖輸出波形頻率的測量結果均滿足設計要求，頻率誤差精度最大為0.001%；最大延遲在信號輸入頻率最低、輸入幅值最小時，原始輸出延遲1.0 μs，正脈沖輸出延遲10.0 μs。

為了檢測本設備輸出整形之后的波形與原始輸入信號之間的延遲以及波形幅值等之間的關系，通過示波器抓拍原始輸入信號和整形隔離光耦輸出的正脈沖輸出波形。圖2 中規則交流波形為原始輸入信號，由函數發生器輸入；規則正脈沖輸出波形為經過信號整形輸出后的5 V 方波，圖中測試點為輸入信號且設置為10 Vp /11.3 kHz 正弦波，即測試了輸入信號中最大信號頻率時刻的波形對比。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計，正脈沖輸出波形與輸入信號不屬于同一個電源地線網絡，因此在示波器測試過程中，需要一路采用電壓隔離探頭進行波形捕捉。

通過對比圖2 中的輸入交流信號波形與經過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準5 V，延遲誤差經過示波器測量為5.861 μs，相位與輸入信號一致，滿足設計要求。

由以上結果分析可知，本設計思路合理可行，分別符合發動機轉速傳感器信號分配整形測試、機載測試對電子設備精度延遲的要求。目前該設計已應用在某發動機試飛測試項目中，并且獲取了大量的數據。

4 結語

針對新型發動機性能評測時，需要對原機轉速傳感器的原始輸出進行分路和整形輸出的實際應用問題，設計了一種同步信號分配、整形的測量轉換方法，輸出與原始輸入信號相同的信號和正脈沖信號，將其用于后端采集設備測試。采用直接從前端傳感器抽取信號的方法，以不影響原機測試信號鏈路的安全為前提，通過信號轉換、處理、光耦隔離等措施，保證了加裝測試信號的獲取滿足信號實時性的要求。測試數據表明本設計能夠滿足機載測試設備的精度和延遲等要求。本設計的產品設備已經裝機并用于飛行測試，其滿足測試系統驗證要求，獲取了可靠的數據參數，可用于類似轉速、流量等傳感器信號轉換場景。