一种航空发动机转速测量电路

荆立雄

摘要：发动机转速对于飞机而言是一个非常重要的信息，关系到飞行的安全。针对飞机发动机转速的测量必须应用到频率采集电路，该文就一种可使用范围较广的频率采集电路为研究对象，论述了频率采集电路的硬件原理，针对关键的技术实现进行计算分析，通过仿真的手段及在实际电路应用中采集值与实际施加频率的对比，对该频率采集电路进行验证，实验结果证明，该频率采集电路在实际应用中效果比较良好，能比较精确的获取频率信息。

关键词：发动机转速测量；频率采集；比较器

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）36-0121-02

Abstract： Engine speed is very important information for aircraft，which related to the safety of flight.A frequency acquisition circuit is essential formeasuring aircraft engine speed.This paper discuss the hardware schematic of a wider applicable range frequency acquisition circult.We make somecalculations and analyses on the key techniques.This frequency acquisition circuit has been validated by means of simulation and comparing the acquisition value with the actual frequency of the applied in practical application.Experimental result show that this frequency acquisition circuithas a good performance in practical application and get frequency information accurately.

Key words： engine speed measurement； frequency acquisition； comparator

1 概述

在当今计算机技术迅猛发展的环境下，计算机对于飞机的自动化控制起到了巨大的推动作用，飞机上的仪表设备正在向多电式，全电式发展[1]。飞机发动机的转速对于飞机而言是一个非常重要的信息，在飞机的起飞，巡航及降落的过程中，飞机发动机的转速都是飞行员驾驶操作的重要依据。然而在不同类型，不同用途，不同大小的飞机上，所安装的发动机也不尽相同，因此所采集的频率值及频率的幅值范围也种类繁多，为了适应不同的频率范围及幅值范围，希望设计一种可通用的，适应各种工况的频率采集电路，以满足不同的使用要求，同时使用通用标准的电路也有利于提高机载设备的测试性，可靠性及维护性。

2 电路方案

本文所论述的频率采集电路，是为了解决飞机的机电系统，对航空器在工作过程中的频率采集需求而设计的，在实际应用中应满足比较高的精度要求，同时要求电路应具有比较高的可靠性。

在该频率采集电路的前端为频率信号调理电路，后端为基于FPGA及DSP实现的频率计算处理。在电路的前端将采集到的频率信号通过调理，放大，迟滞比较，去除负电压四步，转换为标准的矩形波信号，通过后端的FPGA及标准的晶振时钟对矩形波计数，然后将计数结果发送给DSP进行分析处理。图1为频率采集电路流程框图。

2.1 频率采集电路前端调理电路

频率采集电路的前端调理电路担负着对输入的频率信号进行滤波，分压，限幅，放大，转换波形等模拟电路功能，其具体电路图如图2所示。

在频率采集电路的前端主要实现了以下四个功能：

1） 一阶RC滤波功能；

该功能由一个一阶RC低通滤波器（电阻R1，R2及电容C1构成）及一个一阶RC高通滤波器（电阻R7，R8及电容C2，C3构成）组合成带通滤波器。其中通频带的频率可由公式f=1/2得出，该带通滤波器的通频带即为高通滤波器及低通滤波器所夹成的频率范围，通过调整电阻R1，R2，R7，R8以及电容C1，C2，C3的参数即可改变滤波器的通频范围。

2） 共模信号抑制功能；

电容C2及C3使该电路具有通交流隔直流的功能，并通过R1，R7和R2，R8构成的分压电路对采集到的交流信号进行分压，保证输入运放的频率幅值不会超过运放的工作范围，同时对称的电路设计利用运放的共模抑制功能可将共模信号的影响降到最低。两个二极管V1与V2的功能是在频率输入端两端的差模电压大于0.7V的情况下，将输入电压钳位在0.7V。

3） 一阶运放信号放大功能；

使用AD620运放对电压信号进行放大，经过运算放大器后，将经过处理的频率信号幅值放大到合适的范围。电阻RG为增益电阻，接在AD620的1腿与8腿之间，使AD620对输入电压的增益为G。其中放大增益G的计算公式如下所示：

4） 迟滞比较功能

在本电路中采用迟滞比较器，为了提高迟滞比较器的稳定性和抗干扰性，可以更好的过零比较，比较器采用双极性设计。比较器将频率采集端采集到的频率波形，转化为标准的矩形波，这样方便于FPGA的计数处理。使用的比较器型号为LM193，该比较器的特性为，当输入电压大于比较电压时输出开路，当输入电压低于比较电压时输出的值为VDD的值，此处VDD为-15V+0.7V。

即当比较器的输入端（此处即LM193的第二腿）电压低于时，比较器输出-14.3V，当比较器的输入端电压高于时，比较器输出5V。比较器输出的矩形波经过电阻R7以及二极管V3，将矩形波波形的负电压部分滤掉。

2.2 频率采集电路后端计算处理电路

当频率信号经过频率采集电路前端调理电路，转换为标准的矩形波后，就可以被FPGA采集并处理了，当矩形波信号输入到FPGA的IO口时，通过FPGA内置的有限状态机（FSM）对方波的上升沿进行捕获，状态机对方波的高电平开始计数，同时状态机检测FPGA的标准时钟并计数，当方波再次出现上升沿时停止计数[2]，即可通过此处的计数值计算得出所采集的频率值。

3 测试结果分析

在实际电路测量过程中发现，该电路的采集结果符合设计构想，及带通滤波器的通频带设计，以及比较器的比较阈值设计，且采集精度符合预期。频率采集结果见表1。

参考文献：

[1] 白勇.基于FPGA的飞机轮速测量系统设计[J].微处理机，2011，32（3）：16-19.

[2] 侯维岩.一种基于图像处理的棒材计数测量系统的设计与实现[J].仪器仪表学报，2013（5）：1100-1106.