一种发动机转速信号分配整形设计

关键词：信号分配；信号整形；转速测量；机载测试

中图分类号：TN606 文献标识码：A

0 引言

在发动机测试过程中，由于空间复杂、结构限制等因素无法加装转速传感器用于飞行试验测试，测试过程中采用抽引并线测试进行测量。转速传感器工作原理是采用磁电式传感器[1-2]，通过转子切割传感器磁力线产生电动势信号输出。此类磁电式传感器输出阻抗较低，一般为几十至几百欧姆，并且发动机存在环境复杂、传输线缆干扰等问题，导致输出的转速信号波形畸变严重失真[3-4]。通过抽引测试的信号尤其需要注意其对原机传感器测量的影响，不能产生过大的负载效应及干扰等，这些问题在测试过程中亟待解决。

在目前的飞行测试领域中，转速传感器输出的测量转速频率范围较小，常规不超过5 000 Hz，并且由于转速传感器安装误差等因素，输出信号中容易存在偏置信号，并且需要对偏置电压进行处理，从而带来较大的测量延迟问题[5-7]。同时根据新的改装测试要求，为了获取原始传感器输出的波形趋势信号，需要对原始输入信号进行分路输出与实时高精度采集，用以分析数据的趋势状态，然后进行数据回放，及时发现问题。

本文提出了一种用于飞行试验中发动机转速信号分配及整形输出的方法，主要解决抽引并线后加装测试设备对原机传感器输出干扰、高精度低延迟的同步数字化整形等问题。通过高阻抗输入接口后，经过缓冲电路、钳位电路、滤波电路、整形电路、光耦电路等输出两类信号，一类是与原始输入信号相同（幅值、相位）的输出共2 路；另外一类是输出与输入转速信号同频率、同相位的正脉冲信号共6 路。

1 转速信号测量系统

机上发动机转速传感器通过抽引的方式，直接为转速信号分配整形设备提供1 路原始输入信号输入，因此需要高阻抗接口来实现最小的负载效应，以减少加装测试设备对原机传感器输出干扰。经过整形设备输出的信号分为两种信号类型，一种是与原始输入信号波形相同的信号，用于对电压进行实时采集，通过机载测试设备进行数据采集记录；另一种是输出5 V 正脉冲信号，用于频率计数。转速信号分配整形设备从功能上主要由6 个部分组成，转速信号分配整形设备系统结构框图如图1 所示。输入的被测信号为非标准正弦波，频率范围为92 ～ 11 300 Hz，输入电压为0.57 ～ 14 V。输出信号精度为满量程（full scale，FS）的0.01%，延迟小于20 μs，输出5 V 正脉冲信号6 路，原始波形2 路。

2 信号分配整形设备模块化设计

2.1 输入缓冲电路设计

为了保证输出2 路信号与原始输入信号的波形完全相同，根据频率要求及延迟特性，选择高性能四通道缓冲器进行输出处理。将输入信号接入第一路缓冲信号后，输出的信号在经过缓冲器后形成3路信号，其中2 路用于输出与原始传感器相同的输入信号，1 路用来为后端信号整形电路提供输入。高阻抗输入缓冲器不会对输入信号造成负载效应，保护了原始输入信号。缓冲器采用运算放大器电路进行搭建，并根据信号传输速率、精度的要求，选择了低功耗场效应晶体管（field effect transistor，FET）输入型运算放大器。由于需要进行多分路输出，选用了单片集成四通道的运放芯片，将其设计为电压跟随器的形式，从而形成4 路单位增益缓冲器，实现了高阻抗的输入，再通过分路输出，形成3 路与原始输入信号相同的输出信号供后端直接使用。

2.2 电压钳位电路和滤波电路设计

由于输入电压范围较宽，需要先后对输入电压进行钳位和后端信号处理。在设计中，首先采用较大的电阻对输入电压进行降压分压，其次使用双向二极管对输入电压进行钳位保护，最后通过反向放大器将钳位后的二极管进行固定增益放大，为后端整形电路提供稳定的输入。此外，在整形比较前，需要对电路中存在的高频干扰信号进行有效滤波。采用低通滤波器电路结构进行处理，将信号中的干扰杂波滤除。

2.3 整形电路和光耦电路设计

整形电路是由运算放大器构成的精密比较器，在增加施密特特性（带有阈值电压和滞回区间的电压比较器）后，对输入信号进行整形。将比较器的输出引至比较器形成正反馈。回差特性可以消除输出信号在跳边沿出的抖动现象。

输出信号为符合互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）电平的脉冲信号，同时输入信号和输出信号在电气上完全隔离，设计中采用光电隔离的方式。光耦电路由一只光电耦合器构成，配合前端三极管触发电路和后端电平输出电路共同保证输出符合技术要求。通过光耦实现输入信号与输出信号的电气隔离，并在输出端采用隔离电源进行供电，保证CMOS 电平输出电路能输出标准的CMOS 电平信号。

2.4 设备二次供电电源设计

对于测试类加装的机载设备来说，多采用机上测试专用直流电源对测试设备进行一次供电。然而根据电路设计要求，一般电子设备内部工作电源需要的电压、电平各不相同。同时为了保护设备长期的工作安全，避免机上电源中各类杂波串扰等干扰，在设备电源转换设计上，需要采用电磁兼容屏蔽、电源系统隔离设计的方式，以保证电子电路工作电源的稳定与精度。本设计需要使用±15 V 电源和+5 V 电源共3 种电源电平，并且要求±15 V 电源与+5 V 电源之间也具备相互隔离的特性，从而保证模拟电源不会在数字输出与电源之间形成串扰，提高电源品质。

3 设备功能与性能测试分析

根据上述的设计过程，通过电路设计、印制电路板（printed circuit board，PCB） 设计、焊接装配、调试等环节，在实验室搭建了本设备的完整功能测试环境。输入信号为转速传感器输出信号，使用函数发生器进行信号模拟。在各种交流波形状态下，测试经过转速信号分配整形设备处理后的输出原始输入信号波形和正脉冲信号，测量结果采用台式多功能数字表和示波器进行分析。

采用函数发生器产生交流波形信号，根据发动机工作转速传感器的工作原理，转速越高，磁电式传感器切割磁力线的频率越快，产生的输出电压幅值也就越高。将信号输入幅度与频率进行匹配，模拟转速传感器随着频率的提高输出幅值也同步增大的趋势，其中输出幅值为0.57 ～ 14 Vp，频率为92 ～ 11 300 Hz。分别通过变频、变幅依次测量原始输入信号输出、正脉冲输出的频率与延迟数据。表1 为测试试验数据。

由表1 可知，原始输出信号频率与正脉冲输出波形频率的测量结果均满足设计要求，频率误差精度最大为0.001%；最大延迟在信号输入频率最低、输入幅值最小时，原始输出延迟1.0 μs，正脉冲输出延迟10.0 μs。

为了检测本设备输出整形之后的波形与原始输入信号之间的延迟以及波形幅值等之间的关系，通过示波器抓拍原始输入信号和整形隔离光耦输出的正脉冲输出波形。图2 中规则交流波形为原始输入信号，由函数发生器输入；规则正脉冲输出波形为经过信号整形输出后的5 V 方波，图中测试点为输入信号且设置为10 Vp /11.3 kHz 正弦波，即测试了输入信号中最大信号频率时刻的波形对比。需要注意的是，由于电路中采用了隔离光耦与隔离电源的设计，正脉冲输出波形与输入信号不属于同一个电源地线网络，因此在示波器测试过程中，需要一路采用电压隔离探头进行波形捕捉。

通过对比图2 中的输入交流信号波形与经过整形隔离输出的正脉冲输出波形可知，正脉冲输出波形幅值为标准5 V，延迟误差经过示波器测量为5.861 μs，相位与输入信号一致，满足设计要求。

由以上结果分析可知，本设计思路合理可行，分别符合发动机转速传感器信号分配整形测试、机载测试对电子设备精度延迟的要求。目前该设计已应用在某发动机试飞测试项目中，并且获取了大量的数据。

4 结语

针对新型发动机性能评测时，需要对原机转速传感器的原始输出进行分路和整形输出的实际应用问题，设计了一种同步信号分配、整形的测量转换方法，输出与原始输入信号相同的信号和正脉冲信号，将其用于后端采集设备测试。采用直接从前端传感器抽取信号的方法，以不影响原机测试信号链路的安全为前提，通过信号转换、处理、光耦隔离等措施，保证了加装测试信号的获取满足信号实时性的要求。测试数据表明本设计能够满足机载测试设备的精度和延迟等要求。本设计的产品设备已经装机并用于飞行测试，其满足测试系统验证要求，获取了可靠的数据参数，可用于类似转速、流量等传感器信号转换场景。