（中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

隨著目前航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機試驗時需要測量溫度、轉(zhuǎn)速、推力、電壓、振動、應(yīng)力、電流等上千個測點，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)計的航空發(fā)動機數(shù)采系統(tǒng)需要對大量不同廠家的設(shè)備進行同步采集。信號同步采集過程中需要對所有的測試模塊進行通信并提供一個標準頻率的同步脈沖觸發(fā)信號，以保證各類不同的設(shè)備能夠同時向數(shù)采系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)測試時間的一致性[1]。

當前常用的同步信號產(chǎn)生模塊驅(qū)動電流較低（50mA左右），僅能同時驅(qū)動5臺左右采集設(shè)備。同時在航空發(fā)動機試驗過程中，大量不同類型的設(shè)備運行容易產(chǎn)生相互干擾和電源波動，導致數(shù)據(jù)采集的時序不一致的情況出現(xiàn)。本文設(shè)計的同步信號隔離驅(qū)動器，能夠大幅度提高同步脈沖信號的驅(qū)動電流（50mA提高到2A），同時對電源、輸入信號、輸出信號三者之間進行了隔離，能夠有效解決測試設(shè)備增多后同步信號驅(qū)動能力不足以及互相干擾的問題。

1.同步信號隔離驅(qū)動器設(shè)計

針對同步信號產(chǎn)生模塊需要對大量測試設(shè)備提供一個標準頻率的同步脈沖觸發(fā)信號的需求，同步信號隔離驅(qū)動器（如圖1）整體設(shè)計框圖如圖2。同步信號隔離驅(qū)動器主要由隔離電源模塊、信號輸入模塊、信號隔離模塊、信號驅(qū)動模塊等組成[2]。其中隔離電源模塊是對整個設(shè)備前后的電路進行隔離供電，并對供電電源進行隔離，避免互相干擾；信號輸入模塊是對輸入信號進行限幅、濾波再轉(zhuǎn)換成標準的5V方波信號；信號隔離模塊是利用高速光耦將輸入輸出兩者之間進行模擬隔離；信號驅(qū)動模塊是在確保最終輸出為標準的TTL（+5V）電平信號的同時增大其相應(yīng)的驅(qū)動能力。

圖1 同步信號隔離驅(qū)動器實物圖

圖2 同步信號隔離驅(qū)動器設(shè)計框圖

2.電路設(shè)計

2.1 隔離電源模塊設(shè)計

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。同步信號隔離驅(qū)動器的電源電路如圖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輸入模塊以及信號驅(qū)動模塊進行供電，保證了外部供電、信號輸入模塊電源、信號驅(qū)動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級降低到uV級，確保了輸出電壓的穩(wěn)定性。D1為輸入部分的保護二級管，能夠在外電源接反的情況下保護電源電路的安全。

圖3 同步信號隔離驅(qū)動器電源電路設(shè)計

2.2 輸入模塊設(shè)計

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

圖4 同步信號隔離驅(qū)動器信號輸入模塊電路設(shè)計

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而帶來干擾。最終通過電壓比較器能夠準確地將輸入信號轉(zhuǎn)換成標準的方波信號。Q1為場效應(yīng)晶體管（FET）具有輸入阻抗高、驅(qū)動電流小、工作電流大等優(yōu)點，能夠提供最大0.1A的輸出電流。

2.3 信號隔離模塊設(shè)計

同步信號隔離驅(qū)動器的信號隔離模塊電路如圖5所示，信號隔離芯片選用的是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10MBit/s。該芯片采用兩路獨立電源供電能夠確保前后信號的模擬隔離，其轉(zhuǎn)換速度快能夠確保隔離前后信號的一致性。

圖5 同步信號隔離驅(qū)動器隔離電路設(shè)計

2.4 信號驅(qū)動輸出設(shè)計

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

圖6 同步信號隔離驅(qū)動器驅(qū)動模塊輸出設(shè)計

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計

同步信號隔離驅(qū)動器電路設(shè)計完成后，根據(jù)電路模型使用西門子公司的NX11軟件進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，同步信號隔離驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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，提升了機箱內(nèi)部的整體的空間利用率以及設(shè)備的可維護性。

圖7 同步信號隔離驅(qū)動器結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.應(yīng)用舉例

某發(fā)動機試車臺在試驗過程中，數(shù)采系統(tǒng)在僅能同時驅(qū)動5臺設(shè)備，再增加測試設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)采集信號不同步無法正常測量。將本文設(shè)計的同步信號隔離驅(qū)動器按照圖8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，本文設(shè)計的同步信號隔離驅(qū)動器仍然能夠正常驅(qū)動。

圖8 同步信號隔離驅(qū)動器應(yīng)用實例

5.結(jié)論

本文介紹的同步信號隔離驅(qū)動器能夠有效的解決同步信號隔離驅(qū)動能力不足、干擾嚴重等問題，目前已經(jīng)在我所多個航空發(fā)動機大規(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。