施天宇，楊照坤，林希寧

（深圳技術(shù)大學(xué)中德智能制造學(xué)院，廣東深圳 518118）

0 引言

HUMS 系統(tǒng)全稱直升機(jī)健康狀態(tài)與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Healthy and Usage Monitoring Systems）[1]，主要用于監(jiān)測(cè)機(jī)上三大動(dòng)部件（旋翼系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)）及機(jī)體的振動(dòng)，為地面系統(tǒng)給出部件的使用狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)上重要關(guān)鍵部件的損傷累積分析提供數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)直升機(jī)使用監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、故障診斷、有壽件壽命監(jiān)控、故障定位等艦基和陸基的保障提供數(shù)據(jù)支持，為飛行安全保障及日常使用維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。HUMS 在國外已有將近40 年研究歷史，1991 年，英國北海直升機(jī)公司研發(fā)安裝了首套HUMS，并隨后制定了各類HUMS 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，我國HUMS系統(tǒng)研究發(fā)展時(shí)間較短，目前裝備的機(jī)型種類和數(shù)量都十分有限，相關(guān)設(shè)計(jì)和飛行經(jīng)驗(yàn)還十分欠缺[3]。HUMS系統(tǒng)配套多路振動(dòng)傳感器，監(jiān)測(cè)多處部件，對(duì)于振動(dòng)傳感器輸出的信號(hào)在HUMS系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行超限閾值判定[4]。機(jī)上輸出的振動(dòng)信號(hào)為模擬信號(hào)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前需通過ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，而機(jī)上信號(hào)帶有偏置信號(hào)以及各種干擾波形，因此需要通過前端調(diào)理電路對(duì)傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，而差分驅(qū)動(dòng)電路則是調(diào)理電路的最后一步。本文主要提出應(yīng)用在ADS1278模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的前端差分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際硬件設(shè)計(jì)調(diào)試過程中遇到的多通道信號(hào)輸出誤差問題，進(jìn)行弱交直流信號(hào)輸入仿真，對(duì)誤差問題進(jìn)行分析研究。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原理

振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路用于實(shí)現(xiàn)機(jī)上多路振動(dòng)信號(hào)的前端調(diào)理，原理框圖如圖1所示，機(jī)上有多個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)機(jī)上振動(dòng)傳感器輸出的信號(hào)都需經(jīng)過單獨(dú)調(diào)理電路的處理，具體需經(jīng)過雷擊保護(hù)、共模濾波、電流源驅(qū)動(dòng)后，再經(jīng)過高通濾波、模擬開關(guān)、跟隨器、差分驅(qū)動(dòng)、低通濾波器，最后輸入到AD 采樣控制器，進(jìn)行抗混疊和重采樣，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)管理模塊，寫入三端口RAM。三端口RAM 分為兩個(gè)RAM 塊，組成乒乓RAM，每秒產(chǎn)生多個(gè)中斷送給DSP和主控模塊。

圖1 多通道振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路原理框圖

1.2 差分驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)原理

ADC 芯片選用TI 的ADS1278，ADS1278 是8 路同步采樣24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5]，通過MODE0 腳和MODE1 輸入低電平選擇高速運(yùn)行模式，可以實(shí)現(xiàn)62 kHz 帶寬、-108 dB 總諧波失真、128 kSPS 數(shù)據(jù)速率和106 dB信噪比等性能，每個(gè)ADS1278 有8 路振動(dòng)信號(hào)輸入，其所用的時(shí)鐘信號(hào)CLK 通過擁有極低的輸出時(shí)鐘偏斜的零延遲時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器SM2305 分成4 路時(shí)鐘信號(hào)CLK1～CLK4，分別提供給4 個(gè)ADS1278，其余SCLK 和SYNC 等時(shí)鐘信號(hào)均由系統(tǒng)中處理模塊直接提供，另外ADS1278 的2.048 V 參考電壓由選用Linear 的高精度（±0.025%）、低噪聲（0.25 ppm）和低溫飄（2 ppm/℃）的參考電壓芯片LT6655BHSMS8-2.048提供。

根據(jù)ADS1278 的設(shè)計(jì)需求，及前端調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，在對(duì)前端驅(qū)動(dòng)運(yùn)放的選型及其周圍電路設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)功能。

（1）實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)單端轉(zhuǎn)差分：由于振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路在進(jìn)入高通濾波前將信號(hào)由差分轉(zhuǎn)單端，而ADS1278 對(duì)輸入的模擬信號(hào)要求差分信號(hào)，所以在前端電路采用差分電路實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)單端轉(zhuǎn)差分。

（2）實(shí)現(xiàn)振動(dòng)振動(dòng)信號(hào)衰減，符合后續(xù)ADC 輸入信號(hào)的要求：由于機(jī)上傳感器的輸出的振動(dòng)信號(hào)最大為±5 V 的正弦信號(hào)，而ADS1278 對(duì)輸入的模擬信號(hào)要求-0.3～AVDD+0.3，同時(shí)由于ADS1278 對(duì)差分驅(qū)動(dòng)電路有輸出Vcom 偏置電壓即AVDD/2，AVDD 為ADC 芯片的模擬供電電壓即5 V，所以振動(dòng)信號(hào)在進(jìn)入ADC 芯片前需調(diào)制成-0.3-AVDD/2～0.3+AVDD/2，即±2.8 V以內(nèi)的正弦信號(hào)，所以此處設(shè)計(jì)選用3.24K/0.1%和1K/0.1%的電阻對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減，衰減倍數(shù)為R11/R13，衰減后信號(hào)最大范圍為±1.543 2 V，符合ADC 信號(hào)輸入要求，同時(shí)可以通過這兩個(gè)電阻值來控制AD芯片的量程。

（3）提升ADC模擬信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)ADC的高性能工作，減小信號(hào)誤差。

（4）對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低通濾波。

所以前端驅(qū)動(dòng)運(yùn)放選用Linear 的高精度、低功耗、軌到軌輸入輸出的差分運(yùn)放LTC6362[6]。

PCB 設(shè)計(jì)圖如圖2所示，ADC 前端差分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

圖2 ADC前端差分驅(qū)動(dòng)電路PCB設(shè)計(jì)

圖3 ADC前端差分驅(qū)動(dòng)電路原理設(shè)計(jì)

2 弱輸入信號(hào)問題研究

根據(jù)直升機(jī)安全保障需求，HUMS 系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)多通道對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，同時(shí)由于板卡尺寸設(shè)計(jì)要求，各通道電路在PCB 板卡上間距很近，必然會(huì)存在信號(hào)串?dāng)_。機(jī)上選型的振動(dòng)傳感器輸出均為帶偏置電壓的不穩(wěn)定交流信號(hào)，以PCB通用的三軸加速度傳感器354C03為例，其輸出偏置電壓10～14.5 V，靈敏度100 mV/g，振動(dòng)測(cè)量范圍為±50 g，則傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過高通隔直后，最大的信號(hào)范圍為±5 V。另外機(jī)上實(shí)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)是不穩(wěn)定信號(hào)，除正常振動(dòng)和飛機(jī)發(fā)生故障振動(dòng)，振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)的位置會(huì)產(chǎn)生較大幅值或較高頻率的振動(dòng)信號(hào)，同時(shí)也經(jīng)常會(huì)輸出大量的微弱信號(hào)，所以電路需對(duì)微弱信號(hào)[7]進(jìn)行驗(yàn)證，確保當(dāng)弱信號(hào)進(jìn)入電路時(shí)也能進(jìn)行正常的調(diào)理，并給到后端處理模塊去采集。因此在電路設(shè)計(jì)過程中，除用正常的正弦交流信號(hào)（±5 V）進(jìn)行測(cè)試，另外需要對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行交直流弱信號(hào)的測(cè)試。

2.1 弱直流信號(hào)測(cè)試

嘗試在多個(gè)通道的調(diào)理電路中隔直電容后端輸入50 mV 直流信號(hào)，通道12 中差分驅(qū)動(dòng)電路電容C20 兩端輸出信號(hào)為19.297 5 mV，正常50 mV 直流信號(hào)經(jīng)3.24 倍衰減后，輸出信號(hào)應(yīng)為15.432 mV 左右，信號(hào)偏移4 mV左右，對(duì)信號(hào)精度影響很大，其余通道出現(xiàn)較小偏移，屬于正常誤差范疇，如表1所示。

表1 50 mV DC輸入信號(hào)對(duì)8個(gè)通道輸出影響

2.2 弱交流信號(hào)測(cè)試

在上述通道的調(diào)理電路中隔直電容后端兩端輸入改為100 Hz、50 mV Vpp 正弦交流信號(hào)，有效值為17.677 67 mV，無論信號(hào)大小，對(duì)經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)電路后輸出的信號(hào)精度影響都很小，如表2所示。

表2 100 Hz、50 mV AC輸入信號(hào)對(duì)8個(gè)通道輸出影響

2.3 問題通道直流信號(hào)放大測(cè)試

另外在出現(xiàn)問題的通道中，使調(diào)理電路中隔直電容后端兩端輸入的直流信號(hào)變大，輸出的信號(hào)偏移也逐漸變小，且對(duì)信號(hào)精度影響也漸小，如表3所示。

表3 直流輸入漸大對(duì)輸出影響

2.4 問題分析及結(jié)論

由于LTC6362本身存在失調(diào)電壓0.35 mV，這也是其他通道為什么在50 mVDC 輸入時(shí)，輸出也有一定的偏置，用Multisim 的AD8138做一個(gè)相似差分驅(qū)動(dòng)電路的仿真，該芯片本身有一個(gè)2 mV左右的輸入失調(diào)電壓，如圖4所示，輸入為理論的0 V，輸出依然有2.551 mV。

圖4 0 V輸入

當(dāng)輸入改為50 mV DC 時(shí)，輸出為17.974 mV，比起理論的15.432 mV偏移了2.5 mV左右，如圖5所示。

圖5 50 mV DC輸入

LTC6362 的失調(diào)電壓最大也僅為200 μV，所以其正常時(shí)輸出的直流偏置也較小，但是實(shí)際調(diào)理板的通道12偏置誤差達(dá)到12.768 1 mV。

在實(shí)驗(yàn)中，將通道12中差分電路的兩個(gè)前端電阻R11和R12（3.24 K/0.1%）拆下，實(shí)際測(cè)量其阻值，發(fā)現(xiàn)R11實(shí)際阻值為3.270 28 kΩ，R12 的阻值為3.238 49 kΩ，R12 的阻值符合0.1%的精度，R11 的阻值精度已經(jīng)為1%。再用AD8138 仿真，當(dāng)輸入為0 V 時(shí)，電阻應(yīng)用當(dāng)前實(shí)際阻值，發(fā)現(xiàn)輸出就有8.215 mV的偏移，如圖6所示。

圖6 0 V輸入（實(shí)際電阻阻值）

將輸入改為50 mV DC 時(shí)，輸出就變?yōu)?3.514 mV，如圖7所示。

圖7 50 mV DC輸入（實(shí)際電阻阻值）

該仿真實(shí)驗(yàn)說明電阻的細(xì)微變化對(duì)也會(huì)弱直流信號(hào)輸入時(shí)的輸出有很大影響。于是在實(shí)際板電路上將此兩個(gè)電阻更換新的阻值精度正常的電阻，再測(cè)量通道12的數(shù)據(jù)，輸出為15.135 7 mV，3.24 倍還原后為49.039 668 mV，與其他通道一致，輸出屬于正常的偏置。

再通過仿真，將輸入信號(hào)設(shè)置為50 mV VPP的交流，比較正常電阻和阻值偏移后的電阻的輸出情況，發(fā)現(xiàn)對(duì)于小信號(hào)交流輸入時(shí)輸出的影響很微弱，如圖8和圖9所示，這也解釋了之前交流電壓對(duì)輸出信號(hào)精度影響較小的現(xiàn)象。

圖8 50 mV VPP（理論電阻阻值）

圖9 50 mV Vpp（實(shí)際電阻阻值）

另外直流信號(hào)越大的話，失調(diào)電壓本身就是零點(diǎn)幾毫伏或者幾毫伏級(jí)別的，這種級(jí)別的偏置對(duì)大信號(hào)的精度影響更小。

3 結(jié)束語

差分驅(qū)動(dòng)電路在HUMS 系統(tǒng)做前端調(diào)理的硬件電路中起著關(guān)鍵作用，它能實(shí)現(xiàn)單端轉(zhuǎn)差分、信號(hào)衰減、提高信號(hào)輸入驅(qū)動(dòng)能力和低通濾波等功能，為將機(jī)上傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)做好調(diào)制給后端做數(shù)據(jù)處理。同時(shí)在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)及HUMS 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)同時(shí)處理多路振動(dòng)信號(hào)，所以任意一路差分驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)故障，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)上振動(dòng)誤報(bào)警且提供給地面的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，無法為飛行安全提供保障，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的弱交直流信號(hào)輸入時(shí)的單一故障通道進(jìn)行信號(hào)誤差分析，驗(yàn)證電阻精度準(zhǔn)確的重要性以及弱交直流信號(hào)輸入時(shí)電路對(duì)輸出信號(hào)的影響。在最終實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證下，實(shí)現(xiàn)了該差分驅(qū)動(dòng)電路在HUMS 系統(tǒng)上的應(yīng)用，證明了本文提出的電路設(shè)計(jì)方案的可行性。