田琳宇，張 波，王建生

(1.航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.航空工業(yè)沈陽飛機設計研究院，遼寧 沈陽 110035)

0 引言

某型機載遠程接口單元(RIU)[1]主要完成液壓分系統(tǒng)壓力監(jiān)測、動力裝置系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、飛機艙火警探測等功能。DIO模塊是RIU中的重要組成部件，可實現(xiàn)精密小信號的采集、模擬量離散量的采集、模擬量離散量的輸出等功能。DIO模塊中采集的一路模擬量為飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號。DIO采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號后，RIU向航電系統(tǒng)[2]和飛參系統(tǒng)上報采集信號。飛行員可根據(jù)顯示的轉(zhuǎn)速信號控制油門等。因此，轉(zhuǎn)速信號的準確采集對保證正常飛行，保障飛行員生命安全起著至關(guān)重要的作用。

本文主要就DIO模塊中實現(xiàn)飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集功能進行電路優(yōu)化設計分析，并就實際工程中遇到的信號頻率過大后將不能準確采集的故障模式，通過實驗仿真進行故障定位及分析。

1 轉(zhuǎn)速采集電路設計

遠程接口單元中DIO模塊主要實現(xiàn)對模擬量和離散量的輸入輸出功能。飛機轉(zhuǎn)速信號輸入為0～10 V、0～3300 Hz的正弦波模擬信號，要想采集飛機轉(zhuǎn)速，就需要得到0～10 V正弦波的頻率。因此，DIO模塊中要實現(xiàn)對飛機轉(zhuǎn)速的采集首先要采集0～10 V正弦波，再將其轉(zhuǎn)化為方波，以便作為電壓-頻率轉(zhuǎn)換器的輸入，輸出頻率。因此，轉(zhuǎn)速采集電路由0～10 V采集電路和方波轉(zhuǎn)換電路組成。具體電路如圖1所示。

0～10 V采集電路由濾波、鉗位電路、二級低通濾波以及跟隨電路組成。

圖1 0～10 V電壓采集電路圖

UH和UL是輸入的一對正弦差分信號，其經(jīng)過抑制輸入信號的差模、共模干擾，在差分輸入信號間增加RC電路，各器件參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗而得。

二極管V2與二極管V1分別組成正向和負向鉗位電路，兩個二極管導通后的壓降為0.7 V，因此鉗位電路可將輸入信號鉗位到±0.7 V，防止輸入電壓可能超過后面電壓跟隨的供電+15 V。之后經(jīng)過二級低通濾波以及跟隨電路。

方波轉(zhuǎn)換電路利用一個比較器搭建遲滯電壓比較電路[3]將信號轉(zhuǎn)化為方波。電壓比較器的基準電壓為地，即0 V。該遲滯比較器的遲滯范圍為0.13 V，當輸入電壓大于0.13 V時，輸出為低電平，0 V；當電壓小于0 V時，輸出為高電平，VCC(5 V)。

2 工程實際中的故障分析

經(jīng)外場反饋故障，遠程接口單元對左發(fā)動機轉(zhuǎn)速采集有誤。具體表現(xiàn)為，當輸入頻率小于2300 Hz時，RIU可正常采集到相應頻率；當輸入頻率大于等于2300 Hz時，RIU將采集不到相應頻率。

2.1 故障定位

針對上述問題，對轉(zhuǎn)速采集電路進行測試分析，確定故障源。

輸入正弦波峰值為10 V，頻率為2300 Hz時，示波器波形如圖2所示。

圖2 2300 Hz/10 V正弦波輸入下示波器波形1

其中，示波器1表筆為經(jīng)鉗位電路后的輸出波形，2表筆為比較器輸出波形。

更換位置測量波形，進行驗證對比。如圖3所示。其中，示波器1表筆為比較器輸入端，2表筆為比較器輸出端。

圖3 2300 Hz/10 V正弦波輸入下示波器波形2

由圖2和圖3可以看出，輸入正弦波經(jīng)過鉗位電路，僅有負電壓被鉗位至-0.7 V，而正電壓并未被鉗位。致使該鉗位波形經(jīng)過二次濾波放大為圖3中1表筆波形，幾乎整個波形均在0 V電壓之上，無小于0 V電壓。因此，比較器根據(jù)基準電壓0 V，并不會輸出高電平，僅為一條0 V電壓波形，如圖3中2表筆波形所示。

綜上分析，懷疑V1位二極管并未發(fā)揮作用，可能存在斷路。二極管故障導致負向鉗位電路失效，無法將電壓鉗位至0.7 V。測量V1二極管靜態(tài)特性，將所有電纜拔除，僅留單獨的DIO模塊。萬用表調(diào)置二極管檔，測量顯示為開路。因此確定該故障為V1斷路所致。更換V1后，波形正常，故障消失。

2.2 故障分析

采集故障僅在頻率大于等于2300 Hz時才會出現(xiàn)，而小于2300 Hz時則故障不會出現(xiàn)。因此，下面將分析輸入信號頻率的變化可能對故障的影響。

現(xiàn)輸入一2220 Hz的正弦波，峰值仍為10 V。示波器測量比較器輸入和輸出波形如圖4所示。其中，示波器1表筆為比較器輸入波形，2表筆仍為比較器輸出的方波。

結(jié)合2300 Hz輸入時的波形圖分析，頻率為2220 Hz時，雖然輸入波形正端沒有被鉗位，經(jīng)放大濾波后，比較器輸入端波形僅有很短時刻電壓在0 V以下，與之對應的比較器輸出僅有在輸入波形小于0 V時表現(xiàn)為高電平，高低電平變換可正常測量出頻率。

圖4 2220Hz/10V正弦波輸入下示波器波形

這是因為頻率小時，周期變長，則比較器輸入波形小于0 V的時間就會變長，可成功采集到通過比較器輸出的高電平。隨著頻率增加，當頻率為2300 Hz時，比較器輸入波形小于0 V的時間縮減為0，就不能輸出高電平。因此，在負向鉗位二極管故障的情況下，頻率增高至一定閾值時，采集故障出現(xiàn)。

經(jīng)實驗可知，輸入信號的頻率變化確會對故障造成影響。那么輸入信號的幅值是否也會對故障有所影響?，F(xiàn)改變正弦波幅值，觀察幅值對故障結(jié)果的影響。輸入一個正弦波，峰值為9 V，頻率為2300 Hz，示波器測量波形如圖5所示。其中示波器1表筆為比較器輸入波形，2表筆為比較器輸出波形。

圖5 2300 Hz/9 V正弦波輸入下示波器波形

對比圖5和圖3，進行分析，在輸入正弦波的幅值變小后，同樣頻率下，與10 V幅值正弦波比較可以看出，比較器輸入端波形處于0 V以下的時間變長，相應的比較器輸出的高電平較為明顯。這是因為輸入信號幅值變小后，經(jīng)過二次濾波，負電壓被濾掉的部分變少，處于0 V以下的電壓變多。因此輸入信號幅值越小，故障越不容易復現(xiàn)。

3 電路優(yōu)化設計及分析

以上討論的輸入均為電壓偏移為0的正弦信號，但實際可能會出現(xiàn)存在電壓偏移的正弦信號，在該情況下，如單極性正弦輸入時，經(jīng)過正負向鉗位后就會不存在0.7 V的正負變換。針對以上采集局限性，在輸入信號的電阻后增加兩個隔直電容C5、C6，使隔直后波形為電壓偏移為0的正弦信號[4]。具體電路圖如圖6所示。

圖6 0～10 V采集電路優(yōu)化設計

進一步分析該優(yōu)化電路，當出現(xiàn)上一節(jié)所述故障，即鉗位二極管V1斷路時，各測試點波形如圖7所示，其中1表筆波形為鉗位后波形，2表筆波形為比較器輸入，3表筆波形為比較器輸出方波。

圖7 優(yōu)化電路下V1二極管故障時的各測試點波形

從圖7中看出，鉗位后的波形隨著時間增長，幅值越來越大，導致濾波后的比較器輸入信號也在增大，逐漸往上偏離0 V電壓。剛開始比較器還可以輸出高電平，之后一直為低電平。因此，在頻率2000 Hz下，開始故障不會顯現(xiàn)，隨時間增長故障就會出現(xiàn)。分析原因，以上情況可能為C5、C6電容充電導致。V1故障后，電流僅經(jīng)過V2通路逆時針回流對C5、C6充電；同樣V2故障后，電流僅經(jīng)過V1通路順時針回流對C5、C6充電。對比之前電路，當V1或V2二極管故障時，只有輸入頻率到達一定程度，故障才會顯現(xiàn)。優(yōu)化后的電路，不僅可以解決了原有電路采集的局限性，還可提早發(fā)現(xiàn)二極管故障，不必等到頻率升高才會顯露問題。

4 結(jié)語

本文主要就飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號采集進行電路設計分析。針對工程實際中的采集故障，進行試驗分析，對故障進行定位，并分析輸入信號對故障復現(xiàn)的影響。實驗分析可知，輸入信號的幅值越高，頻率越大故障越容易復現(xiàn)。然后針對電路對輸入信號的電壓偏移不為0時的采集局限性問題，進行電路優(yōu)化。經(jīng)過仿真分析，優(yōu)化電路可解決該問題，還可以盡早的發(fā)現(xiàn)鉗位二極管故障，提高安全性。