CN108844675B - 一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器，属于自动控制技术领域，包括差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路、恒压源激励电路以及电源电路；电源电路为差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路及恒压源激励电路提供工作电源，恒压源激励电路为机上的动态压力传感器提供互相独立恒压源激励，动态压力传感器输出的全压力电信号依次经过差分输入放大电路、增益调整电路后再分别经过交流信号输出电路和直流输出电路，将全压力信号中脉动小信号提取分离其动态分量至交流通道输出，全压力信号至直流通道输出，最后输出至机载数据采集器。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器。
背景技术
在进气道与发动机相容性飞行试验中，进气道出口压力测量耙集成了动态压力传感器，用于测量进气道出口动态压力畸变。对于压力传感器采集到的压力信号，包含了测量部位的全部总压信号，而在实际试飞测试领域中需要着重分析采集到的全压力信号中的动态交流小信号分量。动态分量和全压力信号共同参与评价进气道畸变的性能，因此，需要对总压信号中的动态小分量交流压力信号进行分离提取。
由于动态交流压力信号在传感器采集到的总压信号中所占的比例较小，现有的技术是直接对传感器输出的总压信号滤波处理后直接进行模数转换，通过处理器采集后再通过交流信号提取算法从总压信号中分离提取动态交流压力数据。
采用现有技术主要存在的缺陷是，一方面动态交流分量在全压力信号中占到的幅值比重仅为1/10，直接采集全压力信号再提取的动态交流信号精度低，不能满足试飞测试领域应用需求，而且增加了后端数据处理工作量；另一方面，直接采集后，通过后端算法进行动态分量提取分离，算法延迟性无法确定，实时性较差。
因此，本申请提出一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器来解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器，包括差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路、恒压源激励电路以及电源电路；
所述电源电路为所述差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路及恒压源激励电路提供工作电源，所述恒压源激励电路为机上的动态压力传感器提供独立恒压源激励，动态压力传感器输出的全压力电信号依次经过所述差分输入放大电路、增益调整电路后再同时经过所述交流信号输出电路和直流输出电路，最后输出至机载数据采集器。
优选地，所述交流信号输出电路包括依次连接的高通滤波电路、末端放大电路和低通滤波电路，所述高通滤波器采用巴特沃斯型滤波器结构，所述高通滤波器截止频率为0.25Hz，阶数为二阶；末级放大电路采用反向比例放大电路，增益倍数设置为3倍；所述低通滤波电路采用四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为1000Hz，带内纹波小于0.1dB；
所述直流输出电路包括低通滤波电路，所述低通滤波电路采用四阶巴特沃斯低通滤波器。
优选地，所述电源电路包括依次连接的反接保护电路、瞬态抑制电路、EMI模块及滤波电路和两路隔离电源模块和滤波电路，所述瞬态抑制电路的电源来自机上28VDC，一路所述隔离电源模块将+28VDC转换为±15VDC电源，为所述输入差分电路及各级运放电路提供电源；另一路所述隔离电源模块将+28VDC转换为VCC15V直流电源，为所述恒压源激励电路使用。
优选地，所述恒压源激励电路包括运算放大器、三极管T1、三极管T2和限流电阻R0，所述三极管T1、三极管T2和限流电阻R0构成过流保护电路，所述三极管T1的基极和所述三极管T2的集电极均连接所述运算放大器的信号输出端连接，所述三极管T1的集电极连接所述电源电路，所述三极管T1的发射极和所述三极管T2的基极连接所述限流电阻R0一端，所述三极管T2的发射极连接所述限流电阻R0另一端。
本发明提供的发动机进气道畸变测量动态压力调节器具有以下有益效果：
1.采用交流信号输出电路，其中包含高通滤波电路、末端放大电路和低通滤波电路，一方面将全压力信号中的脉动小信号分离出来形成单独的一路交流输出，完成信号分离提取；另一方面采用末端放大电路进行二次增益调整，增加交流信号幅值，提高采集精度。
2.电源电路中采用反极性保护电路，防止电源输入接反误操作；瞬态抑制电路，吸收电源输入可能存在的高幅值瞬态电压，保护后端电子元器件免受高压冲击；型滤波电路和EMI模块滤波电路共同有效屏蔽内外部电磁干扰信号，满足机载设备装机电磁兼容要求。
3.恒压源激励电路采用三极管、放大器与限流电阻共同构成，一方面为动态压力传感器提供高精度、高稳定性的恒压源激励，而且为使用可靠每一路传感器均采用独立的恒压源；另一方面，设计限流保护电路，防止传感器损坏，破坏电路元器件。
附图说明
图1为本发明实施例1的发动机进气道畸变测量动态压力调节器的原理框图；
图2为差分输入放大电路的电路图；
图3为增益调整电路的电路图；
图4为交流信号输出电路、直流输出电路的电路图；
图5为电源电路的电路图；
图6为电源前端保护、滤波、EMI原理图；
图7为隔离电源模块的电路图；
图8为过流保护电路的电路图；
图9为恒压源激励电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例1
本发明提供了一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器，具体如图1所示，包括差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路、恒压源激励电路以及电源电路；
电源电路为差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路及恒压源激励电路提供工作电源，恒压源激励电路为机上的动态压力传感器提供独立恒压源激励，动态压力传感器输出的全压力电信号依次经过差分输入放大电路、增益调整电路后再同时经过交流信号输出电路和直流输出电路，最后输出至机载数据采集器。
本实施例中，机上的动态压力传感器直接集成在进气道测量耙中，选用了Kulite公司的XCEL系列的压力传感器，传感器采用四线制连接方式，内部采用惠斯通全桥结构设计，针对用户使用便捷以及安全可靠的出发点考虑，各压力传感器电桥均采用独立恒压源激励。
为了消除共模信号的干扰，在差分输入端设计了共模电容，滤除传输过程中的高频信号干扰，增强差分放大电路抑制共模信号的能力，获取较高的共模抑制比(CMRR)。
根据技术指标要求直流输出增益为100倍，同时为了避免AD620高增益带来的误差影响，输入端采用两级放大电路组成，差分输入放大增益为25倍，增益调整电路放大4倍，总增益为100倍。
差分输入端选择比较常用的AD公司AD620芯片设计，AD620是一款单芯片高精度仪表放大器，采用经典的三运放改进设计，具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大50uV)和低失调漂移(最大0.6uV/℃)特性。此外，还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗特性。使用时，用户只需一个电阻便可实现对增益的精确编程。
根据AD公司AD620技术手册可知，增益电阻RG计算计算公式如下。
上式中，G代表放大器需要的增益倍数。在本设计中，差分输入放大级增益选择为25倍，根据公式计算可知，增益电阻Rg取为增益电阻选择贝迪斯公司的MELF系列电阻器，精度可达±0.05％，温度系数为±10PPM/℃。
在差分输入后端设计了一级增益调整电路，采用运算放大器搭建了反相放大电路。增益调整电路之所以采用反相比例放大电路主要的优点有：运放放大器输入端电压相等并等于零，故没有共模输入信号，对运放的共模抑制没有特殊要求，输出电阻近似为零；而如果采用同相比例放大器输入电阻很高，输出电阻很低，输入端电压相同不为零，故引入了共模输入信号，从而需要运放有较高的共模抑制比。增益调整电路通过设计比例电阻关系，将增益设置为4倍。增益电阻同样选择高精度、低漂移系数的精密电阻器。
设计中，电路中所有的电阻器采用了贝迪斯公司MELF系列产品，该系列柱状贴装精密电阻器符合GJB1929-1994，精度高、低漂移，温度范围：-65℃～150℃，稳定度：±0.5％(125℃/1000小时)等特点。差分输入放大电路的电路图和增益调整电路的电路图如图2和图3所示。
如图4所示，交流信号输出电路包括依次连接的高通滤波电路、末端放大电路和低通滤波电路，高通滤波器采用巴特沃斯型滤波器结构，高通滤波器截止频率为0.25Hz，阶数为二阶；末级放大电路采用反向比例放大电路，增益倍数设置为3倍；低通滤波电路采用四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为1000Hz，带内纹波小于0.1dB；
直流输出电路包括低通滤波电路，低通滤波电路采用四阶巴特沃斯低通滤波器，滤波器参数与交流信号输出电路中低通滤波电路相同。
如图5所示，电源电路包括依次连接的反接保护电路、瞬态抑制电路、EMI模块及滤波电路和两路隔离电源模块和滤波电路，瞬态抑制电路的电源来自机上28VDC，一路隔离电源模块将+28VDC转换为±15VDC电源，为输入差分电路及各级运放电路提供电源；另一路隔离电源模块将+28VDC转换为VCC15V直流电源，为恒压源激励电路使用。
图6为电源前端保护、滤波、EMI原理图，FMH-461是Interpoint公司的一款EMI模块，可以工作在-55℃到+125℃。该模块满足MIL-STD-461C的标准，在输入电压为40V的情况下，可以通过1.5A的电流，并设计了电源反接保护二极管与瞬态抑制二极管。
本实施例结构设计、电源板卡设计和EMI滤波设计沿用之前成熟设计，可以满足电磁兼容型要求试验，参照GJB151A-97包含的相关条款，包含以下项目：
RE102电场发射辐射；
CS101电源线的传导敏感度；
RS103电场辐射敏感度；
CE102电源线传导发射有关规定。
如图7所述，用于±15VDC和VCC15V的隔离电源模块均选用Interpoint公司MHV28xxx系列隔离电源模块，可以满足工作在-55℃到+125℃的环境下，提供最大1A的电流，最大功率为15W，转换效率可以达到81％，并且可以满足16VDC～50VDC宽电压输入范围。
根据器件手册与桥压输出电流大小，经过估算，36路桥压激励电压+10V/最大输出电流15mA电路共需最大功率为6W。±15VDC为差分输入芯片、四通道运算放大器芯片提供电源，经估算共需6W。因此，选用的电源模块分别预留了50％裕量。
除此之外，为了得到更好的供电电源品质，整个电源板采用两块电路板层叠组成，外层主要安装两个功率较大的电源模块并与产品外壳接触，方便散热处理；在DC-DC隔离电源模块电路板输出端连接另一块电路板之间，采用溃通滤波器进行电源传导，能够有效滤除电源模块输出电压中高频开关噪声，提高后端板卡电源品质。
根据以往设计机载测试类产品经验基础上，设计过程中所有电子元器件及使用到的配套材料，均按照军品级要求设计，可以满足技术指标中对于工作温度-40℃～+70℃等要求。
如图8和图9所示，恒压源激励电路包括运算放大器、三极管T1、三极管T2和限流电阻R0，三极管T1、三极管T2和限流电阻R0构成过流保护电路，三极管T1的基极和三极管T2的集电极均连接运算放大器的信号输出端连接，三极管T1的集电极连接电源电路，三极管T1的发射极和三极管T2的基极连接限流电阻R0一端，三极管T2的发射极连接限流电阻R0另一端。需要说明的是，图8中的T1、T2就是图9中的Q11、Q12或Q21、Q22，图8中的R0就是图9的R14或R24。
正常工作时，T2的be端电压Ube2＝I0R0＜UON，UON为此管导通偏置电压0.7V。根据技术协议要求当I0＜15mA时，保证T2处于截止状态，输出正常电压U0为10V；当I0＞15mA时，根据电路结构可知，UON＝I0R0，随着I0逐渐增大，电阻R0上的电压超过三极管be端最小偏置电压0.7V时，T2逐渐导通，从T1中的基极分流，限制T1发射极输出电流I0继续增大，从而起到限流保护功能。
限流电阻R0≈Ube2/I0max≈UON/I0max，可知限流电阻R0取为时，可以保证输出电流不大于15mA。
本实施例的元器件选型如下：
在电路设计中均选用高精度的电子元器件，核心参与运算的电阻器均采用贝迪斯电子公司的可定制组织的MELF系列高精密柱状贴装电阻器，精度采用±0.05％，温度系数选用±10PPM/℃，温度范围：-65℃～150℃。参与核心计算的电容器选用火炬电子公司CC41型片式多层磁介电容器，温度特性0±30PPM/℃，器件温度范围：-55℃～125℃，精度允许偏差±1％。
增益调整电路、交直流输出电路等采用AD公司的OPx177系列运放，其由极高精度的单路、双路和四路放大器组成，具有极低失调电压及其漂移、低输出偏置电流、低噪声及低功耗等性能。而且采用TSSOP封装，体积小，所有型号产品额定工作温度范围均为-40℃～125℃，适合机载环境要求。
恒压源激励电路采用的运算放大器采用AD公司的OPx97运放芯片，其具有低失调电压(50uV以下)，低失调电压漂移(小于0.6uV/℃)、极低偏置电流、极高开环增益、低电源电流、高共模抑制，确保在任何应用中都具有高线性度。额定工作温度范围均为-40℃～85℃，适合机载环境要求。
本实施例在传感器输出的全压力信号中，通过在最前端采用模拟信号处理方式，采用高通滤波方式分离交流分量与增加交流信号增益提高信号幅值方式，将全压力信号中脉动小信号分离，后端再经过模数转换后，处理器采集精度大幅提高，并与原全压力信号的时间相关性保持一致，便于数据关联性分析。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种发动机进气道畸变测量动态压力调节器，其特征在于，包括差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路、恒压源激励电路以及电源电路；
所述电源电路为所述差分输入放大电路、增益调整电路、交流信号输出电路、直流输出电路及恒压源激励电路提供工作电源，所述恒压源激励电路为机上的动态压力传感器提供独立恒压源激励，动态压力传感器输出的全压力电信号依次经过所述差分输入放大电路、增益调整电路后再同时经过所述交流信号输出电路和直流输出电路，最后输出至机载数据采集器；
所述交流信号输出电路包括依次连接的高通滤波电路、末端放大电路和低通滤波电路；
所述高通滤波电路采用巴特沃斯型高通滤波器结构，所述高通滤波器截止频率为0.25Hz，阶数为二阶；末级放大电路采用反向比例放大电路，增益倍数设置为3倍；所述低通滤波电路采用四阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为1000Hz，带内纹波小于0.1dB；
所述直流输出电路包括低通滤波电路；
所述电源电路包括依次连接的反接保护电路、瞬态抑制电路、EMI模块及滤波电路和两路隔离电源模块和滤波电路，所述瞬态抑制电路的电源来自机上28VDC，一路所述隔离电源模块将+28VDC转换为±15VDC电源，为所述差分输入放大电路及各级运放电路提供电源；另一路所述隔离电源模块将+28VDC转换为VCC15V直流电源，为所述恒压源激励电路使用。
2.根据权利要求1所述的发动机进气道畸变测量动态压力调节器，其特征在于，所述恒压源激励电路包括运算放大器、三极管T1、三极管T2和限流电阻R0，所述三极管T1、三极管T2和限流电阻R0构成过流保护电路，所述三极管T1的基极和所述三极管T2的集电极均连接所述运算放大器的信号输出端连接，所述三极管T1的集电极连接所述电源电路，所述三极管T1的发射极和所述三极管T2的基极连接所述限流电阻R0一端，所述三极管T2的发射极连接所述限流电阻R0另一端。
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| 一种机载频率电压转换设备设计;张亚维;史强强;;电子测量技术(第13期);全文 * |
| 机载压电传感器调理电路的设计;张亚维;史强强;张乐;;电子测量技术(第03期);全文 * |
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