同步信號隔離驅動器設計

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002）

0.引言

隨著目前航空發動機技術的發展，發動機試驗時需要測量溫度、轉速、推力、電壓、振動、應力、電流等上千個測點，往往需要使用數十種不同測量設備。而在此基礎上設計的航空發動機數采系統需要對大量不同廠家的設備進行同步采集。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信號，以保證各類不同的設備能夠同時向數采系統發送數據，確保數據測試時間的一致性[1]。

當前常用的同步信號產生模塊驅動電流較低（50mA左右），僅能同時驅動5臺左右采集設備。同時在航空發動機試驗過程中，大量不同類型的設備運行容易產生相互干擾和電源波動，導致數據采集的時序不一致的情況出現。本文設計的同步信號隔離驅動器，能夠大幅度提高同步脈沖信號的驅動電流（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備增多后同步信號驅動能力不足以及互相干擾的問題。

1.同步信號隔離驅動器設計

針對同步信號產生模塊需要對大量測試設備提供一個標準頻率的同步脈沖觸發信號的需求，同步信號隔離驅動器（如圖1）整體設計框圖如圖2。同步信號隔離驅動器主要由隔離電源模塊、信號輸入模塊、信號隔離模塊、信號驅動模塊等組成[2]。其中隔離電源模塊是對整個設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的驅動能力。

圖1 同步信號隔離驅動器實物圖

圖2 同步信號隔離驅動器設計框圖

2.電路設計

2.1 隔離電源模塊設計

數采系統的供電為24V，電源電路需要將其轉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 同步信號隔離驅動器電源電路設計

2.2 輸入模塊設計

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換成標準的方波信號。假設其輸出高電平時的門檻電壓設為V+，輸出低電平時的門檻電壓設為V-，相應門檻電壓的計算公式如下（圖中R46?R48）：

圖4 同步信號隔離驅動器信號輸入模塊電路設計

由上式可知，可以通過調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換成標準的方波信號。Q1為場效應晶體管（FET）具有輸入阻抗高、驅動電流小、工作電流大等優點，能夠提供最大0.1A的輸出電流。

2.3 信號隔離模塊設計

同步信號隔離驅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 同步信號隔離驅動器隔離電路設計

2.4 信號驅動輸出設計

經過隔離變化后的信號需要增加其驅動能力，其電路圖如圖6所示，采用TPS2814驅動芯片，該芯片能夠使得輸出的電流最大達到2A。如果按照不同設備平均驅動電流為10mA計算，本設計能夠同時為超過100臺的測試設備提供同步信號，滿足目前大規模數采系統的測試需求；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備的運行狀態。

圖6 同步信號隔離驅動器驅動模塊輸出設計

3.結構設計

同步信號隔離驅動器電路設計完成后，根據電路模型使用西門子公司的NX11軟件進行整體結構設計，同步信號隔離驅動器結構設計如圖7所示，在滿足電路安裝固定的基礎上優化布局設計，提升了機箱內部的整體的空間利用率以及設備的可維護性。

圖7 同步信號隔離驅動器結構設計

4.應用舉例

某發動機試車臺在試驗過程中，數采系統在僅能同時驅動5臺設備，再增加測試設備時，發現采集信號不同步無法正常測量。將本文設計的同步信號隔離驅動器按照圖8接入后，設備均能正常同步觸發。后續隨著測試系統規模增大至幾十臺，本文設計的同步信號隔離驅動器仍然能夠正常驅動。

圖8 同步信號隔離驅動器應用實例

5.結論

本文介紹的同步信號隔離驅動器能夠有效的解決同步信號隔離驅動能力不足、干擾嚴重等問題，目前已經在我所多個航空發動機大規模數采系統中應用，圓滿完成了多次測試任務，并且可以推廣應用到其他領域的數采系統中。