差分驅動電路在HUMS系統中的應用設計及問題研究*

施天宇，楊照坤，林希寧

（深圳技術大學中德智能制造學院，廣東深圳 518118）

0 引言

HUMS 系統全稱直升機健康狀態與使用監測系統（Healthy and Usage Monitoring Systems）[1]，主要用于監測機上三大動部件（旋翼系統、發動機、傳動系統）及機體的振動，為地面系統給出部件的使用狀態，實現對機上重要關鍵部件的損傷累積分析提供數據，為實現直升機使用監測、健康監測、故障診斷、有壽件壽命監控、故障定位等艦基和陸基的保障提供數據支持，為飛行安全保障及日常使用維護提供數據支持。HUMS 在國外已有將近40 年研究歷史，1991 年，英國北海直升機公司研發安裝了首套HUMS，并隨后制定了各類HUMS 技術標準[2]，我國HUMS系統研究發展時間較短，目前裝備的機型種類和數量都十分有限，相關設計和飛行經驗還十分欠缺[3]。HUMS系統配套多路振動傳感器，監測多處部件，對于振動傳感器輸出的信號在HUMS系統中進行數據處理，進行超限閾值判定[4]。機上輸出的振動信號為模擬信號，在進行數據處理前需通過ADC芯片進行模數轉換，而機上信號帶有偏置信號以及各種干擾波形，因此需要通過前端調理電路對傳感器輸出的振動信號進行調理，而差分驅動電路則是調理電路的最后一步。本文主要提出應用在ADS1278模數轉換芯片的前端差分驅動電路設計，并通過實際硬件設計調試過程中遇到的多通道信號輸出誤差問題，進行弱交直流信號輸入仿真，對誤差問題進行分析研究。

1 硬件設計

1.1 調理電路的設計原理

振動信號調理電路用于實現機上多路振動信號的前端調理，原理框圖如圖1所示，機上有多個振動監測點，每一個機上振動傳感器輸出的信號都需經過單獨調理電路的處理，具體需經過雷擊保護、共模濾波、電流源驅動后，再經過高通濾波、模擬開關、跟隨器、差分驅動、低通濾波器，最后輸入到AD 采樣控制器，進行抗混疊和重采樣，然后進入數據管理模塊，寫入三端口RAM。三端口RAM 分為兩個RAM 塊，組成乒乓RAM，每秒產生多個中斷送給DSP和主控模塊。

圖1 多通道振動信號調理電路原理框圖

1.2 差分驅動電路的設計原理

ADC 芯片選用TI 的ADS1278，ADS1278 是8 路同步采樣24 位模數轉換器[5]，通過MODE0 腳和MODE1 輸入低電平選擇高速運行模式，可以實現62 kHz 帶寬、-108 dB 總諧波失真、128 kSPS 數據速率和106 dB信噪比等性能，每個ADS1278 有8 路振動信號輸入，其所用的時鐘信號CLK 通過擁有極低的輸出時鐘偏斜的零延遲時鐘驅動器SM2305 分成4 路時鐘信號CLK1～CLK4，分別提供給4 個ADS1278，其余SCLK 和SYNC 等時鐘信號均由系統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ADS1278 的設計需求，及前端調理電路的設計，在對前端驅動運放的選型及其周圍電路設計需實現以下4個功能。

（1）實現振動信號單端轉差分：由于振動信號調理電路在進入高通濾波前將信號由差分轉單端，而ADS1278 對輸入的模擬信號要求差分信號，所以在前端電路采用差分電路實現振動信號單端轉差分。

（2）實現振動振動信號衰減，符合后續ADC 輸入信號的要求：由于機上傳感器的輸出的振動信號最大為±5 V 的正弦信號，而ADS1278 對輸入的模擬信號要求-0.3～AVDD+0.3，同時由于ADS1278 對差分驅動電路有輸出Vcom 偏置電壓即AVDD/2，AVDD 為ADC 芯片的模擬供電電壓即5 V，所以振動信號在進入ADC 芯片前需調制成-0.3-AVDD/2～0.3+AVDD/2，即±2.8 V以內的正弦信號，所以此處設計選用3.24K/0.1%和1K/0.1%的電阻對信號進行衰減，衰減倍數為R11/R13，衰減后信號最大范圍為±1.543 2 V，符合ADC 信號輸入要求，同時可以通過這兩個電阻值來控制AD芯片的量程。

（3）提升ADC模擬信號輸入驅動能力，實現ADC的高性能工作，減小信號誤差。

（4）對振動信號進行低通濾波。

所以前端驅動運放選用Linear 的高精度、低功耗、軌到軌輸入輸出的差分運放LTC6362[6]。

PCB 設計圖如圖2所示，ADC 前端差分驅動電路設計原理如圖3所示。

圖2 ADC前端差分驅動電路PCB設計

圖3 ADC前端差分驅動電路原理設計

2 弱輸入信號問題研究

根據直升機安全保障需求，HUMS 系統需要設計多通道對信號進行調理，同時由于板卡尺寸設計要求，各通道電路在PCB 板卡上間距很近，必然會存在信號串擾。機上選型的振動傳感器輸出均為帶偏置電壓的不穩定交流信號，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，振動測量范圍為±50 g，則傳感器輸出的振動信號經過高通隔直后，最大的信號范圍為±5 V。另外機上實時的振動信號是不穩定信號，除正常振動和飛機發生故障振動，振動傳感器監測的位置會產生較大幅值或較高頻率的振動信號，同時也經常會輸出大量的微弱信號，所以電路需對微弱信號[7]進行驗證，確保當弱信號進入電路時也能進行正常的調理，并給到后端處理模塊去采集。因此在電路設計過程中，除用正常的正弦交流信號（±5 V）進行測試，另外需要對調理電路進行交直流弱信號的測試。

2.1 弱直流信號測試

嘗試在多個通道的調理電路中隔直電容后端輸入50 mV 直流信號，通道12 中差分驅動電路電容C20 兩端輸出信號為19.297 5 mV，正常50 mV 直流信號經3.24 倍衰減后，輸出信號應為15.432 mV 左右，信號偏移4 mV左右，對信號精度影響很大，其余通道出現較小偏移，屬于正常誤差范疇，如表1所示。

表1 50 mV DC輸入信號對8個通道輸出影響

2.2 弱交流信號測試

在上述通道的調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，有效值為17.677 67 mV，無論信號大小，對經過差分驅動電路后輸出的信號精度影響都很小，如表2所示。

表2 100 Hz、50 mV AC輸入信號對8個通道輸出影響

2.3 問題通道直流信號放大測試

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

表3 直流輸入漸大對輸出影響

2.4 問題分析及結論

由于LTC6362本身存在失調電壓0.35 mV，這也是其他通道為什么在50 mVDC 輸入時，輸出也有一定的偏置，用Multisim 的AD8138做一個相似差分驅動電路的仿真，該芯片本身有一個2 mV左右的輸入失調電壓，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

當輸入改為50 mV DC 時，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 的失調電壓最大也僅為200 μV，所以其正常時輸出的直流偏置也較小，但是實際調理板的通道12偏置誤差達到12.768 1 mV。

在實驗中，將通道12中差分電路的兩個前端電阻R11和R12（3.24 K/0.1%）拆下，實際測量其阻值，發現R11實際阻值為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 的阻值精度已經為1%。再用AD8138 仿真，當輸入為0 V 時，電阻應用當前實際阻值，發現輸出就有8.215 mV的偏移，如圖6所示。

圖6 0 V輸入（實際電阻阻值）

將輸入改為50 mV DC 時，輸出就變為23.514 mV，如圖7所示。

圖7 50 mV DC輸入（實際電阻阻值）

該仿真實驗說明電阻的細微變化對也會弱直流信號輸入時的輸出有很大影響。于是在實際板電路上將此兩個電阻更換新的阻值精度正常的電阻，再測量通道12的數據，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，將輸入信號設置為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，發現對于小信號交流輸入時輸出的影響很微弱，如圖8和圖9所示，這也解釋了之前交流電壓對輸出信號精度影響較小的現象。

圖8 50 mV VPP（理論電阻阻值）

圖9 50 mV Vpp（實際電阻阻值）

另外直流信號越大的話，失調電壓本身就是零點幾毫伏或者幾毫伏級別的，這種級別的偏置對大信號的精度影響更小。

3 結束語

差分驅動電路在HUMS 系統做前端調理的硬件電路中起著關鍵作用，它能實現單端轉差分、信號衰減、提高信號輸入驅動能力和低通濾波等功能，為將機上傳感器輸出的振動信號做好調制給后端做數據處理。同時在實際硬件設計及HUMS 系統實驗中發現，由于系統同時處理多路振動信號，所以任意一路差分驅動電路出現故障，就會導致機上振動誤報警且提供給地面的數據不準確，無法為飛行安全提供保障，本文對實驗中出現的弱交直流信號輸入時的單一故障通道進行信號誤差分析，驗證電阻精度準確的重要性以及弱交直流信號輸入時電路對輸出信號的影響。在最終實際產品的驗證下，實現了該差分驅動電路在HUMS 系統上的應用，證明了本文提出的電路設計方案的可行性。