田琳宇，张 波，王建生

(1.航空工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065；2.航空工业沈阳飞机设计研究院，辽宁 沈阳 110035)

0 引言

某型机载远程接口单元(RIU)[1]主要完成液压分系统压力监测、动力装置系统状态监测、飞机舱火警探测等功能。DIO模块是RIU中的重要组成部件，可实现精密小信号的采集、模拟量离散量的采集、模拟量离散量的输出等功能。DIO模块中采集的一路模拟量为飞机发动机转速信号。DIO采集发动机转速信号后，RIU向航电系统[2]和飞参系统上报采集信号。飞行员可根据显示的转速信号控制油门等。因此，转速信号的准确采集对保证正常飞行，保障飞行员生命安全起着至关重要的作用。

本文主要就DIO模块中实现飞机发动机转速采集功能进行电路优化设计分析，并就实际工程中遇到的信号频率过大后将不能准确采集的故障模式，通过实验仿真进行故障定位及分析。

1 转速采集电路设计

远程接口单元中DIO模块主要实现对模拟量和离散量的输入输出功能。飞机转速信号输入为0～10 V、0～3300 Hz的正弦波模拟信号，要想采集飞机转速，就需要得到0～10 V正弦波的频率。因此，DIO模块中要实现对飞机转速的采集首先要采集0～10 V正弦波，再将其转化为方波，以便作为电压-频率转换器的输入，输出频率。因此，转速采集电路由0～10 V采集电路和方波转换电路组成。具体电路如图1所示。

0～10 V采集电路由滤波、钳位电路、二级低通滤波以及跟随电路组成。

图1 0～10 V电压采集电路图

UH和UL是输入的一对正弦差分信号，其经过抑制输入信号的差模、共模干扰，在差分输入信号间增加RC电路，各器件参数根据工程经验而得。

二极管V2与二极管V1分别组成正向和负向钳位电路，两个二极管导通后的压降为0.7 V，因此钳位电路可将输入信号钳位到±0.7 V，防止输入电压可能超过后面电压跟随的供电+15 V。之后经过二级低通滤波以及跟随电路。

方波转换电路利用一个比较器搭建迟滞电压比较电路[3]将信号转化为方波。电压比较器的基准电压为地，即0 V。该迟滞比较器的迟滞范围为0.13 V，当输入电压大于0.13 V时，输出为低电平，0 V；当电压小于0 V时，输出为高电平，VCC(5 V)。

2 工程实际中的故障分析

经外场反馈故障，远程接口单元对左发动机转速采集有误。具体表现为，当输入频率小于2300 Hz时，RIU可正常采集到相应频率；当输入频率大于等于2300 Hz时，RIU将采集不到相应频率。

2.1 故障定位

针对上述问题，对转速采集电路进行测试分析，确定故障源。

输入正弦波峰值为10 V，频率为2300 Hz时，示波器波形如图2所示。

图2 2300 Hz/10 V正弦波输入下示波器波形1

其中，示波器1表笔为经钳位电路后的输出波形，2表笔为比较器输出波形。

更换位置测量波形，进行验证对比。如图3所示。其中，示波器1表笔为比较器输入端，2表笔为比较器输出端。

图3 2300 Hz/10 V正弦波输入下示波器波形2

由图2和图3可以看出，输入正弦波经过钳位电路，仅有负电压被钳位至-0.7 V，而正电压并未被钳位。致使该钳位波形经过二次滤波放大为图3中1表笔波形，几乎整个波形均在0 V电压之上，无小于0 V电压。因此，比较器根据基准电压0 V，并不会输出高电平，仅为一条0 V电压波形，如图3中2表笔波形所示。

综上分析，怀疑V1位二极管并未发挥作用，可能存在断路。二极管故障导致负向钳位电路失效，无法将电压钳位至0.7 V。测量V1二极管静态特性，将所有电缆拔除，仅留单独的DIO模块。万用表调置二极管档，测量显示为开路。因此确定该故障为V1断路所致。更换V1后，波形正常，故障消失。

2.2 故障分析

采集故障仅在频率大于等于2300 Hz时才会出现，而小于2300 Hz时则故障不会出现。因此，下面将分析输入信号频率的变化可能对故障的影响。

现输入一2220 Hz的正弦波，峰值仍为10 V。示波器测量比较器输入和输出波形如图4所示。其中，示波器1表笔为比较器输入波形，2表笔仍为比较器输出的方波。

结合2300 Hz输入时的波形图分析，频率为2220 Hz时，虽然输入波形正端没有被钳位，经放大滤波后，比较器输入端波形仅有很短时刻电压在0 V以下，与之对应的比较器输出仅有在输入波形小于0 V时表现为高电平，高低电平变换可正常测量出频率。

图4 2220Hz/10V正弦波输入下示波器波形

这是因为频率小时，周期变长，则比较器输入波形小于0 V的时间就会变长，可成功采集到通过比较器输出的高电平。随着频率增加，当频率为2300 Hz时，比较器输入波形小于0 V的时间缩减为0，就不能输出高电平。因此，在负向钳位二极管故障的情况下，频率增高至一定阈值时，采集故障出现。

经实验可知，输入信号的频率变化确会对故障造成影响。那么输入信号的幅值是否也会对故障有所影响。现改变正弦波幅值，观察幅值对故障结果的影响。输入一个正弦波，峰值为9 V，频率为2300 Hz，示波器测量波形如图5所示。其中示波器1表笔为比较器输入波形，2表笔为比较器输出波形。

图5 2300 Hz/9 V正弦波输入下示波器波形

对比图5和图3，进行分析，在输入正弦波的幅值变小后，同样频率下，与10 V幅值正弦波比较可以看出，比较器输入端波形处于0 V以下的时间变长，相应的比较器输出的高电平较为明显。这是因为输入信号幅值变小后，经过二次滤波，负电压被滤掉的部分变少，处于0 V以下的电压变多。因此输入信号幅值越小，故障越不容易复现。

3 电路优化设计及分析

以上讨论的输入均为电压偏移为0的正弦信号，但实际可能会出现存在电压偏移的正弦信号，在该情况下，如单极性正弦输入时，经过正负向钳位后就会不存在0.7 V的正负变换。针对以上采集局限性，在输入信号的电阻后增加两个隔直电容C5、C6，使隔直后波形为电压偏移为0的正弦信号[4]。具体电路图如图6所示。

图6 0～10 V采集电路优化设计

进一步分析该优化电路，当出现上一节所述故障，即钳位二极管V1断路时，各测试点波形如图7所示，其中1表笔波形为钳位后波形，2表笔波形为比较器输入，3表笔波形为比较器输出方波。

图7 优化电路下V1二极管故障时的各测试点波形

从图7中看出，钳位后的波形随着时间增长，幅值越来越大，导致滤波后的比较器输入信号也在增大，逐渐往上偏离0 V电压。刚开始比较器还可以输出高电平，之后一直为低电平。因此，在频率2000 Hz下，开始故障不会显现，随时间增长故障就会出现。分析原因，以上情况可能为C5、C6电容充电导致。V1故障后，电流仅经过V2通路逆时针回流对C5、C6充电；同样V2故障后，电流仅经过V1通路顺时针回流对C5、C6充电。对比之前电路，当V1或V2二极管故障时，只有输入频率到达一定程度，故障才会显现。优化后的电路，不仅可以解决了原有电路采集的局限性，还可提早发现二极管故障，不必等到频率升高才会显露问题。

4 结语

本文主要就飞机发动机转速信号采集进行电路设计分析。针对工程实际中的采集故障，进行试验分析，对故障进行定位，并分析输入信号对故障复现的影响。实验分析可知，输入信号的幅值越高，频率越大故障越容易复现。然后针对电路对输入信号的电压偏移不为0时的采集局限性问题，进行电路优化。经过仿真分析，优化电路可解决该问题，还可以尽早的发现钳位二极管故障，提高安全性。