航空交流供電測試系統(tǒng)信號源的設(shè)計(jì)

針對航空交流供電系統(tǒng)設(shè)備冷臺調(diào)試技術(shù)的研究,本文對測試系統(tǒng)主要組成部分之一的發(fā)電機(jī)交流信號源的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述,主要介紹了其硬件基本構(gòu)成。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)與總線結(jié)構(gòu),擴(kuò)展性與可維護(hù)性較好。可根據(jù)需要調(diào)整并應(yīng)用于其他測試系統(tǒng)。有良好的使用發(fā)展空間。

一、引言

隨著飛機(jī)供電系統(tǒng)的發(fā)展，交流供電已經(jīng)成為目前大多數(shù)飛機(jī)的主要供電方式。目前各 *仍延續(xù)著傳統(tǒng)“變頻器—發(fā)電機(jī)—拖動臺”方式的熱臺調(diào)試技術(shù)。其缺點(diǎn)是投資大，修 理成本高，能源消耗大，操作繁雜。針對以上熱臺調(diào)試技術(shù)的缺點(diǎn)，我們進(jìn)行了對航空交流 供電系統(tǒng)冷臺調(diào)試技術(shù)的研究。本文所介紹的信號源，是為冷臺調(diào)試系統(tǒng)供電以及提供檢測 信號的環(huán)節(jié)。

二、信號源主要模擬信號 在研究過程中，根據(jù)航空交流供電系統(tǒng)和調(diào)試工藝的要求，確定系統(tǒng)主要模擬的信號如 下：

發(fā)電機(jī)輸出三相電壓信號：頻率、電壓可調(diào)的三相交流信號：360-440Hz/100-300V，功 率200VA，調(diào)節(jié)精度：頻率步長≤0.1Hz，電壓0.1V。

網(wǎng)上電壓信號：頻率、電壓可調(diào)的單相交流信號：360-440Hz/0-120V，功率100VA，調(diào) 節(jié)精度：頻率步長≤0.1Hz，電壓0.1V。

副激磁機(jī)信號：頻率、電壓可調(diào)的三相交流信號：700-800Hz/0-60V，功率300VA，調(diào) 節(jié)精度：頻率步長≤0.2Hz，電壓0.1V。

無功電流均衡信號：與發(fā)電機(jī)輸出電壓信號的某一相相同或反向。0-30V，功率30VA， 精度：電壓調(diào)節(jié)≥0.1V。

有功電流均衡信號：與發(fā)電機(jī)輸出電壓信號的某一相相同或反向。精度：電壓調(diào)節(jié)≥ 0.1V。

發(fā)電機(jī)及其饋線短路信號：與發(fā)電機(jī)輸出電壓信號的某一相相同或反向。功率30VA。

三、系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1、設(shè)計(jì)思想

在供電系統(tǒng)測試中系統(tǒng)輸出電源與發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出相比要求波形失真度小，頻率改變時 系統(tǒng)能快速穩(wěn)定。從設(shè)計(jì)要求的角度出發(fā)，本系統(tǒng)使用了512 個樣點(diǎn)來構(gòu)成正弦信號的一個 周期波形；在功放環(huán)節(jié)采用了甲乙類互補(bǔ)功率放大；在頻率合成部分使用鎖相技術(shù)保證頻率的穩(wěn)定。系統(tǒng)流程圖見圖1。

單片機(jī)是系統(tǒng)的核心組成部分，通過串口與工控機(jī)通訊，接受工控機(jī)發(fā)送的調(diào)頻、調(diào)相 和調(diào)幅信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后控制分頻器產(chǎn)生51.2Hz 的頻率基準(zhǔn)信號，送入頻率合成器后 經(jīng)鎖相和鎖頻，得到頻率為F=n×51.2Hz 的穩(wěn)定的頻率信號，此信號輸入循環(huán)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生 地址信號，在加法器中與相位控制信號合成，使信號相位可調(diào)。經(jīng)波形存儲器，取出正弦波 形數(shù)據(jù)。由D/A 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為正弦交流供電信號。通過乘法器使輸出信號幅值可調(diào)，然 后經(jīng)功率放大器進(jìn)行幅值和電流放大，產(chǎn)生頻率、相位、幅值可調(diào)的三相交流信號。

2、頻率合成器

頻率合成器由 8254 定時/計(jì)數(shù)器，4046 鎖相環(huán)組成。電路實(shí)現(xiàn)如圖2。

4046 有2 個相位比較通道，通道1 是或門結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通道2 是邊沿觸發(fā)數(shù)字存儲器網(wǎng) 絡(luò)。通道1 用于占空比為50%的信號比較，通道2 則無此限制。本系統(tǒng)使用了4046 的2 通 道。由RL1、RL2 和電容C 組成的低通濾波器的參數(shù)決定了VCO 產(chǎn)生的頻率范圍，本系統(tǒng) RL1、RL2、C 分別為150K、16K 和1μ。VCO 所產(chǎn)生的頻率范圍為180～620Hz。

由 1.8432MHz 的晶振進(jìn)行36000 分頻后產(chǎn)生的51.2Hz 頻率信號F-in，與8254 的1 通 道分頻后的頻率信號進(jìn)行比較，輸出頻率相差電壓信號從PC2 管腳引出，經(jīng)低通濾波器至 VCO，產(chǎn)生中心頻率為F-out 的振蕩信號。F-out 經(jīng)8254 進(jìn)行n 分頻后產(chǎn)生比較信號。頻率 穩(wěn)定后的F-out 輸出至循環(huán)地址產(chǎn)生器得到波形地址。

由 4046 的原理可知頻率鎖定后的F-out=51.2×n。

3、循環(huán)地址產(chǎn)生器與波形存儲器

循環(huán)地址產(chǎn)生器由 4526 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。F-out 頻率的信號接入4526 的CLK 端， F-out 的頻率即是計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率，計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的12 位計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)在4008 中與單片機(jī)發(fā)出 的相位控制信號相加，所得的12 位數(shù)據(jù)作為波形地址發(fā)送給由27256EPROM 構(gòu)成的波形存儲器，讀取波形數(shù)據(jù)，本信號系統(tǒng)使用正弦波形，一個周期的波形數(shù)據(jù)分為512 個點(diǎn)存儲。 因此，輸出的交流信號的頻率為：

F=F-out/512=n×51.2/512=0.1n

改變n 的值，就可以獲得不同頻率的信號。改變波形存儲器中波形數(shù)據(jù)可產(chǎn)生不同形狀 的波形，也可以通過增加存儲波形數(shù)據(jù)來改善信號的波形。

4、D/A 轉(zhuǎn)換及乘法電路

D/A 電路單元由DA 轉(zhuǎn)換和模擬乘法器兩部分構(gòu)成，均由由AD7541 和opa27 運(yùn)算放大 器實(shí)現(xiàn)。具體電路見圖3。

電路中，AD7541 與運(yùn)放OPA27 之間采用了單級二元運(yùn)算的連接方式。左半部分為D/A 轉(zhuǎn)換電路，右半部分為模擬乘法電路。D/A 電路將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為帶有直流成分的單級正弦 波模擬信號。根據(jù)AD7541 芯片此連接方式的運(yùn)算公式，得到經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后的信號為：

Ｖout1=－VREF×（1－BX/212）

BX 為波形存儲器輸出的波形數(shù)字量信號。

本系統(tǒng)中，VREF 設(shè)定為10V，所以經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后的得到的正弦信號為Vout1=10sin（wt）。此信號直接接至乘法器的參考端，與單片機(jī)的控制信號AM 相乘，可得到幅值可調(diào)節(jié)的交流正弦信號。轉(zhuǎn)換公式為：

Vout=VREF× (1－BX/212)×（1－AM/ 212）

因此，可以通過改變AM 的數(shù)值來調(diào)整輸出交流信號的幅值。即Vout=AM×10sin（wt）。

5、功放系統(tǒng)

功放系統(tǒng)分為幅值放大和電流放大兩部分，分別由運(yùn)算放大器和甲乙類互補(bǔ)功率放大器 實(shí)現(xiàn)。電路連接如圖4。

因?yàn)镈/A 電路輸出信號是具有直流成分的正弦信號，為了得到雙極性正弦信號，在放大器的輸入端，使用電容C1 濾去直流分量。由運(yùn)放的原理可得：

Uoutput/Uinput=(R2+R3)/R2

Uinput 是過濾了直流分量的正弦信號幅值，因此，通過調(diào)整R3 與R2 的電阻值，可以放大 信號幅值并可根據(jù)需要改變放大倍數(shù)。

在電流放大部分使用甲乙類互補(bǔ)功率放大器，減小了信號的交越失真，保證了放大后的 信號波形的完整。使用達(dá)林頓管作為單體放大單元，提高輸入阻抗。在功率不足以滿足系統(tǒng) 需求時，可以并聯(lián)使用以進(jìn)一步增大功率放大倍數(shù)。

四、系統(tǒng)軟件簡介

本系統(tǒng)與配套工控機(jī)配合使用，由工控機(jī)通過串行接口對本信號源系統(tǒng)進(jìn)行控制。工控 機(jī)部分的程序由Visual Basic 編寫，信號系統(tǒng)程序以WAV6000 為開發(fā)平臺，由匯編語言編 寫。

由工控機(jī)發(fā)給單片機(jī)的命令為 2 進(jìn)制數(shù)，一條命令由3 字節(jié)組成，連續(xù)發(fā)送兩次。單片 機(jī)正確收到并校驗(yàn)后，返回命令00H，否則返回FFH。如果沒有正確收到，0.5 秒后才能重 發(fā)。其數(shù)據(jù)格式如表1。

從數(shù)據(jù)格式可以看出，單片機(jī)依據(jù)據(jù)命令的首字節(jié)決定進(jìn)行的處理動作。第二和第三字 節(jié)為具體控制數(shù)據(jù)。根據(jù)此格式，可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

五、結(jié)束語

本信號源系統(tǒng)電源電壓、頻率、相位以及波形形狀可以根據(jù)實(shí)際情況由單片機(jī)進(jìn)行調(diào)整。 具備體積小、重量輕、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。在使用過程中系統(tǒng)運(yùn)行可靠，輸出電源信號各參數(shù) 達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。且已經(jīng)通過了技術(shù)鑒定并在其它測試領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。良好的可擴(kuò) 展性與性價(jià)比增加了其使用空間。