峰值采樣電路在渦輪葉片溫度檢測系統中的應用

1 引言

　　隨著航天航空、汽車制造業的發展，為提高發動機的功率和推力，需要盡可能提高渦輪入口溫度，進而關系到渦輪葉片工作時的表面溫度。目前國外新型的航空燃氣渦輪發動機渦輪前的溫度已達到1 811～2 144 K，熾熱的燃氣直接與渦輪葉片接觸，渦輪葉片需承受很高的熱負荷，然而，渦輪人口溫度受葉片材料限制，金屬材料的強度隨溫度的升高而降低，因此不允許渦輪葉片在超溫狀態下工作，所以需要精確而快速地實時監測渦輪葉片溫度。

　　2 峰值采樣電路原理

　　渦輪葉片的溫度場表現為沿葉片弦向中間高、兩邊低的曲線形式，如圖1所示。

　　渦輪葉片高速旋轉，可將其弦向溫度曲線近似看作正弦曲線。為準確找出每個葉片溫度的最大值，可僅在溫度信號到達峰值的瞬間對其采樣，得到溫度最大值，這種方法稱為峰值采樣。因為在一個周期內只采樣一次(在峰值點)，并直接得到溫度最大值，無需復雜運算，所以峰值采樣速度較快。

　　3 峰值采樣電路設計

　　峰值采樣電路通常由采樣／保持器和比較器組成。如圖2所示。LF398是采樣／保持器，CMP是比較器，CAP是保持電容。當Vi>Vo時，V1為高電平，并控制LF398采樣；當經過峰值后，Vi

　　實驗證明此電路應用于被測信號小于10 kHz的系統效果較好，由于被測溫度信號在30 kHz以上。頻率較高。該峰值采樣電路已不再適用，主要原因一是其保持時間太短，要求A／D轉換器轉換速度快，改用高速A/D轉換器又不經濟：二是對于峰值時刻與控制脈沖跳變時刻的偏移無法調節。這種電路用于較低頻率(10 kHz以下)系統效果較好，但隨著頻率的升高，偏移就越大。

　　基于以上原因，對該電路進行改進，給出一種由集成和分立元件組合的跨導型峰值采樣電路，如圖3所示。

　　圖3中，G是跨導運算放大器，B是跟隨器，CAP是保持電容。峰值采樣利用二極管的單向導電性和電容器的存儲作用構成的，當脈沖信號到來時，如果模擬輸入信號的幅度Vi大于A2的輸出幅度，則A1輸出高電平，并通過二極管對電容器CAP充電。只有當A2的輸出上升到和模擬輸入值相等時，A1的輸出為低電平，則CAP才停止通電。這時電容CAP將保持輸入電壓值。

　　針對電壓型峰值采樣電路的缺點，提出由跨導運算放大器代替電壓型中的一般運算放大器。

　　跨導運算放大器又稱“OTA”。由場效應管構成，具有輸入電阻高、噪聲小、功耗低、沒有二次擊穿現象、動態范圍大的特點。它將電壓輸入變為電流輸出，并通過外加偏壓控制運算放大器的工作電流。使其輸出電流在較大的范圍內變化，具有電流輸出范圍寬、轉換速率高等特點，且無需外接電流源提供靜態回路。利用高速比較器直接比較保持信號與輸入脈沖來產生峰值信號。

　　4 電路分析及討論

　　對于跨導運算放大器的輸出電流有：

　　式中，g為跨導，當在峰值電壓時，vi-vo。趨向于零，電流i也趨向于零，即在tL(回路時間，指信號從輸入到反饋回來的時間)的時間內，電流i由最大向零變化。過沖也隨之變小。

　　同樣，計算該電路的頻率特性。

　　則系統電壓轉移函數為：

　　電路的轉折頻率為，此電路只有一個極點。

　　由以上計算可知，跨導型峰值采樣解決了電壓型峰值采樣的兩個缺點，如圖4所示，提高了峰值采樣的性能。實際電路的調試結果也證明了這一點。CA3080是一種單片集成跨導運算放大器，具有電流輸出范圍寬、轉換速率高等特點，且無需外接電流源提供靜態回路。

　　具體電路如圖5所示。圖5電路中需注意C1值的選擇，根據不同的通頻帶上限頻率f所用的C1值是不同的。選擇方法如下：

　　對于跨導運算放大器CA3080，其輸出最大電流時典型正向跨導為g=10 ms，在理想情況下，該電路的通頻帶極寬，主要原因在于OTA的輸出阻抗極大(約107Ω)，可近似認為其輸出電流與負載無關。

　　5 結束語

　　該峰值采樣電路線性較好，不會產生過沖，通過調節電容C1的值，可調節帶寬。電路中的跟隨器LM358N輸入阻抗大，輸出阻抗小，起到阻抗匹配的作用。而且無需增設溫度補償特性電路，使電路結構簡單，易調試維護，可靠性和一致性較好。