峰值采样电路在涡轮叶片温度检测系统中的应用

1 引言

随着航天航空、汽车制造业的发展，为提高发动机的功率和推力，需要尽可能提高涡轮入口温度，进而关系到涡轮叶片工作时的表面温度。目前国外新型的航空燃气涡轮发动机涡轮前的温度已达到1 811～2 144 K，炽热的燃气直接与涡轮叶片接触，涡轮叶片需承受很高的热负荷，然而，涡轮人口温度受叶片材料限制，金属材料的强度随温度的升高而降低，因此不允许涡轮叶片在超温状态下工作，所以需要精确而快速地实时监测涡轮叶片温度。

2 峰值采样电路原理

涡轮叶片的温度场表现为沿叶片弦向中间高、两边低的曲线形式，如图1所示。


涡轮叶片高速旋转，可将其弦向温度曲线近似看作正弦曲线。为准确找出每个叶片温度的最大值，可仅在温度信号到达峰值的瞬间对其采样，得到温度最大值，这种方法称为峰值采样。因为在一个周期内只采样一次(在峰值点)，并直接得到温度最大值，无需复杂运算，所以峰值采样速度较快。

3 峰值采样电路设计

峰值采样电路通常由采样／保持器和比较器组成。如图2所示。LF398是采样／保持器，CMP是比较器，CAP是保持电容。当Vi>Vo时，V1为高电平，并控制LF398采样；当经过峰值后，Vi<Vo，此时V1为低电平，使LF398处于保持状态，此时VO不变，即峰值被保持。


实验证明此电路应用于被测信号小于10 kHz的系统效果较好，由于被测温度信号在30 kHz以上。频率较高。该峰值采样电路已不再适用，主要原因一是其保持时间太短，要求A／D转换器转换速度快，改用高速A/D转换器又不经济：二是对于峰值时刻与控制脉冲跳变时刻的偏移无法调节。这种电路用于较低频率(10 kHz以下)系统效果较好，但随着频率的升高，偏移就越大。

基于以上原因，对该电路进行改进，给出一种由集成和分立元件组合的跨导型峰值采样电路，如图3所示。


图3中，G是跨导运算放大器，B是跟随器，CAP是保持电容。峰值采样利用二极管的单向导电性和电容器的存储作用构成的，当脉冲信号到来时，如果模拟输入信号的幅度Vi大于A2的输出幅度，则A1输出高电平，并通过二极管对电容器CAP充电。只有当A2的输出上升到和模拟输入值相等时，A1的输出为低电平，则CAP才停止通电。这时电容CAP将保持输入电压值。

针对电压型峰值采样电路的缺点，提出由跨导运算放大器代替电压型中的一般运算放大器。

跨导运算放大器又称“OTA”。由场效应管构成，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象、动态范围大的特点。它将电压输入变为电流输出，并通过外加偏压控制运算放大器的工作电流。使其输出电流在较大的范围内变化，具有电流输出范围宽、转换速率高等特点，且无需外接电流源提供静态回路。利用高速比较器直接比较保持信号与输入脉冲来产生峰值信号。

4 电路分析及讨论

对于跨导运算放大器的输出电流有：


式中，g为跨导，当在峰值电压时，vi-vo。趋向于零，电流i也趋向于零，即在tL(回路时间，指信号从输入到反馈回来的时间)的时间内，电流i由最大向零变化。过冲也随之变小。

同样，计算该电路的频率特性。

则系统电压转移函数为：

电路的转折频率为
此电路只有一个极点。

由以上计算可知，跨导型峰值采样解决了电压型峰值采样的两个缺点，如图4所示，提高了峰值采样的性能。实际电路的调试结果也证明了这一点。CA3080是一种单片集成跨导运算放大器，具有电流输出范围宽、转换速率高等特点，且无需外接电流源提供静态回路。


具体电路如图5所示。图5电路中需注意C1值的选择，根据不同的通频带上限频率f所用的C1值是不同的。选择方法如下：



对于跨导运算放大器CA3080，其输出最大电流时典型正向跨导为g=10 ms，在理想情况下，该电路的通频带极宽，主要原因在于OTA的输出阻抗极大(约107Ω)，可近似认为其输出电流与负载无关。

5 结束语

该峰值采样电路线性较好，不会产生过冲，通过调节电容C1的值，可调节带宽。电路中的跟随器LM358N输入阻抗大，输出阻抗小，起到阻抗匹配的作用。而且无需增设温度补偿特性电路，使电路结构简单，易调试维护，可靠性和一致性较好。

编辑：博子