摘要：本文介紹了同步器信號采集板在飛行參數記錄系統中的應用，同步器信號采集板的采集原理及硬件電路設計方法。

飛行參數記錄系統俗稱“黑匣子”，是民用和軍用飛機普遍加裝的重要機載設備之一。飛行參數記錄系統采集的同步器信號參數主要是飛機的姿態角和航向角參數，包括地平儀姿態陀螺的俯仰角、傾斜角和航向陀螺的航向角，這些都是飛行參數記錄系統中重要的飛機姿態參數對于保障飛行安全，提高飛行訓練水平和機務維護質量都具有十分重要的作用。

系統組成
某型機載飛行參數記錄系統由飛參控制器、飛參數據采集器、防護記錄器、電源4部分組成。其中飛參數據采集器采用了統一總線方式下的功能模塊設計技術，按功能分為6個模塊：中央處理器板、模擬量采集板、開關量采集板、頻率量采集板、同步器信號采集板、固態記錄卡。本文著重介紹同步器信號采集板的采集原理和實現過程。同步器信號采集板由同步器轉換模塊、數據鎖存電路、地址譯碼電路、控制電路等組成，完成3路同步器信號的采集。

同步器信號采集原理
航空地平儀用來測定飛機在空間相對于地平線的狀態，輸出與俯仰角和傾斜角成比例的電信號；航向系統用于測定飛機相對于地磁場的航向角，輸出與航向角成比例的電信號。飛機姿態和航向陀螺輸出的角度信號為三相交流同步器信號。三相交流同步器又稱自整角機，分解器又稱旋轉變壓器，它們皆歸類于微特電機。在傳統的測角跟蹤系統與機電模擬解算系統中，它們都是重要的組成部件。在轉角與位移測量系統中，它們也是一種常用的角度傳感器。本設計選用的ZSZ/XSZ-02是一種超小型、模塊式、通用化的自整角機/旋轉變壓器—數字轉換器，采用二階伺服原理設計，數據輸出具有三態鎖存功能，采用32線雙列直插金屬外殼封裝，體積小，重量輕，可靠性高。
輸入信號可以接收來自三線自整角機的角度激勵信號和參考電壓信號，也可以接收來自四線旋轉變壓器的角度激勵信號和參考電壓信號。輸出角度信號經過三態數據鎖存器鎖存、變成與TTL電平兼容的并行二進制碼數字量信號。三態輸出能使多個轉換器直接掛在數據總線上，而且在使用禁止信號/INH時不斷開轉換器內部回路。該系列轉換器和美國AD公司生產的SDC/RDC1740系列兼容。
為了將模擬信號變換成表示角度的數字信號，以前往往采用模擬開關、采樣/保持、A/D轉換器等組成轉換電路來完成。近十多年來研制出將自整角機和旋轉變壓器輸出的交流信號直接變換成數字信號的器件，即自整角機/數字轉換器(SDC)和旋轉變壓器/數字轉換器(RDC)器件。
自整角機/旋轉變壓器—數字轉換器模塊結構框圖如圖1所示。
自整角機輸出的三線電壓或旋轉變壓器輸出的四線電壓分別對應接至轉換器SDC或RDC的輸入端S1、S2、S3端或S1、S2、S3、S4端。
如果器件是自整角機一數字轉換器，則自整角機三線輸出應連接到轉換器上的S1、S2和S3端，那么微型Scott變壓器將這些信號轉換成正弦、余弦形式。即：
V1=K1U0sinwtsinq
V2=K1U0SinwtCosq
這里q是自整角機軸角。
如果器件是旋轉變壓器一數字轉換器，則旋轉變壓器四線輸出應連接到轉換器上的S1、S2、S3、和S4端，那么此時的微型變壓器只起隔離和變壓作用。
V1=K1U0sinqcoswt
V2=K1U0cosqsinwt
為便于理解轉換過程，假定可逆計數器當前字狀態為f，那么，V1乘以Cosf、V2乘以Sinf得到：
K1U0 sinqcosfsinwt
K1U0 cosqsinfsinwt
這些信號經誤差放大器后得到：K1U0(sinqcosf-cosqsinf)sinwt
經三角函數變換后得到：K1U0sin(q-f) sinwt
由相敏解調器、積分器、壓控振蕩器(VCO)和可逆計數器等組成的閉環系統使Sin(q-f)趨近于零，即q=f。當這個過程完成時，可逆計算器內的代碼(f)就等于轉換器的轉換結果，轉換器輸出的二進制數字值(φ)代表了自整角機或旋轉變壓器輸出的軸角θ，該數字值直接或通過三態鎖存器送至計算機用于顯示。假定禁止信號“/INH”是邏輯高電平，那么，可逆計數器被更新以后，其數字量φ將被選通進入三態鎖存器，如果使能信號“/ENM”和“/ENL”是邏輯低電平，那么φ將出現在輸出端上。

圖1 自整角機/旋轉變壓器—數字轉換器模塊原理框圖

圖2 多路同步器模塊連接線路框圖

圖3 同步器信號發送與接收模塊連線圖

同步器信號采集板電路設計
ZSZ/XSZ-02同步器模塊控制信號有三個：/INH、/EN、BYSEL。計算機與外部設備交換數據時，要對外設發送設備選擇信號/CS和讀信號/RD，當數據總線為8位寬度時，計算機還需發送字節選擇信號BYSEL。轉換模塊與計算機之間交換數據的能力與一般外部設備一樣具有兼容性。/INH引腳與計算機的/CS信號相連，/EN引腳與/RD信號相連，BYSEL引腳與計算機的字節選擇信號相連。當使用8位寬度的數據總線時，只需ZSZ(XSZ)的高8位依次連接到8位數據總線上。在字輸出時，轉換器的BYSEL引腳應接高電平(或懸空)，并且模塊全部數據輸出線與計算機數據總線一一相連。
當進行數據傳輸時，計算機可向/INH端發一個邏輯低電平，從而阻止鎖存器的刷新，當/INH端被置于低電平并延遲600ns后，便可讀取數據。最后一個地址結束時須把/INH恢復成高電平。這里把/EN作為地址信號。線路框圖見圖2。也可以把每個轉換器的/INH與計算機地址信號相連， /EN與計算機讀信號/RD相連，并相應將時序進行調整。
自整角機激磁引線端Z1、Z2及信號輸出端D1、D2、D3與ZSZ模塊的參考引腳RH、RL及輸入信號引腳S1、S2、S3之間按圖3的對應關系接線，這種接法與電氣零位調零的規則(GB13138-91)自整角機規范、(GB10241-88)旋轉變壓器規范相一致。若兩個參考信號引腳間接反或三個信號引腳間接線錯了，不會引起轉換器的損壞，但會引起零位和編碼方向調整的麻煩。
同步器信號采集板完成三路同步器信號的采集，由同步器轉換模塊、數據鎖存電路、地址譯碼電路、控制電路等組成。同步器信號采集板電路組成方框圖見圖4。
同步器轉換模塊把地平儀、航向陀螺輸出的三相正余弦同步器角度信號變成單片機能接收的數字量信號，同步器轉換模塊是一種采用跟蹤轉換技術和模塊化結構的自整角機—數字轉換器，它應用二階伺服回路，輸出是與TTL電平兼容的12位并行自然二進制碼，完成角度的模/數轉換，且在數字輸出端包含三態鎖存器。
地址譯碼電路，實現三路同步器轉換模塊的地址譯碼，分時讀取每一路同步器模塊的角度信號。控制電路由邏輯門電路組成，實現三路同步器轉換模塊的數據分時讀取使能控制。數據鎖存電路由三態數據鎖存器組成，鎖存同步器轉換模塊的高4位數據，實現12位同步器數據的分時讀取。飛參數據采集器通過系統8位數據總線，分兩次讀取轉換數據，先讀取12位同步器轉換模塊的低8位數據，再讀取同步器轉換模塊的高4位數據。通過同步器數據采集板完成了飛行參數記錄系統同步器信號的數據采集。

圖4 同步器信號采集板電路組成方框圖

結語
同步器采集板在原理設計階段，解決了12位同步器數據的同步采集存儲、三路同步器信號的分時采集、同步器數據實時性隨動變化、同步器采集板電源去偶濾波等技術難點。同時使用非常方便，只需將自整角機或旋轉變壓器的引線和轉換器的引腳一一對應相連即可。為減少干擾，在同步器供電模塊電源的+5V、+15V和-15V到公共地(GND)之間并聯一個0.1mF和6.8mF的濾波電容。
同步器信號采集板作為飛行參數記錄系統的一部分，已批量裝備部隊使用。同時作為試飛測試系統中機載數據采集器的一部分，已在多個系統和項目中得到廣泛應用。通過用戶的使用證明，系統工作穩定可靠。