载人航天器浮地信号采集接口电路研究

2011-06-08王林涛

航天器环境工程 2011年6期

王林涛

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

航天器上各台产品的工作状态一般以电压形式的模拟信号表征，对于模拟信号的采集是航天器数据管理的重要部分。较多航天器对于模拟信号的采集采用了差分采集的形式，但是在设计或者测试过程中发现对于浮地信号的采集出现了不少偏离设计初衷的现象。本文结合载人航天器型号研制过程中遇到的问题，按照具体的电路设计从机理上进行分析及试验验证，给出浮地信号采集的接口设计方法。由于大多数航天器的遥测采集单机设计相似，所以本方法对很多航天器型号都具有借鉴意义。

1 浮地信号采集接口电路介绍

1.1 信号采集电路介绍

模拟信号的采集形式一般分为单端采集和双端采集两种。单端采集是模拟信号源端仅提供信号的高电平引线（信号线），不提供地线；采集端仅接收信号线，以采集端电路自身的模拟参考地作为参考电平进行信号采集。其缺点是一般情况下信号源端与采集电路相距一定距离，地线上存在电流或者干扰信号，可能造成两者的地电势不等，出现测量误差。双端采集是模拟信号源端提供信号的高电平引线及低电平引线（回线）；采集端电路通过双电平差分模式对信号进行采集。模拟信号源的高、低电平端相对于采集电路的模拟参考地都是浮起的。

载人航天器的模拟量采集是通过遥测采集单机设备实现的，采用双端采集设计，其原理见图1。遥测采集单机由28 V直流电源供电，通过内置的DC/DC（直流/直流电源变换器）转换为设备内部芯片使用的电压。二次地在航天器上最终与结构连接。模拟信号的信号线和地线进入遥测采集单机后，通过HI546和HI547多路选择电子开关进行控制选通，由AD620差分放大器对信号进行2倍的放大，然后通过 LM101电压跟随器送往AD574进行模拟量的采集。

图1 模拟量采集电路图Fig.1 The circuit for analog signal acquisition

载人航天器上有数百个模拟量，因此需要对模拟量进行切换采集。遥测采集单机对于模拟量的采集每4路通道为一组且共用一条回线，各组之间回线相互隔离，如图2所示。

图2 采集通道及回线安排示意图Fig.2 Schematic diagram of acquisition channels and loop lines

1.2 浮地信号介绍

载人航天器模拟信号的回线一般与航天器的结构相连。但是对于个别的特殊信号，可能存在回线与地不相连的情况，即浮地。比如并网控制器的输出为浮地。

并网控制器用于两个航天器之间供电并网。供电的航天器采用100 V高压供电体制，受电的航天器采用28 V供电体制。在并网供电输送时，需要进行100 V到28 V的电压转换，因此配置了并网控制器，承担电压变换及电源的配送任务。并网控制器的供电输出回线须与设备壳体及舱体绝缘，以保证受电航天器的供电母线单点接地。

并网控制器内部电路原理如图3所示。设备工作时，首先接通 100 V输入继电器，观察DC/DC工作是否正常，然后分别接通输出回线继电器和输出正线继电器。其中C为DC/DC输出电压遥测正线接点，由并网控制器的28 V电源模块输出供电。C1为继电器状态遥测正线接点、C2为温度遥测正线接点，由辅助DC/DC供电。B和B1为遥测回线接点，所有遥测回线均接在一起，与机壳隔离。由图3可知，这些信号均为浮地信号。

图3 并网控制器内部原理图Fig.3 The principle diagram of power parallel connection controller

2 接口匹配实例分析

2.1 实例介绍

将并网控制器的浮地信号送往遥测采集单机进行采集，产生了如下现象：当并网控制器输入100 V继电器接通后，一部分输出遥测参数缓慢上升至最终稳定，一部分遥测参数发生跳变后缓慢上升。遥测参数变化情况如表1所示。

表1 并网控制器遥测参数变化情况Table 1 The parameters of power parallel connection controller

由图3可知，并网控制器遥测均为模拟量遥测，通过电阻分压送往遥测采集单机进行模拟量采集。并网控制器输入端接收100 V电压，100 V回线在上级设备处接地。输出部分为浮地，仅通过电源模块输出端的共模滤波电容与地连接。

由表1列出的实际情况可知，100 V输入的遥测正常，而其他遥测均出现了异常。两者的区别是100 V遥测与航天器结构地连接，而其他遥测信号均为浮地。

2.2 分析定位

经过分析，产生此现象的可能原因有3个：并网控制器输出特性异常，遥测采集单机正常，遥测电压反映了并网控制器输出的实际遥测电压；并网控制器输出正常，遥测采集单机异常，即遥测采集单机对于浮地信号采集功能的特性就是如此；两台单机不匹配造成工作异常，在两台单机连接后，由于匹配原因导致并网控制器输出受干扰或者遥测采集单机采集受干扰。根据以上的分析列出分析树如图4所示。

图4 并网控制器分析树Fig.4 Analysis tree of power parallel connection controller

1）并网控制器输出

对并网控制器进行了单机测试，连接关系如图5所示。

图5 并网控制器单机测试连接示意图Fig.5 Connection relationship of single equipment test

试验内容及步骤如下：

① 地面电源100 V供电接通，测量遥测回线和机壳之间的电压为0 ，遥测正线和机壳之间的电压为0 。

② 用万用表搭接在并网控制器遥测正线和回线之间，并网控制器100 V输入继电器接通，万用表测量电压立即升至2.38 V，根据电阻分压系数12.49，可得到输出电压的遥测值为29.73 V，测量值正常。

③ 100 V输入继电器断开。

④ 用万用表搭接在并网控制器遥测回线和大地之间，然后100 V输入继电器再次接通。发现万用表显示遥测回线从-13 V缓慢上升，30 s左右上升至-1.2 V左右，1 min后接近0。

由以上的测试结果可知，100 V输入继电器闭合后，并网控制器遥测正线和回线之间压差立即上升并保持不变，即送往遥测采集单机的差分信号并未出现异常。

另外根据分析可知，在并网控制器单机测试的状态下，遥测回线相对于大地的电压值应该保持在-13 V左右，当万用表接入进行电压测量时，将电容积累的电荷释放到大地。其时间取决于并网控制器回线与大地之间的电容对万用表内阻（大约10 MΩ）放电速度的快慢。因此产生了万用表测量信号正线或者回线时电压最终均缓慢变化至0 的现象。

2）遥测采集单机浮地采集

对于遥测采集单机采集异常，由于遥测采集单机能正常采集除单网控制器遥测输出电压以外的器上其他设备的遥测电压，而并网控制器的遥测接口与其他设备主要的区别在于其遥测回线没有接地，即浮地。所以，针对遥测采集单机能否实现浮地电压采集进行了如下试验：

将一节1.5 V干电池的正负极通过转接盒接到遥测采集单机的遥测正线和回线上，进行电压采集，发现遥测数据立即上升，不存在缓慢上升的现象，即遥测采集单机具有浮地采集的能力。

3）单机接口匹配

单机匹配的问题主要是指并网控制器与遥测采集单机在连接状态下的相互影响。表现为并网控制器的遥测输出电压受到干扰，就是缓慢上升的；或者遥测输出电压正常，但遥测采集单机受到了干扰产生异常。

① 对于并网控制器和遥测采集单机进行了联试，试验内容及结果如下：

a.遥测采集单机28 V稳压电源供电接通，遥测采集单机开机，进行遥测参数监视；

b.并网控制器地面电源供电接通，万用表接在遥测正线和回线之间；

c.并网控制器100 V输入继电器接通，观察到万用表的测量电压立即升高到2.38 V，此时由遥测采集单机地面上位机检测到的遥测由 00缓慢上升到77（16进制，对应电压为2.37 V）。

由此试验结果可以排除两机联试状态下并网控制器输出电压异常，确定为遥测采集单机采集异常。

② 由图 1可知，遥测采集单机输出电压可能发生变化的环节包括 HI546，AD620，LM101和AD574等。为了进行故障定位，将遥测采集单机开盖，使用示波器测试电压，示波器为电池供电。试验内容及结果如下：

a.遥测采集单机开盖后用示波器对HI546的输出端进行压差的测量，即图1中E、F点之间的电压。通过测量发现，当继电器闭合后，E、F两点间压差立即为2.38 V，并未发现异常。此现象证明 HI546在继电器闭合后处于正常工作状态，此故障分支可排除。HI546正常工作电压为±15 V，但是在工作电压远远超出额定值的情况下仍能正常工作且不损坏[1]。

b.遥测采集单机开盖后用示波器对 AD620的输出端进行压差的测量，即图1中G点和大地之间的电压。通过测量发现，当继电器闭合后，遥测显示缓慢上升的同时，G点和大地之间电压也是缓慢上升的，并且约20 s后同时稳定。结合上文分析及试验现象可以断定 AD620处于非正常工作状态。

c.遥测信号经 AD620处理后为单端信号，LM101构成的电路为电压跟随器，因此随着AD620输出电压缓慢上升，AD574采集的值也相应缓慢上升，且信号电压约为 5 V，均在芯片正常工作范围内（LM101为±15 V[2]、AD574为±24V[3]），可以断定两芯片工作正常。

经上述试验及分析得知，导致异常现象的原因在于遥测采集单机内部芯片 AD620在外部环境下处于非正常的工作状态。

2.3 现象机理分析

1）通过对上述试验分析，此现象的产生主要经历了以下3个过程：

① 并网控制器100 V输入继电器接通时，输出电压遥测回线和机壳之间形成负电压（-13 V左右）；

② 此遥测信号传递至遥测采集单机内部后，使得其内部芯片 AD620在输入回线和二次地之间的负偏置电压绝对值过大，进而输出电压会比正常值小；

③ 遥测回线通过遥测采集单机向机壳缓慢释放电荷导致回线电压缓慢上升，进而使AD620输入回线和地之间的负偏置电压绝对值缓慢减小，AD620的输出电压也逐渐上升，当回线电压上升至AD620正常工作范围的下限电压时，遥测恢复正常。

2）对这3个过程的机理解释如下。

① 100 V输入继电器接通，并网控制器遥测回线突变负电压机理。

100 V输入继电器接通后，DC/DC等效于一个28 V直流电源，等效电路如图6（以DC/DC为例，其余模块与此原理一致）。

图6 DC/DC输出接口等效电路图Fig.6 Equivalent circuit of DC/DC output

C1和C2两个电容在电源接通瞬间进行分压，造成电容的上端电压比下端电压高。由于C1的下端和C2的上端与机壳相连，所以造成回线电压低于机壳电压，理论值为-14 V左右。接通瞬间电压由公式

求得，其中：u0为电源电压；u1为回线相对于机壳地的电压。

试验中用万用表或示波器测量，当表笔接触测量点的瞬间可测到与理论值大致相同的电压，但迅速开始变化，由图6可以看出这是由于遥测回线上的电容通过测量仪器泄放电荷（万用表或示波器在测电压时可等效为大电阻），从而使得B1点对地电压不断升高。

② AD620在负偏置电压绝对值过大时，输出电压降低。

对于 AD620，根据器件厂商提供的文档，其输入电压要求在供电电压（±12 V）之内，且要有1 V左右的余量[4]。AD620电路仿真如图7所示。

图7 AD620电路仿真图Fig.7 Simulation circuit of AD620

将AD620输入压差保持在2.38 V，对输入回线电压进行偏置。当负偏置电压高于-11 V时，输出电压正常为4.76 V（放大2倍）。当负偏置电压低于-11 V时，输出电压减小。当偏置电压为-15 V时，输出电压为0。

经前面测量也验证了这个结论，当100 V输入继电器闭合时，遥测回线对地电压约为-13 V，不在 AD620的正常工作电压范围内，因此测得AD620的输出端对地电压也并非期望的4.76 V左右，而是小于4.76 V。

③ 并网控制器遥测回线负电压通过遥测采集单机内部电路泄放电荷，导致回线电压逐渐升高并最终遥测正常的机理。

并网控制器单机测试时，遥测回线上的电容没有泄放路径，因此初始时的负电压是保持不变的。但试验表明在并网控制器与遥测采集单机联试的情况下，遥测回线初始时-13 V左右的负电压并非一直保持不变，可以断定遥测采集单机内部电路存在电荷泄放的路径。

遥测采集单机连接后，由于遥测回线通过遥测采集单机内部芯片与大地之间的阻抗进行电荷泄放，所以遥测回线电压会缓慢上升，当上升至特定电压（即 AD620的正常工作电压范围的下限）之上时，遥测恢复正常。其时间取决于并网控制器回线和大地之间的电容对遥测采集单机放电速度的快慢。

遥测回线首先通过遥测采集单机内部的电子开关进行控制，然后通过AD620对地阻抗进行电荷泄放。一台遥测采集单机进行多路模拟量采集，设置了多条遥测回线，轮流接通进行模拟量采集。仅当连接并网控制器遥测的回线接通时才有电荷泄放。并网控制器连接的遥测回线越多，遥测采集单机每次采集循环中与并网控制器遥测回线接通的次数越多，等效电阻越小，电荷泄放越快，电压升高越快。可以用电容放电的公式解释，式中：v0为电容上的初始电压；vt为在时间为t时电容上的电压；R为放电的等效电阻；C为放电的电容。

可以通过以下试验验证上述机理：保持两者连接关系不变，增加遥测采集单机遥测回线的数量，观察遥测数据上升时间是否变化，测试结果如表2所示。

遥测回线数量/根

表2 增加遥测回线数量的试验结果Table 2 Test results when the number of loop lines is increased

遥测数据从00升至50

（16进制源码）的时间/s

遥测数据从00升至60

（16进制源码）的时间/s

遥测数据从00升至70

（16进制源码）的时间/s

遥测数据从00升至77

（16进制源码）的时间/s

可以看出，遥测回线越多，等效电阻越小，遥测数据上升的时间越短，遥测恢复正常的时间越短，即电容放电速度越快，也证明了并网控制器遥测回线上的电荷确实是通过遥测采集单机的遥测回线进行电荷泄放的。

对于遥测采集单机输入遥测回线和 AD620前端的遥测回线和大地之间的电压进行测量。当并网控制器输入100 V继电器接通时，遥测采集单机输入端遥测回线电压从-13 V缓慢上升。从上位机看到的遥测电压缓慢上升，当输入端遥测回线和大地之间的电压为-8～-7 V时，遥测采集单机遥测恢复正常，表明遥测采集单机对于绝对值小于7 V的负偏置电压能够正常工作。

为了避免类似问题再次发生，对于信号回线相对于遥测采集单机的二次地（即航天器的地、设备自身的机壳地）负偏置电压绝对值不能超过7 V，在进行浮地的电路设计中注意电容的选用，严格控制回线与机壳之间的电压。