0 引言

    隨著我國空間環(huán)境探測有效載荷的不斷發(fā)展，質(zhì)譜計在空間探測中的作用越來越重要。空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計用于月球、火星、金星等星球表面氣體成分探測，以及星球土壤可揮發(fā)性氣體成分分析^[1]，由物理部分、電控系統(tǒng)、高壓電源三部分組成。電控系統(tǒng)實現(xiàn)物理部分離子流檢測、采集和處理，高壓掃描控制、燈絲電流以及倍增器高壓控制，同時進行總線通信、工作模式切換、啟動測量、探測數(shù)據(jù)及狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)傳輸任務。

1 組成及工作原理

    磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計具有設計簡單、穩(wěn)定性好、靈敏度高的特性，其對衛(wèi)星飛行軌道上氣體進行采集，氣體進入離子源之后，燈絲發(fā)射的電子使氣體分子電離，產(chǎn)生正電離子，經(jīng)加速聚焦后引入磁分析器，不同質(zhì)荷比正離子在磁場作用下偏轉(zhuǎn)半徑不同，在某一加速電壓下只有一種離子到達離子檢測器，檢測器檢測出不同的離子流強度，通過電控系統(tǒng)對離子流進行檢測與采集，得出待測氣體成分^[2]。物理部分實現(xiàn)氣體的電離、加速、聚焦、分離和增益，由離子源、磁分析器、離子檢測器、真空室以及進氣管道組成。物理部分工作原理如圖1所示。

    電控系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器、微弱電流檢測與放大、模數(shù)變換、掃描電壓控制、燈絲電流控制、高壓電源控制、CAN總線通信、二次電源等電路以及嵌入式星載軟件等部分組成，如圖2所示。

    為了滿足小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計地面測試與在軌測試的要求，電控系統(tǒng)實現(xiàn)了多種工作模式：在軌掃描模式、在軌備份掃描模式、地面高壓掃描模式以及地面低壓檢測模式。

2 電控系統(tǒng)設計

2.1 微弱電流檢測與放大電路

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計質(zhì)量數(shù)探測范圍1～90 μ，最小可檢離子流10^-12 A，最小可檢分壓力（N₂）要求5×10^-8 Pa，其中最小可檢分壓力P_min通過下式計算：

式中：P_min為最小可檢分壓力，I_N為本底噪聲，S為靈敏度。

    由式(1)知，最小可檢分壓力在靈敏度一定的情況下，取決于本底噪聲，檢測電路放大能力強、噪聲電流低則最小可檢分壓力低。

    基于小型化、低功耗、高可靠的空間應用特點，建立基于I/V轉(zhuǎn)換的檢測模型^[3]。采用運算放大器AD549構(gòu)成檢測與放大電路，其專門應用于靜電計、質(zhì)譜計、離子測量以及光電探測器領域，輸入阻抗達10¹⁵ Ω，輸入偏置電流和失調(diào)電流極低。在運放輸入端加入限流保護電阻^[4]，設計為雙通道對稱檢測電路拓撲結(jié)構(gòu)，能夠檢測質(zhì)譜計雙通道90°扇形磁分析器。微弱電流檢測與放大電路原理如圖3所示。

    采用反饋電容來穩(wěn)定電路，反饋電容越大，抑制噪聲能力越強，但會增大時間常數(shù)，降低測量速度。按照R_f=1/ωC_f時反饋電阻熱噪聲最小原則，取反饋電容C_f為10 pF。輸出電壓V_out可表示為下式：

式中，V_out為輸出電壓，R_S為信號源內(nèi)阻，I_S為信號輸入電流，Rf為反饋電阻。

    由式(2)看出輸出電壓與信號源內(nèi)阻無關，放大能力主要取決于反饋電阻。采用高精度、高穩(wěn)定的1 GΩ玻璃釉膜電阻器。根據(jù)10^-12 A~10^-8 A的檢測范圍，計算出輸出電壓V_out范圍為1 mV~10 V。

2.1.1 失調(diào)及漂移誤差分析

    開環(huán)增益視為無窮大，輸出電壓V_out為：

式中，V_out為輸出電壓，I_S為輸入電流，R_f為反饋電阻，I_OS為失調(diào)電流，V_OS為失調(diào)電壓。

    輸出電壓誤差分為兩部分：一是失調(diào)電流和失調(diào)電壓引起的固定誤差，二是溫度變化引起的漂移誤差。AD549失調(diào)電流為30 fA，失調(diào)電壓為0.3 mV，則失調(diào)電流和失調(diào)電壓引起的固定誤差為0.33 mV。AD549在+25 ℃時，漂移電壓最大值V_OS為10 μV/℃，在軌工作期間環(huán)境溫度變化約為10 ℃，則溫度漂移引起最大誤差為0.1 mV。

2.1.2 噪聲分析與抑制

    電子測量設備必須考慮噪聲抑制問題，尤其在微弱信號檢測時顯得更為突出。外部噪聲由電源干擾、工頻干擾、電場和磁場干擾等引起。設計LC電源濾波電路，保證電源電壓低紋波；為保證設備小型化，工頻干擾通過數(shù)字濾波器解決；電場和磁場干擾通過屏蔽和接地解決。

    內(nèi)部噪聲主要由檢測電路自身產(chǎn)生，根據(jù)離子流信號帶寬0.1 Hz~16 Hz及AD549參數(shù)，內(nèi)部噪聲為0.1 mV，反饋電阻熱噪聲誤差為0.1 mV_p-p，得出輸出電壓總誤差為0.63 mV，小于離子流放大后最小值對應輸出電壓1 mV的要求。

    利用吸濕性小、化學穩(wěn)定性好的聚四氟乙烯構(gòu)成絕緣板，采用信號懸浮隔離技術(shù)使AD549信號輸入與電路板隔離，降低泄漏電流對信號噪聲的貢獻^[5]；保證元器件布局緊湊，運放及周圍大面積敷銅，并與電源單點接地；采用低噪聲同軸電纜，金屬腔體式屏蔽將放大電路隔離，降低外界電磁干擾。信號懸浮隔離處理技術(shù)示意如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計離子流為2個通道，狀態(tài)監(jiān)測信號為4個通道，共采集8個通道模擬量信號。采用16位模數(shù)變換器AD976、模擬開關ADG528以及運放OP07電壓跟隨器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路。

    AD976具有采樣速率高、低功耗的特點，內(nèi)含時鐘、參考電源和校準電路,輸入電壓范圍為±10 V，轉(zhuǎn)換周期最大10 μs，最大功耗100 mW。為方便處理片選控制信號CS， 結(jié)合DSP時序，采用CS控制轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀出過程。AD976接口電路原理如圖5所示。

    設計AD976讀/轉(zhuǎn)換信號R/C由DSP的I/O口給出，CS由地址譯碼電路給出,轉(zhuǎn)換完成信號BUSY通過電平轉(zhuǎn)換器件連接至DSP的I/O口，總線D0~D15與DSP總線連接。當AD976啟動轉(zhuǎn)換之后DSP對BUSY查詢，如果BUSY信號變?yōu)楦唠娖剑瑒t表明AD976轉(zhuǎn)換結(jié)束，DSP可以對AD976進行讀操作。

    如果A/D轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)故障，即BUSY信號一直輸出為“0”，則軟件會發(fā)生“死等”情況，為此加入時間保護處理，即在10 ms內(nèi)BUSY一直為“0”，則認為AD976轉(zhuǎn)換故障，此時不再查詢BUSY，軟件執(zhí)行下面操作，并將A/D超時故障標識置位，通過CAN總線將此狀態(tài)發(fā)送至星務計算機。

2.3 掃描電壓控制電路

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計為基于離子質(zhì)量與加速電壓呈一定關系的電壓掃描方式^[6]。根據(jù)加速電壓參數(shù)，在電控系統(tǒng)軟硬件配合下，輸出0 V～5 V，且具有不同掃描分段、步長、持續(xù)時間、步數(shù)的控制電壓來驅(qū)動高壓掃描電源，掃描參數(shù)要求如圖6所示。

    為實現(xiàn)不同掃描參數(shù)變化，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)掃描控制，采用16位D/A轉(zhuǎn)換器AD7846，功耗l00 mW，最大建立時間6 μs，片內(nèi)輸出放大器可配置為單極性輸出或雙極性輸出。將V_REF+接+5 V基準電壓源，V_REF-接地，R_IN接V_OUT，則V_OUT輸出配置為單極性0 V～5 V輸出。輸出接電壓跟隨器，提高帶負載能力。讀寫信號R/W與DSP的I/O口連接，片選信號CS、清零信號CLR和轉(zhuǎn)換信號LDAC由地址譯碼產(chǎn)生，總線D0~D15與DSP總線連接，滿足轉(zhuǎn)換時序要求。AD7846接口電路原理如圖7所示。

    燈絲電流控制電路采用與掃描電壓控制相同設計，其緩慢加電和下電控制由軟件實現(xiàn)；通過DSP的I/O口設計輸出四路脈沖信號，控制高壓電源、倍增器高壓的導通和鎖定，防止上電瞬間引起設備損壞。

2.4 DSP及接口電路

    數(shù)字信號處理器DSP作為核心控制器，與外圍電路接口，實現(xiàn)高速、高精度數(shù)據(jù)采集以及掃描控制。采用TI公司32位浮點TMS320VC33型DSP，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，便于實現(xiàn)在軌氣體成分實時分析。DSP接口電路設計主要包括：時鐘電路、看門狗電路、存儲器電路和總線驅(qū)動電路等。

    時鐘電路采用12 MHz石英諧振器，鎖相環(huán)（PLL）配置為5倍頻，倍頻后DSP主頻為60 MHz，指令周期為16.67 ns；采用32 K×8 bit抗輻射加固PROM滿足程序存儲需求；為提高系統(tǒng)可靠性，使用看門狗監(jiān)控電路，當程序“跑飛”時能重啟系統(tǒng)；為滿足電路5 V和3.3 V之間轉(zhuǎn)換，使用了16位電平轉(zhuǎn)換器。

    質(zhì)譜計與星務計算機采用雙通道CAN總線進行數(shù)據(jù)通信。采用CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250對DSP進行CAN總線接口擴展。SJA1000具有復用的8位數(shù)據(jù)/地址總線，與DSP接口采用數(shù)據(jù)總線模擬地址總線方式，選用Motorola模式。

2.5 軟件設計

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計軟件功能是完成對模擬量信號采集和數(shù)字濾波、掃描電壓控制、燈絲電流控制、高壓電源控制、CAN總線通信及工作模式切換等任務。軟件系統(tǒng)環(huán)境如圖8所示。

    軟件在軌掃描工作模式為首先系統(tǒng)上電，星務計算機通過CAN總線下發(fā)在軌掃描啟動指令，收到啟動指令后，電控系統(tǒng)控制高壓電源和倍增器高壓解鎖，控制燈絲電流緩慢加電，然后按預設掃描參數(shù)進行掃描和數(shù)據(jù)采集，掃描結(jié)束后，燈絲電流緩慢下電，最后關閉倍增器高壓和高壓電源輸出。每個掃描過程包括輸出掃描控制電壓、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸四個子過程。

    空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計電控系統(tǒng)測試結(jié)果如圖9所示，為進氮氣后測量圖譜。

3 結(jié)論

    通過地面功能和性能測試、環(huán)境試驗（力學、熱學等）考核以及在軌運行測試，證明小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計電控系統(tǒng)的設計合理可行，實現(xiàn)了低噪聲微弱信號檢測和高精度掃描高壓控制，微弱電流檢測噪聲指標≤10-12 A，掃描控制電壓精度≤1 mV，功耗≤3 W，有力支持了質(zhì)譜計整機系統(tǒng)的功能與性能實現(xiàn)。研制的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計后續(xù)還將應用到我國空間站載人飛船、月球以及火星等深空探測中。

參考文獻

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