0 引言

    隨著我國空間環(huán)境探測有效載荷的不斷發(fā)展，質譜計在空間探測中的作用越來越重要。空間小型磁偏轉質譜計用于月球、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)據及狀態(tài)遙測數(shù)據傳輸任務。

1 組成及工作原理

    磁偏轉質譜計具有設計簡單、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，產生正電離子，經加速聚焦后引入磁分析器，不同質荷比正離子在磁場作用下偏轉半徑不同，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質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

    小型磁偏轉質譜計質量數(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轉換的檢測模型^[3]。采用運算放大器AD549構成檢測與放大電路，其專門應用于靜電計、質譜計、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構，能夠檢測質譜計雙通道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為失調電流，V_OS為失調電壓。

    輸出電壓誤差分為兩部分：一是失調電流和失調電壓引起的固定誤差，二是溫度變化引起的漂移誤差。AD549失調電流為30 fA，失調電壓為0.3 mV，則失調電流和失調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。

    內部噪聲主要由檢測電路自身產生，根據離子流信號帶寬0.1 Hz~16 Hz及AD549參數(shù)，內部噪聲為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成絕緣板，采用信號懸浮隔離技術使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示意如圖4所示。

2.2 數(shù)據采集電路

    小型磁偏轉質譜計離子流為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電壓跟隨器構成的數(shù)據采集電路。

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

    設計AD976讀/轉換信號R/C由DSP的I/O口給出，CS由地址譯碼電路給出,轉換完成信號BUSY通過電平轉換器件連接至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轉換結束，DSP可以對AD976進行讀操作。

    如果A/D轉換過程中出現(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BUSY一直為“0”，則認為AD976轉換故障，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

    小型磁偏轉質譜計為基于離子質量與加速電壓呈一定關系的電壓掃描方式^[6]。根據加速電壓參數(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)模轉換器實現(xiàn)掃描控制，采用16位D/A轉換器AD7846，功耗l00 mW，最大建立時間6 μs，片內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和轉換信號LDAC由地址譯碼產生，總線D0~D15與DSP總線連接，滿足轉換時序要求。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之間轉換，使用了16位電平轉換器。

    質譜計與星務計算機采用雙通道CAN總線進行數(shù)據通信。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/地址總線，與DSP接口采用數(shù)據總線模擬地址總線方式，選用Motorola模式。

2.5 軟件設計

    小型磁偏轉質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)據采集，掃描結束后，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)據采集與處理、數(shù)據存儲、數(shù)據傳輸四個子過程。

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

3 結論

    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，證明小型磁偏轉質譜計電控系統(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，有力支持了質譜計整機系統(tǒng)的功能與性能實現(xiàn)。研制的小型磁偏轉質譜計后續(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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