王林濤

（中國空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

航天器上各臺產(chǎn)品的工作狀態(tài)一般以電壓形式的模擬信號表征，對于模擬信號的采集是航天器數(shù)據(jù)管理的重要部分。較多航天器對于模擬信號的采集采用了差分采集的形式，但是在設(shè)計(jì)或者測試過程中發(fā)現(xiàn)對于浮地信號的采集出現(xiàn)了不少偏離設(shè)計(jì)初衷的現(xiàn)象。本文結(jié)合載人航天器型號研制過程中遇到的問題，按照具體的電路設(shè)計(jì)從機(jī)理上進(jìn)行分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，給出浮地信號采集的接口設(shè)計(jì)方法。由于大多數(shù)航天器的遙測采集單機(jī)設(shè)計(jì)相似，所以本方法對很多航天器型號都具有借鑒意義。

1 浮地信號采集接口電路介紹

1.1 信號采集電路介紹

模擬信號的采集形式一般分為單端采集和雙端采集兩種。單端采集是模擬信號源端僅提供信號的高電平引線（信號線），不提供地線；采集端僅接收信號線，以采集端電路自身的模擬參考地作為參考電平進(jìn)行信號采集。其缺點(diǎn)是一般情況下信號源端與采集電路相距一定距離，地線上存在電流或者干擾信號，可能造成兩者的地電勢不等，出現(xiàn)測量誤差。雙端采集是模擬信號源端提供信號的高電平引線及低電平引線（回線）；采集端電路通過雙電平差分模式對信號進(jìn)行采集。模擬信號源的高、低電平端相對于采集電路的模擬參考地都是浮起的。

載人航天器的模擬量采集是通過遙測采集單機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，采用雙端采集設(shè)計(jì)，其原理見圖1。遙測采集單機(jī)由28 V直流電源供電，通過內(nèi)置的DC/DC（直流/直流電源變換器）轉(zhuǎn)換為設(shè)備內(nèi)部芯片使用的電壓。二次地在航天器上最終與結(jié)構(gòu)連接。模擬信號的信號線和地線進(jìn)入遙測采集單機(jī)后，通過HI546和HI547多路選擇電子開關(guān)進(jìn)行控制選通，由AD620差分放大器對信號進(jìn)行2倍的放大，然后通過 LM101電壓跟隨器送往AD574進(jìn)行模擬量的采集。

圖1 模擬量采集電路圖Fig.1 The circuit for analog signal acquisition

載人航天器上有數(shù)百個(gè)模擬量，因此需要對模擬量進(jìn)行切換采集。遙測采集單機(jī)對于模擬量的采集每4路通道為一組且共用一條回線，各組之間回線相互隔離，如圖2所示。

圖2 采集通道及回線安排示意圖Fig.2 Schematic diagram of acquisition channels and loop lines

1.2 浮地信號介紹

載人航天器模擬信號的回線一般與航天器的結(jié)構(gòu)相連。但是對于個(gè)別的特殊信號，可能存在回線與地不相連的情況，即浮地。比如并網(wǎng)控制器的輸出為浮地。

并網(wǎng)控制器用于兩個(gè)航天器之間供電并網(wǎng)。供電的航天器采用100 V高壓供電體制，受電的航天器采用28 V供電體制。在并網(wǎng)供電輸送時(shí)，需要進(jìn)行100 V到28 V的電壓轉(zhuǎn)換，因此配置了并網(wǎng)控制器，承擔(dān)電壓變換及電源的配送任務(wù)。并網(wǎng)控制器的供電輸出回線須與設(shè)備殼體及艙體絕緣，以保證受電航天器的供電母線單點(diǎn)接地。

并網(wǎng)控制器內(nèi)部電路原理如圖3所示。設(shè)備工作時(shí)，首先接通 100 V輸入繼電器，觀察DC/DC工作是否正常，然后分別接通輸出回線繼電器和輸出正線繼電器。其中C為DC/DC輸出電壓遙測正線接點(diǎn)，由并網(wǎng)控制器的28 V電源模塊輸出供電。C1為繼電器狀態(tài)遙測正線接點(diǎn)、C2為溫度遙測正線接點(diǎn)，由輔助DC/DC供電。B和B1為遙測回線接點(diǎn)，所有遙測回線均接在一起，與機(jī)殼隔離。由圖3可知，這些信號均為浮地信號。

圖3 并網(wǎng)控制器內(nèi)部原理圖Fig.3 The principle diagram of power parallel connection controller

2 接口匹配實(shí)例分析

2.1 實(shí)例介紹

將并網(wǎng)控制器的浮地信號送往遙測采集單機(jī)進(jìn)行采集，產(chǎn)生了如下現(xiàn)象：當(dāng)并網(wǎng)控制器輸入100 V繼電器接通后，一部分輸出遙測參數(shù)緩慢上升至最終穩(wěn)定，一部分遙測參數(shù)發(fā)生跳變后緩慢上升。遙測參數(shù)變化情況如表1所示。

表1 并網(wǎng)控制器遙測參數(shù)變化情況Table 1 The parameters of power parallel connection controller

由圖3可知，并網(wǎng)控制器遙測均為模擬量遙測，通過電阻分壓送往遙測采集單機(jī)進(jìn)行模擬量采集。并網(wǎng)控制器輸入端接收100 V電壓，100 V回線在上級設(shè)備處接地。輸出部分為浮地，僅通過電源模塊輸出端的共模濾波電容與地連接。

由表1列出的實(shí)際情況可知，100 V輸入的遙測正常，而其他遙測均出現(xiàn)了異常。兩者的區(qū)別是100 V遙測與航天器結(jié)構(gòu)地連接，而其他遙測信號均為浮地。

2.2 分析定位

經(jīng)過分析，產(chǎn)生此現(xiàn)象的可能原因有3個(gè)：并網(wǎng)控制器輸出特性異常，遙測采集單機(jī)正常，遙測電壓反映了并網(wǎng)控制器輸出的實(shí)際遙測電壓；并網(wǎng)控制器輸出正常，遙測采集單機(jī)異常，即遙測采集單機(jī)對于浮地信號采集功能的特性就是如此；兩臺單機(jī)不匹配造成工作異常，在兩臺單機(jī)連接后，由于匹配原因?qū)е虏⒕W(wǎng)控制器輸出受干擾或者遙測采集單機(jī)采集受干擾。根據(jù)以上的分析列出分析樹如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)控制器分析樹Fig.4 Analysis tree of power parallel connection controller

1）并網(wǎng)控制器輸出

對并網(wǎng)控制器進(jìn)行了單機(jī)測試，連接關(guān)系如圖5所示。

圖5 并網(wǎng)控制器單機(jī)測試連接示意圖Fig.5 Connection relationship of single equipment test

試驗(yàn)內(nèi)容及步驟如下：

① 地面電源100 V供電接通，測量遙測回線和機(jī)殼之間的電壓為0 ，遙測正線和機(jī)殼之間的電壓為0 。

② 用萬用表搭接在并網(wǎng)控制器遙測正線和回線之間，并網(wǎng)控制器100 V輸入繼電器接通，萬用表測量電壓立即升至2.38 V，根據(jù)電阻分壓系數(shù)12.49，可得到輸出電壓的遙測值為29.73 V，測量值正常。

③ 100 V輸入繼電器斷開。

④ 用萬用表搭接在并網(wǎng)控制器遙測回線和大地之間，然后100 V輸入繼電器再次接通。發(fā)現(xiàn)萬用表顯示遙測回線從-13 V緩慢上升，30 s左右上升至-1.2 V左右，1 min后接近0。

由以上的測試結(jié)果可知，100 V輸入繼電器閉合后，并網(wǎng)控制器遙測正線和回線之間壓差立即上升并保持不變，即送往遙測采集單機(jī)的差分信號并未出現(xiàn)異常。

另外根據(jù)分析可知，在并網(wǎng)控制器單機(jī)測試的狀態(tài)下，遙測回線相對于大地的電壓值應(yīng)該保持在-13 V左右，當(dāng)萬用表接入進(jìn)行電壓測量時(shí)，將電容積累的電荷釋放到大地。其時(shí)間取決于并網(wǎng)控制器回線與大地之間的電容對萬用表內(nèi)阻（大約10 MΩ）放電速度的快慢。因此產(chǎn)生了萬用表測量信號正線或者回線時(shí)電壓最終均緩慢變化至0 的現(xiàn)象。

2）遙測采集單機(jī)浮地采集

對于遙測采集單機(jī)采集異常，由于遙測采集單機(jī)能正常采集除單網(wǎng)控制器遙測輸出電壓以外的器上其他設(shè)備的遙測電壓，而并網(wǎng)控制器的遙測接口與其他設(shè)備主要的區(qū)別在于其遙測回線沒有接地，即浮地。所以，針對遙測采集單機(jī)能否實(shí)現(xiàn)浮地電壓采集進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

將一節(jié)1.5 V干電池的正負(fù)極通過轉(zhuǎn)接盒接到遙測采集單機(jī)的遙測正線和回線上，進(jìn)行電壓采集，發(fā)現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)立即上升，不存在緩慢上升的現(xiàn)象，即遙測采集單機(jī)具有浮地采集的能力。

3）單機(jī)接口匹配

單機(jī)匹配的問題主要是指并網(wǎng)控制器與遙測采集單機(jī)在連接狀態(tài)下的相互影響。表現(xiàn)為并網(wǎng)控制器的遙測輸出電壓受到干擾，就是緩慢上升的；或者遙測輸出電壓正常，但遙測采集單機(jī)受到了干擾產(chǎn)生異常。

① 對于并網(wǎng)控制器和遙測采集單機(jī)進(jìn)行了聯(lián)試，試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果如下：

a.遙測采集單機(jī)28 V穩(wěn)壓電源供電接通，遙測采集單機(jī)開機(jī)，進(jìn)行遙測參數(shù)監(jiān)視；

b.并網(wǎng)控制器地面電源供電接通，萬用表接在遙測正線和回線之間；

c.并網(wǎng)控制器100 V輸入繼電器接通，觀察到萬用表的測量電壓立即升高到2.38 V，此時(shí)由遙測采集單機(jī)地面上位機(jī)檢測到的遙測由 00緩慢上升到77（16進(jìn)制，對應(yīng)電壓為2.37 V）。

由此試驗(yàn)結(jié)果可以排除兩機(jī)聯(lián)試狀態(tài)下并網(wǎng)控制器輸出電壓異常，確定為遙測采集單機(jī)采集異常。

② 由圖 1可知，遙測采集單機(jī)輸出電壓可能發(fā)生變化的環(huán)節(jié)包括 HI546，AD620，LM101和AD574等。為了進(jìn)行故障定位，將遙測采集單機(jī)開蓋，使用示波器測試電壓，示波器為電池供電。試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果如下：

a.遙測采集單機(jī)開蓋后用示波器對HI546的輸出端進(jìn)行壓差的測量，即圖1中E、F點(diǎn)之間的電壓。通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)繼電器閉合后，E、F兩點(diǎn)間壓差立即為2.38 V，并未發(fā)現(xiàn)異常。此現(xiàn)象證明 HI546在繼電器閉合后處于正常工作狀態(tài)，此故障分支可排除。HI546正常工作電壓為±15 V，但是在工作電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出額定值的情況下仍能正常工作且不損壞[1]。

b.遙測采集單機(jī)開蓋后用示波器對 AD620的輸出端進(jìn)行壓差的測量，即圖1中G點(diǎn)和大地之間的電壓。通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)繼電器閉合后，遙測顯示緩慢上升的同時(shí)，G點(diǎn)和大地之間電壓也是緩慢上升的，并且約20 s后同時(shí)穩(wěn)定。結(jié)合上文分析及試驗(yàn)現(xiàn)象可以斷定 AD620處于非正常工作狀態(tài)。

c.遙測信號經(jīng) AD620處理后為單端信號，LM101構(gòu)成的電路為電壓跟隨器，因此隨著AD620輸出電壓緩慢上升，AD574采集的值也相應(yīng)緩慢上升，且信號電壓約為 5 V，均在芯片正常工作范圍內(nèi)（LM101為±15 V[2]、AD574為±24V[3]），可以斷定兩芯片工作正常。

經(jīng)上述試驗(yàn)及分析得知，導(dǎo)致異?，F(xiàn)象的原因在于遙測采集單機(jī)內(nèi)部芯片 AD620在外部環(huán)境下處于非正常的工作狀態(tài)。

2.3 現(xiàn)象機(jī)理分析

1）通過對上述試驗(yàn)分析，此現(xiàn)象的產(chǎn)生主要經(jīng)歷了以下3個(gè)過程：

① 并網(wǎng)控制器100 V輸入繼電器接通時(shí)，輸出電壓遙測回線和機(jī)殼之間形成負(fù)電壓（-13 V左右）；

② 此遙測信號傳遞至遙測采集單機(jī)內(nèi)部后，使得其內(nèi)部芯片 AD620在輸入回線和二次地之間的負(fù)偏置電壓絕對值過大，進(jìn)而輸出電壓會比正常值小；

③ 遙測回線通過遙測采集單機(jī)向機(jī)殼緩慢釋放電荷導(dǎo)致回線電壓緩慢上升，進(jìn)而使AD620輸入回線和地之間的負(fù)偏置電壓絕對值緩慢減小，AD620的輸出電壓也逐漸上升，當(dāng)回線電壓上升至AD620正常工作范圍的下限電壓時(shí)，遙測恢復(fù)正常。

2）對這3個(gè)過程的機(jī)理解釋如下。

① 100 V輸入繼電器接通，并網(wǎng)控制器遙測回線突變負(fù)電壓機(jī)理。

100 V輸入繼電器接通后，DC/DC等效于一個(gè)28 V直流電源，等效電路如圖6（以DC/DC為例，其余模塊與此原理一致）。

圖6 DC/DC輸出接口等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit of DC/DC output

C1和C2兩個(gè)電容在電源接通瞬間進(jìn)行分壓，造成電容的上端電壓比下端電壓高。由于C1的下端和C2的上端與機(jī)殼相連，所以造成回線電壓低于機(jī)殼電壓，理論值為-14 V左右。接通瞬間電壓由公式

求得，其中：u0為電源電壓；u1為回線相對于機(jī)殼地的電壓。

試驗(yàn)中用萬用表或示波器測量，當(dāng)表筆接觸測量點(diǎn)的瞬間可測到與理論值大致相同的電壓，但迅速開始變化，由圖6可以看出這是由于遙測回線上的電容通過測量儀器泄放電荷（萬用表或示波器在測電壓時(shí)可等效為大電阻），從而使得B1點(diǎn)對地電壓不斷升高。

② AD620在負(fù)偏置電壓絕對值過大時(shí)，輸出電壓降低。

對于 AD620，根據(jù)器件廠商提供的文檔，其輸入電壓要求在供電電壓（±12 V）之內(nèi)，且要有1 V左右的余量[4]。AD620電路仿真如圖7所示。

圖7 AD620電路仿真圖Fig.7 Simulation circuit of AD620

將AD620輸入壓差保持在2.38 V，對輸入回線電壓進(jìn)行偏置。當(dāng)負(fù)偏置電壓高于-11 V時(shí)，輸出電壓正常為4.76 V（放大2倍）。當(dāng)負(fù)偏置電壓低于-11 V時(shí)，輸出電壓減小。當(dāng)偏置電壓為-15 V時(shí)，輸出電壓為0。

經(jīng)前面測量也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論，當(dāng)100 V輸入繼電器閉合時(shí)，遙測回線對地電壓約為-13 V，不在 AD620的正常工作電壓范圍內(nèi)，因此測得AD620的輸出端對地電壓也并非期望的4.76 V左右，而是小于4.76 V。

③ 并網(wǎng)控制器遙測回線負(fù)電壓通過遙測采集單機(jī)內(nèi)部電路泄放電荷，導(dǎo)致回線電壓逐漸升高并最終遙測正常的機(jī)理。

并網(wǎng)控制器單機(jī)測試時(shí)，遙測回線上的電容沒有泄放路徑，因此初始時(shí)的負(fù)電壓是保持不變的。但試驗(yàn)表明在并網(wǎng)控制器與遙測采集單機(jī)聯(lián)試的情況下，遙測回線初始時(shí)-13 V左右的負(fù)電壓并非一直保持不變，可以斷定遙測采集單機(jī)內(nèi)部電路存在電荷泄放的路徑。

遙測采集單機(jī)連接后，由于遙測回線通過遙測采集單機(jī)內(nèi)部芯片與大地之間的阻抗進(jìn)行電荷泄放，所以遙測回線電壓會緩慢上升，當(dāng)上升至特定電壓（即 AD620的正常工作電壓范圍的下限）之上時(shí)，遙測恢復(fù)正常。其時(shí)間取決于并網(wǎng)控制器回線和大地之間的電容對遙測采集單機(jī)放電速度的快慢。

遙測回線首先通過遙測采集單機(jī)內(nèi)部的電子開關(guān)進(jìn)行控制，然后通過AD620對地阻抗進(jìn)行電荷泄放。一臺遙測采集單機(jī)進(jìn)行多路模擬量采集，設(shè)置了多條遙測回線，輪流接通進(jìn)行模擬量采集。僅當(dāng)連接并網(wǎng)控制器遙測的回線接通時(shí)才有電荷泄放。并網(wǎng)控制器連接的遙測回線越多，遙測采集單機(jī)每次采集循環(huán)中與并網(wǎng)控制器遙測回線接通的次數(shù)越多，等效電阻越小，電荷泄放越快，電壓升高越快?？梢杂秒娙莘烹姷墓浇忉專街校簐0為電容上的初始電壓；vt為在時(shí)間為t時(shí)電容上的電壓；R為放電的等效電阻；C為放電的電容。

可以通過以下試驗(yàn)驗(yàn)證上述機(jī)理：保持兩者連接關(guān)系不變，增加遙測采集單機(jī)遙測回線的數(shù)量，觀察遙測數(shù)據(jù)上升時(shí)間是否變化，測試結(jié)果如表2所示。

遙測回線數(shù)量/根

表2 增加遙測回線數(shù)量的試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results when the number of loop lines is increased

遙測數(shù)據(jù)從00升至50

（16進(jìn)制源碼）的時(shí)間/s

遙測數(shù)據(jù)從00升至60

（16進(jìn)制源碼）的時(shí)間/s

遙測數(shù)據(jù)從00升至70

（16進(jìn)制源碼）的時(shí)間/s

遙測數(shù)據(jù)從00升至77

（16進(jìn)制源碼）的時(shí)間/s

可以看出，遙測回線越多，等效電阻越小，遙測數(shù)據(jù)上升的時(shí)間越短，遙測恢復(fù)正常的時(shí)間越短，即電容放電速度越快，也證明了并網(wǎng)控制器遙測回線上的電荷確實(shí)是通過遙測采集單機(jī)的遙測回線進(jìn)行電荷泄放的。

對于遙測采集單機(jī)輸入遙測回線和 AD620前端的遙測回線和大地之間的電壓進(jìn)行測量。當(dāng)并網(wǎng)控制器輸入100 V繼電器接通時(shí)，遙測采集單機(jī)輸入端遙測回線電壓從-13 V緩慢上升。從上位機(jī)看到的遙測電壓緩慢上升，當(dāng)輸入端遙測回線和大地之間的電壓為-8～-7 V時(shí)，遙測采集單機(jī)遙測恢復(fù)正常，表明遙測采集單機(jī)對于絕對值小于7 V的負(fù)偏置電壓能夠正常工作。

為了避免類似問題再次發(fā)生，對于信號回線相對于遙測采集單機(jī)的二次地（即航天器的地、設(shè)備自身的機(jī)殼地）負(fù)偏置電壓絕對值不能超過7 V，在進(jìn)行浮地的電路設(shè)計(jì)中注意電容的選用，嚴(yán)格控制回線與機(jī)殼之間的電壓。

3 結(jié)束語

通過本文對于浮地信號采集接口電路的研究，表明雙端差分信號采集電路并不能做到理論上的完全浮地采集，當(dāng)信號的共模偏置過大時(shí)，會引起采集異常。因此對于被采集信號回線相對于地的電壓幅度要有所限制。此研究結(jié)果對今后的電路設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

（References）

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[3]Analog Device.Complete 12-bit A/D converter AD574A data sheet[G].Rev B

[4]Analog Device.Low Cost, Low power instrumentation amplifier AD620 data sheet[G].Rev E