涂智軍，張 燚，梅志武

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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圓錐掃描地球敏感器前置放大電路穩(wěn)定性分析*

涂智軍，張 燚，梅志武

(北京控制工程研究所，北京 100190)

圓錐掃描地球敏感器(CES)是航天器的關鍵測量部件，其前置放大電路具有高增益、低噪聲等特點.通過仿真分析得出電纜和器件參數(shù)差異顯著影響其穩(wěn)定性，在此基礎上介紹電路穩(wěn)定問題實例，提出采用頻率補償方法解決電路穩(wěn)定性問題，并針對該方法設計和實施通過了標定測試、熱真空試驗和EMC試驗，證明該方法完全有效.

圓錐掃描地球敏感器；前置放大電路；穩(wěn)定性

圓錐掃描地球敏感器(conical earth sensor, CES)是航天器的基本組成部分，作為航天器姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)的關鍵測量部件，用于完成航天器各階段姿態(tài)測量.包括掃描機構、直流無刷電機、光學系統(tǒng)、紅外探測器、前置放大電路、信號處理電路和局部通信單元軟件.

光學系統(tǒng)將地球輻射的紅外能量匯聚到紅外探測器上進行光電轉換，輸出的電信號為微伏級，前置放大電路將其放大至伏級，供信號處理電路和軟件解算姿態(tài)信息.前置放大電路具有高增益、低噪聲的特點，增益通常在60～120 dB，且高增益容易受到其他微小因素影響而引起電路不穩(wěn)定，因此前置放大電路是紅外敏感器的關鍵組成部分.

本文對CES和前置放大電路進行介紹，建立前置放大電路的數(shù)學模型和仿真分析模型，進行理想情況下電路仿真、電纜負載效應下電路仿真和器件OP484參數(shù)差異影響分析，在此基礎上介紹了一個電路穩(wěn)定問題實例，進行電纜差異性測試及分析、前置放大電路幅頻及相頻測試，提出了頻率補償方法解決電路穩(wěn)定性問題，并針對該方法設計和實施地面試驗，證明該方法完全有效.

1 CES簡介

CES適用于200～2 000 km軌道高度的航天器，采用圓錐掃描式方案.

其工作原理為：首先CES的視場在直流無刷電機的驅動下相對于地球作頻率為1 Hz的掃描運動，當視場穿越地球等效圓盤時，即掃到地球和空間交界時，CES接收到紅外輻射能量的躍變，經過紅外探測器把這種輻射能量的躍變轉換成電信號，形成地球方波；然后通過前置放大電路和信號處理電路，把它轉換成前沿脈沖和后沿脈沖；視場通過地球圓盤中間時CES產生一個基準脈沖，局部通信單元軟件輸出前后沿脈沖與基準脈沖之間的角度信息，輸出到姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)計算機進行衛(wèi)星姿態(tài)解算.

圖1 CES工作原理示意圖Fig.1 Sketch map of CES operation principle

2 CES前置放大電路

紅外探測器的工作波段為14～16.25 μm，瞬時視場為1.5°×1.5°，輸出峰峰值約為200 μV、頻率1 Hz的方波信號，受地球等效圓盤邊緣模糊、瞬時視場和紅外探測器時間常數(shù)等因素影響，在“地入”和“地出”點附近，地球波方波上升沿和下降沿緩慢，設計要求前置放大電路的本底噪聲不大于4 μV，否則將會出現(xiàn)CES輸出對地姿態(tài)隨機誤差過大的問題.

傳統(tǒng)設計上，前置放大電路由場效應管、三極管、電阻和電容等分離器件組成，一般設計為兩級或三級放大，另外還需要為放大電路提供低噪聲電源.

該傳統(tǒng)設計存在電路規(guī)模大、功耗大、需要挑選大量低噪聲器件等缺點.

在CES產品設計時，對前置放大電路進行了設計優(yōu)化，采用單個低噪聲運算放大器、一級放大、利用器件高電源紋波抑制比特性、不需要低噪聲電源的方案.

圖2中，前置放大電路將紅外探測器輸出的微伏級微弱信號UIN進行一千倍選頻放大，工作在低頻段，頻帶為0.05～250 Hz，輸出UOUT信號給信號處理電路和軟件進行姿態(tài)計算，需要運算放大器具有足夠大的增益，同時為了輸出信號UOUT不被噪聲淹沒，需要選用具有低噪聲性能的運算放大器，因此選擇了AD公司的一款運算放大器OP484.

CES在地面進行熱真空等環(huán)境試驗時則使用電信號源輸入峰峰值約為2V的方波信號UEIN，此時紅外探測器輸出信號UIN為零；在進行全功能測試時使用地球模擬器為其提供輸入信號，紅外探測器輸出峰峰值約為200 μV的方波信號UIN.

圖2 CES前置放大電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of CES’s preamplifier circuit

將器件OP484作為理想運算放大器，電阻R6無電流流過，輸出信號UOUT與輸入信號UIN的傳遞函數(shù)G1(s)為

(1)

其中

(2)

(3)

放大電路的U+(s)=U-(s)，將式(2)、(3)代入式(1)，得到放大電路輸出信號UOUT與輸入信號UIN的傳遞函數(shù)

同理，輸出信號UOUT與輸入信號UEIN的傳遞函數(shù)G2(s)為

UOUT與輸入信號UEIN的增益頻率響應特性為

可以求得幅頻特性A(ω)和相頻特性φ(ω)分別為

(4)

φ(ω)=arctan(R5C3ω)=arctan(7.2×10-4ω)

(5)

分析公式(4)，可知前置放大電路中不會出現(xiàn)UOUT/UEIN增益為1即0 dB的情況，幅值裕度大于20 dB，電路是穩(wěn)定的.

非理想運算放大器通常有多個極點和零點，對放大電路進行穩(wěn)定性分析時還需考慮電阻R6流過的電流、運算放大器的帶寬，導致其數(shù)學模型十分復雜，不易直接求解，因此，在工程上通常通過仿真和實驗測試的方法解決實際問題.

3 電路仿真分析

3.1 理想情況下電路仿真

在放大電路中，通常認為幅值裕度大于零可以判斷電路穩(wěn)定，否則相位裕度大于零可以判斷電路穩(wěn)定，但通常認為相位裕度大于45°才是安全的.當電路的工作頻率較低時，如果在高頻段同時出現(xiàn)幅值和相位裕度問題時，即滿足振蕩器起振條件和平衡條件時，需要采取措施盡量降低相頻特性曲線斜率，破壞振蕩器穩(wěn)定條件，電路仍可在低頻段工作.

圖3為UOUT/UEIN仿真曲線，幅頻特性曲線表明，在0.001～10 MHz頻率范圍內，不會出現(xiàn)增益為0 dB的情況，幅值裕度大于20 dB，電路是穩(wěn)定的，該仿真結果與式(4)吻合.

圖3 UOUT/UEIN仿真曲線Fig.3 Simulation curves of UOUT/UEIN

在以上仿真分析過程中未考慮電纜和器件OP484參數(shù)差異，接下來將這兩項因素對前置放大電路穩(wěn)定性的影響作進一步說明.

3.2 電纜負載效應下電路仿真

CES研制過程中使用的熱真空電纜最長，為6米，因此對其電阻、電感和和電容等參數(shù)進行測試，在此基礎上開展電路仿真.

圖2中，虛線框內的元件是電纜的等效模型，元件L1代表輸出信號UOUT經過熱真空電纜的電感和電阻；元件L2代表輸入信號UEIN經過熱真空電纜的電感和電阻；C12和C11為熱真空電纜上的電容；器件OP484除零極點配置外按照廠家提供的手冊參數(shù)進行設置.

圖4為熱真空電纜下UOUT/UEIN仿真曲線.

圖4 熱真空電纜下UOUT/UEIN仿真曲線Fig.4 Simulation curves of UOUT/UEIN with cable used in thermal vacuum test

在頻率2.7 MHz附近，增益為0 dB，相位翻轉180°、相位裕度為0°，電路不穩(wěn)定.

通過觀察負反饋電路直接輸入Uin、輸出端Ua幅頻和相頻特性曲線可以更直接判斷負反饋電路的穩(wěn)定性、是否可能進入自激振蕩狀態(tài).

圖5中，單位增益處頻率范圍為2.633～2.641 MHz，相位從41.23°翻轉至-37.54°，相頻特性曲線斜率很大，約為-5 404(°)/Hz，滿足振蕩器工作的3個條件，可將電路鎖定在一個穩(wěn)定頻率處，該電路易進入自激振蕩狀態(tài).

圖5 熱真空電纜下Uin/Ua仿真曲線Fig.5 Simulation curves of Uin/Ua with cable used in thermal vacuum test

3.3 器件OP484參數(shù)差異影響分析

接下來，按照AD公司提供的器件OP484的4個零極點對圖2中的器件重新進行了設置，零極點設置如表1所示.

表1 器件OP484放大電路零極點

對比圖5和圖6可以看出，OP484放大電路的零極點配置不影響0.001～1 MHz低頻段特性，但影響1～10 MHz高頻段特性，在圖6中，單位增益處頻率范圍為2.752～2.756 MHz，相位為2.642°～2.658°，相位裕度約為2.6°，當相位裕度是正值時，電路本身是穩(wěn)定的，同時相對圖5來說其相頻特性曲線斜率較小，約為4 (°)/Hz，且為正值，不滿足振蕩器的相位穩(wěn)定條件，該電路不會進入自激振蕩狀態(tài).

圖6 配置零極點后Uin/Ua仿真曲線Fig.6 Simulation curves of Uin/Ua with settled zero and pole point

4 電路穩(wěn)定問題實例分析

4.1 穩(wěn)定問題實例

由于熱真空環(huán)境模擬設備功率很大、且頻繁啟停，電磁環(huán)境比較惡劣，在遙感衛(wèi)星兩臺CES熱真空試驗過程中，發(fā)現(xiàn)其中一臺CES出現(xiàn)了由干擾引起前置地球方波信號UOUT由正常的方波信號跳變至直流-9 V，交流為半正弦波，幅值1.8 V，頻率1.3 MHz 的異常波形.

對兩臺CES進行了實物檢查，發(fā)現(xiàn)除前置放大電路的器件OP484批次不同外，其他元器件的信息并無差異.

針對該批次與他批次的器件OP484進行了DPA分析、即破壞性物理分析，發(fā)現(xiàn)該批次芯片版圖、大小與他批次存在明顯不一致.復查其電參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在電源電流、開環(huán)擺率以及開環(huán)電壓增益上存在明顯差異.

通過開展增益與頻率特性測試及分析，確定了14批器件OP484未按照器件手冊進行零極點配置.

發(fā)生問題后，將熱真空電纜換成全功能測試用的測試電纜后進行了測試，兩臺CES功能性能均正常，說明熱真空電纜和未配置零極點器件OP484是故障的必要條件，符合圖5中仿真分析條件時才會出現(xiàn)如上所述的異常現(xiàn)象，即理論分析與實際工程中測試現(xiàn)象是吻合的.

4.2 電纜差異性分析

熱真空試驗時使用的熱真空電纜與全功能測試時使用的測試電纜均采用屏蔽導線，但其長度和加工工藝存在差異，對兩種電纜進行了性能比對測試，從測試結果看出熱真空電纜比測試電纜的電感量大、電阻值和電容值小.

電纜導線電感可根據(jù)簡化式(6)進行計算：

(6)

式中,L為導線電感，l和d為導線長度和直徑.

熱真空電纜長度為6 m，直徑為0.8 mm的導線，測試電纜采用直徑為0.6 mm的導線，因此L熱真空≈8.7 μH,L測試≈7.4 μH,兩根導線之間的電容值可根據(jù)式(7)進行計算：

(7)

式中，C為兩根導線間電容值，D、r和l分別為導線間距離、半徑和長度.

熱真空電纜和測試電纜中屏蔽網(wǎng)與導線線芯之間為導線的絕緣層，0.8 mm和0.6 mm導線絕緣層厚度分別為0.35 mm和0.2 mm，金屬屏蔽網(wǎng)的內徑通常略大于導線的外徑，從式(7)可看出導線間距離對電容值影響很大.

不同生產廠家加工電纜時處理工藝不一樣可引起金屬屏蔽網(wǎng)與導線線芯間距離差別較大，經查，熱真空電纜中導線的金屬屏蔽網(wǎng)直徑較大，D熱真空=1.2 mm 測試電纜中導線的金屬屏蔽網(wǎng)直徑小，D測試=0.5 mm，因此C熱真空≈152 pF,C測試≈272 pF,導線電阻可根據(jù)式(8)進行計算：

R=Pl/S

(8)

式中，R為導線電阻，P為電阻率，l和S為導線長度和截面積.

直徑為0.8 mm的導線電阻為49.5 Ω/km，直徑為0.6 mm的導線電阻為94.2 Ω/km，因此

R熱真空=49.5×6=297 mΩ

R測試=94.2×5=471 mΩ

由于電纜在加工過程中存在脫頭、焊接等工藝過程，理論分析與實測結果存在一定偏差，但是以上分析計算結果與表2基本吻合.

表2 電纜電容、電感和電阻測試結果

根據(jù)測試電纜的實測結果，重新設置圖2中器件L2和L1、器件C12和C11，并進行了電路仿真，可以看出，在2.089 6 MHz頻點處出現(xiàn)單位增益，相位翻轉到15.892°，即相位裕度為15.892°，當相位裕度是正值時，電路本身是穩(wěn)定的.

4.3 前置放大電路幅頻及相頻測試

使用任意波形發(fā)生器產生0.001～10 MHz頻率范圍內的正弦波，連接前置放大電路的電信號源輸入方波信號UEIN，對異常的CES前置放大電路進行幅頻及相頻特性測試，在2～4 MHz頻率范圍內，相位裕度小于5°，電路存在穩(wěn)定性問題.

在圖7中，在頻率2.85 MHz附近，出現(xiàn)單位增益和相位裕度為零的情況，電路不穩(wěn)定，圖7的測量結果與圖4的仿真結果相似度較高.

圖7 頻譜測試曲線Fig.7 Test curves of spectrum

從時域波形也同樣看出系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題：前置放大電路輸出信號在2～4 MHz頻率范圍內異常，在3.5 MHz尤為嚴重.

接下來，使用測試電纜對異常CES前置放大電路進行幅頻及相頻特性測試，結果與圖7基本一致，但時域特性上只在3.5 MHz頻點存在異常，他頻點正常；使用熱真空電纜對另外一臺使用不同批次器件OP484的CES進行了測試，所有頻點正常.

通過時域的測試結果看出：對于裝有14批器件OP484的產品，熱真空電纜和測試電纜下測試均會出現(xiàn)波形不穩(wěn)定現(xiàn)象，其它批次OP484器件的產品不存在類似問題.

電纜和OP484造成電路的幅值和相位裕度為零，同時，在單位增益處相頻特性曲線斜率很大，可以將電路鎖定在一個穩(wěn)定頻率處，進入自激振蕩狀態(tài).

4.4 頻率補償分析

對使用14批器件OP484的CES產品進行返修處理，采用頻率補償方法是成本最低的方案之一.

消除自激振蕩有兩種頻率補償方法，分別是滯后補償和超前補償.超前補償能保證高頻特性，但CES前置放大電路工作在低頻段，不能采用超前補償方法.

因此采用電容滯后補償方法消除自激振蕩，為確定電容值大小，對電路進行了仿真分析，分析了3種容值下電路幅頻特性和相頻特性特性.

補償電容為10 000 pF時，電路的相位裕度為48°，電路是穩(wěn)定的，但是電路的頻率響應曲線在100～200 Hz時壓縮較大，影響產品的工作頻率，因此不選用10 000 pF；補償電容為100 pF時，相位裕度小于零，在180°相移附近的相頻特性曲線斜率仍然十分陡峭，與未補償時基本相當，仍滿足振蕩器工作條件，因此不選用100 pF；補償電容為2 200 pF時，電路的相位裕度為47°，電路是穩(wěn)定的，且幅值和相位在低頻段變化不大.

選擇補償電容值時，需要統(tǒng)籌考慮電路的穩(wěn)定性、增益、相位以及裕度等問題，最終的評價以實際測試及試驗結果為準.

為確定頻率補償電容的容值范圍，使用5種不同容值的電容進行地線干擾復現(xiàn)試驗，試驗結果如表3所示.

因此，選用2 200 pF作為補償電容值.

表3 不同容值補償電容對應時域測試結果

4.5 測試試驗驗證

為了驗證加入補償電容后對低頻段幅值和相位影響的大小，做了一組地球模擬器條件下的標定測試試驗，測出地球姿態(tài)角變化量小于0.01°、地球波幅值變化量小于2%，表明補償電容對CES的相位和幅值的影響可忽略不記.

對返修的CES產品進行了-5 ℃～+50 ℃范圍的熱真空試驗，共進行3次循環(huán)，試驗過程中對前置放大電路輸出信號進行了完整采集，未再出現(xiàn)受干擾進入自激振蕩異常現(xiàn)象.

隨后，依據(jù)標準GJB151A進行了EMC試驗(RS103、CS101、CS114、CS115和CS116)，EMC試驗結果表明CES產品的傳導敏感度和輻射敏感度性能正常，在各種干擾下均不會進入自激振蕩狀態(tài).

5 結束語

本文通過對CES前置放大電路穩(wěn)定性問題開展了相關研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性問題與運算放大器參數(shù)和電纜參數(shù)相關，在幅頻及相頻測試、仿真分析的基礎上提出了電容滯后補償消除CES前置放大電路自激振蕩的方法，該方法具有開銷小，對產品性能影響小等特點，并針對該方法設計和開展了地面試驗驗證，仿真分析與試驗測試結果完全吻合，證明仿真分析過程和電容滯后補償方法有效.

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Analysis on Preamplifier Circuit Stability of theConical Scanning Earth Sensor

TU Zhijun， ZHANG Yi， MEI Zhiwu

(Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China)

The conical earth sensor (CES) is a key measuring instrument of spacecraft． The preamplifier of CES has high gain and low noise characteristics． By simulation analysis, we find out that different parameters of cable and device remarkably affect the circuit’s stability． Based on this, an example of circuit stability problem is presented． To solve this problem, a kind of frequency compensation method is carried out． To confirm this method validity, a series of ground experiments including calibration test, thermal vacuum test and EMC test are designed and performed．

CES； preamplifier circuit； stability

*國家自然科學基金資助項目(51405016).

2015-04-13

V448

A

1674-1579(2015)06-0025-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.06.005

涂智軍(1976—)，男，高級工程師，研究方向為光學敏感器設計；張 燚(1987—)，男，工程師，研究方向為光學敏感器設計；梅志武(1970—)，男，研究員，研究方向為光學敏感器設計.