幾型紅外成像產品相同電路故障的研究分析

摘 要:在幾型紅外成像產品的調試過程中，均發生了DSP讀取的由某型號RDC轉換的旋變角度數據不穩定故障。采用故障樹分析方法，建立了故障發生的基本物理模型，對故障產生的機理進行全面的層次化分析，并通過試驗進行驗證，最終實現了故障的定位和排除，得到了RDC轉換器件的可靠應用方法及結論。

關鍵詞:紅外; DSP; 追蹤型RDC; 紅外成像裝置

中圖分類號:TP212.2 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)09-0169-03

Analysis on Faults of Same Circuits of Several Infrared Imaging Products

WANG Jun-ping， SHANG Chao

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

Abstract: The same faults occured during the experiments of several infrared imaging products. Resolver′s angle data that is converted by resolver to digital converter and acquired by digital signal processor is unstable. The basic physical model for the faults was established and the mechanism to generate the faults was analyzed thoroughly. By experiments and analysis， the faults were located and eliminated.

Keywords: infrared; DSP; resolver to digital converter; infrared imaging device

0 引 言

隨著紅外成像產品數字化應用水平的提高，大量的數字電路被應用到了視場到紅外焦平面探測器及光學口徑的限制，為了提高紅外成像產品的總視場，通常采用電機掃描結構形式。

旋轉變壓器作為一種高精度、高可靠性的測角元件，被廣泛應用于航空、航天、兵器、船舶等領域的伺服控制系統中[1-2]。追蹤型軸角數字轉換器(RDC)是目前最常用的對旋變信號數字化的軸角數字轉換器之一。追蹤型RDC具有分辨率、帶寬、最大追蹤速度無可由用戶設置的特性，并且具有很高的轉換精度和速度。追蹤型RDC的工作原理依據典型Ⅱ型伺服回路，具有沒有靜態角度誤差和速度誤差的特性[3]。

在對幾型紅外成像產品的伺服控制系統進行調試時發現，通過CCS調試窗口觀察到由伺服控制回路的主控DSP(Digital Signal Processor)采集到的追蹤型RDC轉換輸出的旋轉變壓器角度數據很不穩定，即使旋變的位置固定不轉時，角度數據也在隨機地大范圍跳動。

與電路系統的噪聲水平相比較，認定角度數據的跳動不是輸出數據的噪聲，而是由于電路故障造成的。多個型號發生了相同的故障時，說明該故障具有較大的普遍性，值得認真分析。因此，本文對該次故障進行了全面深入的分析，準確地定位了故障部位和原因，排除了多型產品的故障。

1 故障現象

幾型紅外產品的伺服控制單元均采用了旋轉變壓器作為角度反饋單元，通過追蹤型RDC進行軸角數字轉換，在獲得數字化電機軸角反饋信息后，傳遞給主控DSP進行閉環控制。伺服控制單元的工作原理如圖1所示。

圖1 伺服控制單元原理框圖

在伺服控制單元進行調試時，通過CCS調試觀察窗口對采集數據進行觀察，均發現當RDC位于固定位置不動時，主控DSP讀取的角度數據在大范圍(整個圓周)內隨機跳動。受系統噪聲的影響，當RDC位于固定位置不動時，主控DSP讀取的角度數據存在隨機抖動，但其幅度遠小于整個圓。因此判定多型紅外成像產品的伺服控制單元出現主控DSP讀取角度數據不穩定的故障。主控DSP采集數據的觀察方法如圖2所示[4-5]。

圖2 CCS數據觀察窗口

由于主控DSP是依靠采集到的角度數據進行閉環控制的[6]，所以角度數據的不穩定故障將導致整個伺服控制單元的故障，進而影響整個紅外成像產品的成敗，且多型產品同時出現該故障，說明故障原因具有一定的普遍性和多發性。因此，該故障的排除具有重要的價值。

2 故障的機理分析

2.1 故障的簡化模型

根據圖1，可以建立伺服控制單元的故障模型如圖3所示。

圖3 故障簡化模型

從圖3可見，導致主控DSP讀取數據不穩定故障的原因主要包括系統環境故障、DSP故障、輸出通道故障、旋變故障和RDC故障等。

系統環境故障主要有電源故障，干擾過大等因素[7]。DSP故障主要有元件損壞、程序錯誤、電路設計錯誤等因素。旋變故障主要有元件損壞、接線錯誤等因素。數據通道故障主要有接口芯片損壞、接口設計錯誤、數據總線錯誤等因素。追蹤型RDC故障主要有元件損壞、外圍參數錯誤、控制信號錯誤等因素[8]。

2.2 故障定位

首先，通過試驗測試排除了系統電源紋波及干擾噪聲過大導致系統環境性故障的可能性。

其次，由于主控DSP可以正確讀取其他AD(陀螺信號用模數轉換器)芯片的數據，排除了DSP元件損壞及其配置電路設計錯誤等可能性的故障。之后編寫了多個針對追蹤型RDC測試程序對DSP的RDC讀取控制時序進行測試，實驗表明問題仍然存在。由于追蹤型RDC的數據手冊給出了其明確的讀取控制時序圖，與測試程序認真對比后，基本上排除了DSP讀取程序編寫錯誤的故障。

接著對旋變信號進行了測試。試驗證明，旋變的輸入、輸出信號均正常，排除了旋變故障的可能性。因此，根據故障的簡化模型初步把故障定位于追蹤型RDC故障。

2.3 追蹤型RDC故障分析

為了簡化排除故障的難度，DSP程序僅保留最簡單的追蹤型RDC讀取控制功能，即令追蹤型RDC的幾個控制信號都保持在相應的邏輯電平，是追蹤型RDC一直處于輸出工作狀態，而不進行時序控制。此時，追蹤型RDC的輸出信號應該隨著旋變輸出角度的變化作“跟蹤性”的變化。

完成以上工作后，進行試驗測試。試驗結果表明，當旋變角度變化時，追蹤型RDC的輸出僅最低位(LSB)有變化，其余位均保持在零電平。這與上文理論分析不一致，進而證明把故障初步定位為追蹤型RDC故障是正確的判斷。

由于多個型號產品不同時間加工，不同電路參數的電路板同時出現了此問題，因此基本上可以排除外圍參數設計錯誤的可能性。余下的可能性就只有芯片損壞和控制信號錯誤的故障。追蹤型RDC的原理框圖如圖4所示。

圖4 追蹤型RDC原理框圖

根據追蹤型RDC的工作原理，對其幾個重要的輸出進行了測試，如交流誤差信號(AC Error)、相敏解調器的輸出信號、積分器的輸出信號、壓控振蕩器的輸出信號、BUSY信號、DIRECTION信號、RIPPLE CLOCK信號等。

由于BUSY信號一直有輸出，說明追蹤型RDC沒有損壞(但不能完全排除)。不過，其余信號均不正常，特別是AC Error信號出現明顯的飽和現象，如圖5所示。

圖5 AC Error信號飽和

因為追蹤型RDC內部電路為閉環結構，因此無法據此判斷到底是哪個環節出現故障。根據追蹤型RDC的工作原理，正常工作時AC Error應該是一個幅度接近零值的與參考信號同頻的交流信號[9]。經分析，造成AC Error信號飽和的原因有兩個:比例乘法器(Ratio Multiplier)故障和輸出計數器(Counter)故障。在調試過程中進一步發現，當旋變轉動到零角度位置附近時AC Error信號的飽和現象消失。

如果比例乘發器故障，則其輸出飽和現象應該與旋變的轉動位置無關。因此，可以先排除比例乘法器故障的可能性，預計可能的故障應該是輸出計數器故障。只有當計數器的輸出一致固定在零位置附近，才會造成AC Error信號的飽和。這與試驗觀察到的RDC角度輸出數據僅最低位有變化，其余位均維持在零電平的現象一致。

計數器輸出固定在“零”的故障原因有兩種:一是計數器損壞(追蹤型RDC芯片損壞);二是追蹤型RDC的預置數功能故障。由于多個型號多塊不同電路板的故障現象一致，因此同時發生芯片損壞，且損壞部位相同的可能性不高。所以，進一步把故障定位于追蹤型RDC內部輸出計數器的預置數功能故障。

追蹤型RDC的預置數功能是通過Complement和Dataload的電平控制實現的。Complement和Dataload均為低電平有效，檢查電路設計，發生故障的電路板對這兩個管腳采用固定上拉到+5 V電平或者通過控制總線進行程序控制。不管采用哪種方式，正常計數工作時二者均應維持在高電平，試驗測試二者的管腳電壓也均為+5 V電平。不過，某型產品的Complement管腳采用懸空設計，試驗測得其管腳電壓為+12 V電平。作為“數字邏輯控制”類型的管腳，且追蹤型RDC的數字邏輯電源輸入為+5 V，按照正常邏輯推理Complement和Dataload的邏輯電平應為+5 V邏輯電平系統(即TTL電平)。發現此現象后，經過仔細閱讀追蹤型RDC的數據手冊發現，其部分“數字邏輯控制”管腳采用了內部上拉，且上拉電平不是通常的+5 V電平，而是“正模擬電源”+12 V。這表明追蹤型RDC的“數字邏輯控制”輸入管腳采用了兩種不同的邏輯電平系統:+5 V電平和+12 V電平。

仔細查閱其數據手冊發現，其Enable，Inhibit和Byteselect管腳采用了通常的+5 V電平，而SC1，SC2，Dataload和Complement管腳采用了+12 V電平，數字輸出管腳均采用了+5 V電平。由于Dataload和Complement管腳的邏輯“高”電平為+12 V，所以當其輸入+5 V電平時，追蹤型RDC將其判斷為“低”電平，導致預置數功能的非預期啟動，使計數器不停地被預置為數據線上的“零”數據，導致計數器的輸出維持在“零”位置，從而導致了故障的發生。

3 故障解決及試驗驗證

由于故障是由于追蹤型RDC的部分數字邏輯控制管腳的“高”電平設置出現了問題，因此只要將這些管腳的上拉電平糾正為“+12 V”即可解決故障。

落實糾正措施后，對多型產品的伺服控制單元進行了試驗驗證，通過示波器窗口觀察采集到的AC Error信號保持穩定，波動很小，如圖6所示。通過CCS窗口觀察采集到的RDC角度數據基本為一條直線。

圖6 AC Error信號穩定

試驗結果證實主控DSP采集到的旋變角度數據已經不存在固定位置的角度數據大范圍隨機跳動的不穩定故障了，這表明本文故障分析定位準確，糾正措施有效[10]。

4 結 語

對幾型紅外成像產品中伺服控制系統出現同樣的主控DSP采集到的固定位置旋變角度數據大范圍隨機跳動的不穩定故障進行了全面有效的分析，定位了故障部位和故障原因，給出了故障糾正措施。試驗結果證明，故障分析正確，定位準確，措施有效。

由于追蹤型RDC在現代伺服控制系統中具有廣泛的應用，因此本文的分析及結論對基于追蹤型RDC的現代伺服控制系統設計具有一定的指導和借鑒意義。

參考文獻

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