載人航天器浮地信號采集接口電路研究

王林濤

（中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094）

0 引言

航天器上各臺產品的工作狀態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據管理的重要部分。較多航天器對于模擬信號的采集采用了差分采集的形式，但是在設計或者測試過程中發現對于浮地信號的采集出現了不少偏離設計初衷的現象。本文結合載人航天器型號研制過程中遇到的問題，按照具體的電路設計從機理上進行分析及試驗驗證，給出浮地信號采集的接口設計方法。由于大多數航天器的遙測采集單機設計相似，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行信號采集。其缺點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設備實現的，采用雙端采集設計，其原理見圖1。遙測采集單機由28 V直流電源供電，通過內置的DC/DC（直流/直流電源變換器）轉換為設備內部芯片使用的電壓。二次地在航天器上最終與結構連接。模擬信號的信號線和地線進入遙測采集單機后，通過HI546和HI547多路選擇電子開關進行控制選通，由AD620差分放大器對信號進行2倍的放大，然后通過 LM101電壓跟隨器送往AD574進行模擬量的采集。

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

載人航天器上有數百個模擬量，因此需要對模擬量進行切換采集。遙測采集單機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構相連。但是對于個別的特殊信號，可能存在回線與地不相連的情況，即浮地。比如并網控制器的輸出為浮地。

并網控制器用于兩個航天器之間供電并網。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。在并網供電輸送時，需要進行100 V到28 V的電壓轉換，因此配置了并網控制器，承擔電壓變換及電源的配送任務。并網控制器的供電輸出回線須與設備殼體及艙體絕緣，以保證受電航天器的供電母線單點接地。

并網控制器內部電路原理如圖3所示。設備工作時，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，由并網控制器的28 V電源模塊輸出供電。C1為繼電器狀態遙測正線接點、C2為溫度遙測正線接點，由輔助DC/DC供電。B和B1為遙測回線接點，所有遙測回線均接在一起，與機殼隔離。由圖3可知，這些信號均為浮地信號。

圖3 并網控制器內部原理圖Fig.3 The principle diagram of power parallel connection controller

2 接口匹配實例分析

2.1 實例介紹

將并網控制器的浮地信號送往遙測采集單機進行采集，產生了如下現象：當并網控制器輸入100 V繼電器接通后，一部分輸出遙測參數緩慢上升至最終穩定，一部分遙測參數發生跳變后緩慢上升。遙測參數變化情況如表1所示。

表1 并網控制器遙測參數變化情況Table 1 The parameters of power parallel connection controller

由圖3可知，并網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進行模擬量采集。并網控制器輸入端接收100 V電壓，100 V回線在上級設備處接地。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列出的實際情況可知，100 V輸入的遙測正常，而其他遙測均出現了異常。兩者的區別是100 V遙測與航天器結構地連接，而其他遙測信號均為浮地。

2.2 分析定位

經過分析，產生此現象的可能原因有3個：并網控制器輸出特性異常，遙測采集單機正常，遙測電壓反映了并網控制器輸出的實際遙測電壓；并網控制器輸出正常，遙測采集單機異常，即遙測采集單機對于浮地信號采集功能的特性就是如此；兩臺單機不匹配造成工作異常，在兩臺單機連接后，由于匹配原因導致并網控制器輸出受干擾或者遙測采集單機采集受干擾。根據以上的分析列出分析樹如圖4所示。

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

1）并網控制器輸出

對并網控制器進行了單機測試，連接關系如圖5所示。

圖5 并網控制器單機測試連接示意圖Fig.5 Connection relationship of single equipment test

試驗內容及步驟如下：

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

② 用萬用表搭接在并網控制器遙測正線和回線之間，并網控制器100 V輸入繼電器接通，萬用表測量電壓立即升至2.38 V，根據電阻分壓系數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。發現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。

由以上的測試結果可知，100 V輸入繼電器閉合后，并網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的差分信號并未出現異常。

另外根據分析可知，在并網控制器單機測試的狀態下，遙測回線相對于大地的電壓值應該保持在-13 V左右，當萬用表接入進行電壓測量時，將電容積累的電荷釋放到大地。其時間取決于并網控制器回線與大地之間的電容對萬用表內阻（大約10 MΩ）放電速度的快慢。因此產生了萬用表測量信號正線或者回線時電壓最終均緩慢變化至0 的現象。

2）遙測采集單機浮地采集

對于遙測采集單機采集異常，由于遙測采集單機能正常采集除單網控制器遙測輸出電壓以外的器上其他設備的遙測電壓，而并網控制器的遙測接口與其他設備主要的區別在于其遙測回線沒有接地，即浮地。所以，針對遙測采集單機能否實現浮地電壓采集進行了如下試驗：

將一節1.5 V干電池的正負極通過轉接盒接到遙測采集單機的遙測正線和回線上，進行電壓采集，發現遙測數據立即上升，不存在緩慢上升的現象，即遙測采集單機具有浮地采集的能力。

3）單機接口匹配

單機匹配的問題主要是指并網控制器與遙測采集單機在連接狀態下的相互影響。表現為并網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，但遙測采集單機受到了干擾產生異常。

① 對于并網控制器和遙測采集單機進行了聯試，試驗內容及結果如下：

a.遙測采集單機28 V穩壓電源供電接通，遙測采集單機開機，進行遙測參數監視；

b.并網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，此時由遙測采集單機地面上位機檢測到的遙測由 00緩慢上升到77（16進制，對應電壓為2.37 V）。

由此試驗結果可以排除兩機聯試狀態下并網控制器輸出電壓異常，確定為遙測采集單機采集異常。

② 由圖 1可知，遙測采集單機輸出電壓可能發生變化的環節包括 HI546，AD620，LM101和AD574等。為了進行故障定位，將遙測采集單機開蓋，使用示波器測試電壓，示波器為電池供電。試驗內容及結果如下：

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

b.遙測采集單機開蓋后用示波器對 AD620的輸出端進行壓差的測量，即圖1中G點和大地之間的電壓。通過測量發現，當繼電器閉合后，遙測顯示緩慢上升的同時，G點和大地之間電壓也是緩慢上升的，并且約20 s后同時穩定。結合上文分析及試驗現象可以斷定 AD620處于非正常工作狀態。

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

經上述試驗及分析得知，導致異常現象的原因在于遙測采集單機內部芯片 AD620在外部環境下處于非正常的工作狀態。

2.3 現象機理分析

1）通過對上述試驗分析，此現象的產生主要經歷了以下3個過程：

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

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

③ 遙測回線通過遙測采集單機向機殼緩慢釋放電荷導致回線電壓緩慢上升，進而使AD620輸入回線和地之間的負偏置電壓絕對值緩慢減小，AD620的輸出電壓也逐漸上升，當回線電壓上升至AD620正常工作范圍的下限電壓時，遙測恢復正常。

2）對這3個過程的機理解釋如下。

① 100 V輸入繼電器接通，并網控制器遙測回線突變負電壓機理。

100 V輸入繼電器接通后，DC/DC等效于一個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C2兩個電容在電源接通瞬間進行分壓，造成電容的上端電壓比下端電壓高。由于C1的下端和C2的上端與機殼相連，所以造成回線電壓低于機殼電壓，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為回線相對于機殼地的電壓。

試驗中用萬用表或示波器測量，當表筆接觸測量點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可等效為大電阻），從而使得B1點對地電壓不斷升高。

② AD620在負偏置電壓絕對值過大時，輸出電壓降低。

對于 AD620，根據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，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，對輸入回線電壓進行偏置。當負偏置電壓高于-11 V時，輸出電壓正常為4.76 V（放大2倍）。當負偏置電壓低于-11 V時，輸出電壓減小。當偏置電壓為-15 V時，輸出電壓為0。

經前面測量也驗證了這個結論，當100 V輸入繼電器閉合時，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，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 并網控制器遙測回線負電壓通過遙測采集單機內部電路泄放電荷，導致回線電壓逐漸升高并最終遙測正常的機理。

并網控制器單機測試時，遙測回線上的電容沒有泄放路徑，因此初始時的負電壓是保持不變的。但試驗表明在并網控制器與遙測采集單機聯試的情況下，遙測回線初始時-13 V左右的負電壓并非一直保持不變，可以斷定遙測采集單機內部電路存在電荷泄放的路徑。

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

遙測回線首先通過遙測采集單機內部的電子開關進行控制，然后通過AD620對地阻抗進行電荷泄放。一臺遙測采集單機進行多路模擬量采集，設置了多條遙測回線，輪流接通進行模擬量采集。僅當連接并網控制器遙測的回線接通時才有電荷泄放。并網控制器連接的遙測回線越多，遙測采集單機每次采集循環中與并網控制器遙測回線接通的次數越多，等效電阻越小，電荷泄放越快，電壓升高越快。可以用電容放電的公式解釋，式中：v0為電容上的初始電壓；vt為在時間為t時電容上的電壓；R為放電的等效電阻；C為放電的電容。

可以通過以下試驗驗證上述機理：保持兩者連接關系不變，增加遙測采集單機遙測回線的數量，觀察遙測數據上升時間是否變化，測試結果如表2所示。

遙測回線數量/根

表2 增加遙測回線數量的試驗結果Table 2 Test results when the number of loop lines is increased

遙測數據從00升至50

（16進制源碼）的時間/s

遙測數據從00升至60

（16進制源碼）的時間/s

遙測數據從00升至70

（16進制源碼）的時間/s

遙測數據從00升至77

（16進制源碼）的時間/s

可以看出，遙測回線越多，等效電阻越小，遙測數據上升的時間越短，遙測恢復正常的時間越短，即電容放電速度越快，也證明了并網控制器遙測回線上的電荷確實是通過遙測采集單機的遙測回線進行電荷泄放的。

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

為了避免類似問題再次發生，對于信號回線相對于遙測采集單機的二次地（即航天器的地、設備自身的機殼地）負偏置電壓絕對值不能超過7 V，在進行浮地的電路設計中注意電容的選用，嚴格控制回線與機殼之間的電壓。

3 結束語

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，當信號的共模偏置過大時，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。此研究結果對今后的電路設計有一定的參考價值。

（References）

[1]Intersil.HI-546/547/548/549 data sheet (file number：3150.2 )[G], 1999-01

[2]National Semiconductor.LM101A/LM201A/LM301A operational amplifier data sheet[G], 1999-02

[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