0 引言

    隨著我國(guó)空間環(huán)境探測(cè)有效載荷的不斷發(fā)展，質(zhì)譜計(jì)在空間探測(cè)中的作用越來越重要?？臻g小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)用于月球、火星、金星等星球表面氣體成分探測(cè)，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(shí)現(xiàn)物理部分離子流檢測(cè)、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(shí)進(jìn)行總線通信、工作模式切換、啟動(dòng)測(cè)量、探測(cè)數(shù)據(jù)及狀態(tài)遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。

1 組成及工作原理

    磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、靈敏度高的特性，其對(duì)衛(wèi)星飛行軌道上氣體進(jìn)行采集，氣體進(jìn)入離子源之后，燈絲發(fā)射的電子使氣體分子電離，產(chǎn)生正電離子，經(jīng)加速聚焦后引入磁分析器，不同質(zhì)荷比正離子在磁場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)半徑不同，在某一加速電壓下只有一種離子到達(dá)離子檢測(cè)器，檢測(cè)器檢測(cè)出不同的離子流強(qiáng)度，通過電控系統(tǒng)對(duì)離子流進(jìn)行檢測(cè)與采集，得出待測(cè)氣體成分^[2]。物理部分實(shí)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(cè)器、真空室以及進(jìn)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(hào)處理器、微弱電流檢測(cè)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(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)地面測(cè)試與在軌測(cè)試的要求，電控系統(tǒng)實(shí)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(cè)模式。

2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 微弱電流檢測(cè)與放大電路

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)質(zhì)量數(shù)探測(cè)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(jì)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(cè)電路放大能力強(qiáng)、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(yīng)用特點(diǎn)，建立基于I/V轉(zhuǎn)換的檢測(cè)模型^[3]。采用運(yùn)算放大器AD549構(gòu)成檢測(cè)與放大電路，其專門應(yīng)用于靜電計(jì)、質(zhì)譜計(jì)、離子測(cè)量以及光電探測(cè)器領(lǐng)域，輸入阻抗達(dá)10¹⁵ Ω，輸入偏置電流和失調(diào)電流極低。在運(yùn)放輸入端加入限流保護(hù)電阻^[4]，設(shè)計(jì)為雙通道對(duì)稱檢測(cè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠檢測(cè)質(zhì)譜計(jì)雙通道90°扇形磁分析器。微弱電流檢測(cè)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(qiáng)，但會(huì)增大時(shí)間常數(shù)，降低測(cè)量速度。按照R_f=1/ωC_f時(shí)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(hào)源內(nèi)阻，I_S為信號(hào)輸入電流，Rf為反饋電阻。

    由式(2)看出輸出電壓與信號(hào)源內(nèi)阻無關(guān)，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(jù)10^-12 A~10^-8 A的檢測(cè)范圍，計(jì)算出輸出電壓V_out范圍為1 mV~10 V。

2.1.1 失調(diào)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(diào)電流，V_OS為失調(diào)電壓。

    輸出電壓誤差分為兩部分：一是失調(diào)電流和失調(diào)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(diào)電流為30 fA，失調(diào)電壓為0.3 mV，則失調(diào)電流和失調(diào)電壓引起的固定誤差為0.33 mV。AD549在+25 ℃時(shí)，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(cè)量設(shè)備必須考慮噪聲抑制問題，尤其在微弱信號(hào)檢測(cè)時(shí)顯得更為突出。外部噪聲由電源干擾、工頻干擾、電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾等引起。設(shè)計(jì)LC電源濾波電路，保證電源電壓低紋波；為保證設(shè)備小型化，工頻干擾通過數(shù)字濾波器解決；電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾通過屏蔽和接地解決。

    內(nèi)部噪聲主要由檢測(cè)電路自身產(chǎn)生，根據(jù)離子流信號(hào)帶寬0.1 Hz~16 Hz及AD549參數(shù)，內(nèi)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(duì)應(yīng)輸出電壓1 mV的要求。

    利用吸濕性小、化學(xué)穩(wěn)定性好的聚四氟乙烯構(gòu)成絕緣板，采用信號(hào)懸浮隔離技術(shù)使AD549信號(hào)輸入與電路板隔離，降低泄漏電流對(duì)信號(hào)噪聲的貢獻(xiàn)^[5]；保證元器件布局緊湊，運(yùn)放及周圍大面積敷銅，并與電源單點(diǎn)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(hào)懸浮隔離處理技術(shù)示意如圖4所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)離子流為2個(gè)通道，狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)為4個(gè)通道，共采集8個(gè)通道模擬量信號(hào)。采用16位模數(shù)變換器AD976、模擬開關(guān)ADG528以及運(yùn)放OP07電壓跟隨器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集電路。

    AD976具有采樣速率高、低功耗的特點(diǎn)，內(nèi)含時(shí)鐘、參考電源和校準(zhǔn)電路,輸入電壓范圍為±10 V，轉(zhuǎn)換周期最大10 μs，最大功耗100 mW。為方便處理片選控制信號(hào)CS， 結(jié)合DSP時(shí)序，采用CS控制轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)讀出過程。AD976接口電路原理如圖5所示。

    設(shè)計(jì)AD976讀/轉(zhuǎn)換信號(hào)R/C由DSP的I/O口給出，CS由地址譯碼電路給出,轉(zhuǎn)換完成信號(hào)BUSY通過電平轉(zhuǎn)換器件連接至DSP的I/O口，總線D0~D15與DSP總線連接。當(dāng)AD976啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之后DSP對(duì)BUSY查詢，如果BUSY信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，則表明AD976轉(zhuǎn)換結(jié)束，DSP可以對(duì)AD976進(jìn)行讀操作。

    如果A/D轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)故障，即BUSY信號(hào)一直輸出為“0”，則軟件會(huì)發(fā)生“死等”情況，為此加入時(shí)間保護(hù)處理，即在10 ms內(nèi)BUSY一直為“0”，則認(rèn)為AD976轉(zhuǎn)換故障，此時(shí)不再查詢BUSY，軟件執(zhí)行下面操作，并將A/D超時(shí)故障標(biāo)識(shí)置位，通過CAN總線將此狀態(tài)發(fā)送至星務(wù)計(jì)算機(jī)。

2.3 掃描電壓控制電路

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)為基于離子質(zhì)量與加速電壓呈一定關(guān)系的電壓掃描方式^[6]。根據(jù)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(zhǎng)、持續(xù)時(shí)間、步數(shù)的控制電壓來驅(qū)動(dòng)高壓掃描電源，掃描參數(shù)要求如圖6所示。

    為實(shí)現(xiàn)不同掃描參數(shù)變化，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)掃描控制，采用16位D/A轉(zhuǎn)換器AD7846，功耗l00 mW，最大建立時(shí)間6 μs，片內(nèi)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(zhǔn)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(fù)載能力。讀寫信號(hào)R/W與DSP的I/O口連接，片選信號(hào)CS、清零信號(hào)CLR和轉(zhuǎn)換信號(hào)LDAC由地址譯碼產(chǎn)生，總線D0~D15與DSP總線連接，滿足轉(zhuǎn)換時(shí)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(shè)計(jì)，其緩慢加電和下電控制由軟件實(shí)現(xiàn)；通過DSP的I/O口設(shè)計(jì)輸出四路脈沖信號(hào)，控制高壓電源、倍增器高壓的導(dǎo)通和鎖定，防止上電瞬間引起設(shè)備損壞。

2.4 DSP及接口電路

    數(shù)字信號(hào)處理器DSP作為核心控制器，與外圍電路接口，實(shí)現(xiàn)高速、高精度數(shù)據(jù)采集以及掃描控制。采用TI公司32位浮點(diǎn)TMS320VC33型DSP，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，便于實(shí)現(xiàn)在軌氣體成分實(shí)時(shí)分析。DSP接口電路設(shè)計(jì)主要包括：時(shí)鐘電路、看門狗電路、存儲(chǔ)器電路和總線驅(qū)動(dòng)電路等。

    時(shí)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(chǔ)需求；為提高系統(tǒng)可靠性，使用看門狗監(jiān)控電路，當(dāng)程序“跑飛”時(shí)能重啟系統(tǒng)；為滿足電路5 V和3.3 V之間轉(zhuǎn)換，使用了16位電平轉(zhuǎn)換器。

    質(zhì)譜計(jì)與星務(wù)計(jì)算機(jī)采用雙通道CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。采用CAN總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250對(duì)DSP進(jìn)行CAN總線接口擴(kuò)展。SJA1000具有復(fù)用的8位數(shù)據(jù)/地址總線，與DSP接口采用數(shù)據(jù)總線模擬地址總線方式，選用Motorola模式。

2.5 軟件設(shè)計(jì)

    小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)軟件功能是完成對(duì)模擬量信號(hào)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(wù)。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(wù)計(jì)算機(jī)通過CAN總線下發(fā)在軌掃描啟動(dòng)指令，收到啟動(dòng)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(yù)設(shè)掃描參數(shù)進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)采集，掃描結(jié)束后，燈絲電流緩慢下電，最后關(guān)閉倍增器高壓和高壓電源輸出。每個(gè)掃描過程包括輸出掃描控制電壓、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸四個(gè)子過程。

    空間小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)電控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如圖9所示，為進(jìn)氮?dú)夂鬁y(cè)量圖譜。

3 結(jié)論

    通過地面功能和性能測(cè)試、環(huán)境試驗(yàn)（力學(xué)、熱學(xué)等）考核以及在軌運(yùn)行測(cè)試，證明小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理可行，實(shí)現(xiàn)了低噪聲微弱信號(hào)檢測(cè)和高精度掃描高壓控制，微弱電流檢測(cè)噪聲指標(biāo)≤10-12 A，掃描控制電壓精度≤1 mV，功耗≤3 W，有力支持了質(zhì)譜計(jì)整機(jī)系統(tǒng)的功能與性能實(shí)現(xiàn)。研制的小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)后續(xù)還將應(yīng)用到我國(guó)空間站載人飛船、月球以及火星等深空探測(cè)中。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪志成，邱家穩(wěn)，郭美如，等.質(zhì)譜計(jì)在行星大氣和土壤成份分析中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2009（21)：43-45.

[2] 郭美如，李得天，肖玉華，等.小型磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)磁場(chǎng)的分析計(jì)算[J].真空與低溫，2010，16（1）：12-16.

[3] 周佩麗，張記龍，王志斌.光電離傳感器中微電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（4)：108-110.

[4] 曾慶勇.微弱信號(hào)檢測(cè)(第二版)[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，1994.

[5] 高青松，銀東東，李云鵬，等.一種磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜計(jì)離子流檢測(cè)裝置[P].中國(guó)，ZL201110396712.6.2013-11-20.

[6] 伍美俊.基于DSP的四極質(zhì)譜儀數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2007.