宇航用軸角轉(zhuǎn)換器技術(shù)發(fā)展綜述

高群 潘美珍 余桂周 任遠(yuǎn)杰 孫玉彤

摘要：本文介紹了國(guó)內(nèi)外軸角轉(zhuǎn)換器的技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了中國(guó)電科四十三所目前此類宇航用器件的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)特征和已達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)，以及此類器件的質(zhì)量保證能力和應(yīng)用情況。同時(shí)，為滿足未來(lái)航天器發(fā)展需求，重點(diǎn)分析了宇航用軸角轉(zhuǎn)換器在芯片自主保障能力、抗輻照加固設(shè)計(jì)、集成封裝設(shè)計(jì)等方面所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決措施，為航天控制系統(tǒng)用戶提供安全可靠的宇航級(jí)軸角轉(zhuǎn)換器。

關(guān)鍵詞：宇航用;軸角轉(zhuǎn)換器;高精度;高可靠性

軸角轉(zhuǎn)換器是航天航空領(lǐng)域天線控制器、慣導(dǎo)平臺(tái)、伺服控制等角度位置檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊器件。現(xiàn)代航天器高精度隨動(dòng)系統(tǒng)的控制精度已達(dá)到角秒級(jí)，通常采用高可靠性、長(zhǎng)壽命的雙速旋轉(zhuǎn)變壓器組成角度傳感器的設(shè)計(jì)方案，因此研制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙速旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)同時(shí)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換并輸出完整并行二進(jìn)制數(shù)字角的核心器件，對(duì)航天工程相關(guān)控制系統(tǒng)具有重要意義。

本文重點(diǎn)在宇航用雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)技術(shù)、主要技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量可靠性、工程應(yīng)用情況，以及未來(lái)研究方向幾方面展開(kāi)論述。

1國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1國(guó)外技術(shù)現(xiàn)狀

高精度雙速旋轉(zhuǎn)變壓器含有粗機(jī)和精機(jī)兩個(gè)通道，粗機(jī)旋變是把0～360°機(jī)械角分解為粗通道的正、余弦信號(hào)輸出，精度一般為角分級(jí);而精機(jī)旋變的轉(zhuǎn)速為粗機(jī)的i倍（i=8，16，32，64等），其輸出的正、余弦信號(hào)精度達(dá)到1/i，可為系統(tǒng)提供角秒級(jí)精度的測(cè)角信號(hào)。

雙速正、余弦信號(hào)函數(shù)關(guān)系如下式（1）～（4）所示：

V_CS1-CS3=KV_RL-RHsinωtsinθ（1）

V_CS4-CS2=KV_RL-RHsinωtcosθ（2）

V_FS1-FS3=KV_RL-RHsinωtsin（i·θ）（3）

V_FS4-FS2=KV_RL-RHsinωtcos（i·θ）（4）

式中：

V_CS1-CS3表示粗機(jī)正弦信號(hào)電壓;K表示比例系數(shù);

V_CS4-CS2表示粗機(jī)余弦信號(hào)電壓;V_RL-RH表示參考信號(hào)電壓;

V_FS1-FS3表示精機(jī)正弦信號(hào)電壓;ω表示2πf，f為參考頻率;

V_FS4-FS2表示精機(jī)余弦信號(hào)電壓;θ表示輸入的數(shù)字角;

i表示雙速轉(zhuǎn)換器速比。

目前，實(shí)現(xiàn)雙速旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)到二進(jìn)制數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，國(guó)外通行的技術(shù)路線是：采用兩路單速連續(xù)跟蹤方式的軸角轉(zhuǎn)換電路，分別得到粗、精旋轉(zhuǎn)變壓器的二進(jìn)制數(shù)字角度，由數(shù)據(jù)處理電路對(duì)這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)值處理組合及糾錯(cuò)，以完整的二進(jìn)制數(shù)字角度輸出。

1.2國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

航天領(lǐng)域高質(zhì)量等級(jí)軸角轉(zhuǎn)換器的主要研究單位是中電科四十三所和中船七一六所，二十多年以來(lái)研制出了與國(guó)外型號(hào)兼容、技術(shù)水平相當(dāng)?shù)南盗谢a(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)航天、航空、兵器、艦船、電子等軍工領(lǐng)域占有絕大部分的市場(chǎng)份額。使用HTS系列雙速轉(zhuǎn)換器后，減小了元器件的數(shù)量和用板面積，提高了角度數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性，節(jié)省了用戶軟件開(kāi)銷，更實(shí)現(xiàn)了元器件的自主可控、提高了系統(tǒng)可靠性，為航天工程的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。中船七一六所研制的SD10、SD20系列單速轉(zhuǎn)換器、SD70系列雙速轉(zhuǎn)換器等，在兵器、艦船領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)其他一些單位如武漢凌九電子等公司產(chǎn)品比較單一，規(guī)模較小。

2宇航用軸角轉(zhuǎn)換器技術(shù)及應(yīng)用

2.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1.1單通道轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)

單通道旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換器是采用II型伺服跟蹤原理設(shè)計(jì)的連續(xù)跟蹤型轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度最高1.3角分，可實(shí)現(xiàn)高速高精度無(wú)誤差跟蹤，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?；驹砜驁D如圖1所示。

電路設(shè)計(jì)的信號(hào)傳遞函數(shù)如下：

其中，θin（S）為輸入角的拉氏函數(shù)，θout（S）為輸出角的拉氏函數(shù)，

T₁、T₂分別為時(shí)間常數(shù)，S為拉氏算子，Ka為加速度常數(shù)。

2.1.2雙通道轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)

雙速旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號(hào)，通過(guò)粗和精的單通道轉(zhuǎn)換器分別得到二進(jìn)制數(shù)字角后，由于實(shí)際存在的傳感器誤差、工藝誤差等因素，粗、精通道的數(shù)字角不可能同步變化。有時(shí)當(dāng)精通道還未轉(zhuǎn)完完整一整圈時(shí)，粗通道可能已提前進(jìn)位，或精通道已轉(zhuǎn)完完整一整圈時(shí)，粗通道還未進(jìn)位，產(chǎn)生模糊誤差，這種誤差是雙速旋轉(zhuǎn)變壓器原理性的誤差且不可避免，因此針對(duì)雙速旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換器必須設(shè)計(jì)組合及糾錯(cuò)邏輯電路進(jìn)行邏輯判斷。

組合及糾錯(cuò)邏輯電路的設(shè)計(jì)方法是：采用加法器芯片進(jìn)行粗通道的數(shù)據(jù)權(quán)值處理，即把粗通道的數(shù)據(jù)按照雙速旋變的粗精轉(zhuǎn)速比進(jìn)行倍乘，通過(guò)邏輯判斷電路消除組合位的模糊誤差，最后以完整的并行二進(jìn)制數(shù)字角度輸出。

2.2雙速轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)

四十三所研制的HTS系列雙速轉(zhuǎn)換器，高密度集成了兩路單速轉(zhuǎn)換電路和組合及糾錯(cuò)邏輯電路，電路設(shè)計(jì)采用的元器件均為五院目錄內(nèi)的宇航級(jí)元件及芯片，電路在厚膜混合集成軍標(biāo)線工藝制造，采用金屬外殼全密封封裝。該系列產(chǎn)品具有轉(zhuǎn)換精度高、可靠性高、低功耗、小體積、重量輕的特點(diǎn)。詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.3質(zhì)量驗(yàn)證

2.3.1H級(jí)質(zhì)量驗(yàn)證

宇航級(jí)產(chǎn)品依據(jù)GB/T19001-2016和GJB9001C- 2017標(biāo)準(zhǔn)，建立并實(shí)施了行之有效的產(chǎn)品質(zhì)量管理體系?！顿|(zhì)量手冊(cè)》是質(zhì)量管理工作的基本準(zhǔn)則。質(zhì)量管理體系過(guò)程包括文檔管理過(guò)程、資源管理過(guò)程、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程及測(cè)量、分析和改進(jìn)過(guò)程，并按標(biāo)準(zhǔn)的要求管理這些過(guò)程。

四十三所研制的HTS系列雙速轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量設(shè)計(jì)，符合GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》的H 級(jí)要求，試驗(yàn)條件來(lái)源于GJB548B《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，鑒定試驗(yàn)和每生產(chǎn)批次的質(zhì)量一致性檢驗(yàn)按照其詳細(xì)規(guī)范A組、B組、C組、D組檢驗(yàn)的規(guī)定，確保每生產(chǎn)批次的產(chǎn)品均通過(guò)H級(jí)質(zhì)量考核。

2.3.2總劑量效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

功率振蕩器HOSC2758C為1：8雙速旋轉(zhuǎn)變壓器和HTS16R8雙速轉(zhuǎn)換器提供參考信號(hào)，由雙速轉(zhuǎn)換器解算旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬角度，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換。通過(guò)外接測(cè)試板監(jiān)測(cè)功率振蕩器和雙速R/D轉(zhuǎn)換器的功能和精度等指標(biāo)。

經(jīng)過(guò)對(duì)功率振蕩器和HTS16R8雙速轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了總劑量效應(yīng)試驗(yàn)，輻射源Co-60γ，劑量率0.1 rad （Si）/s。雙速R/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果：抗總劑量輻射能力達(dá)到30 Krad（Si）。

2.3.3單粒子效應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證

由四十三所研制的兩路HDRC16型數(shù)字/旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器組成電子式粗/精角度信號(hào)發(fā)送器，通過(guò)控制輸入16位數(shù)字D1～D16從全“0”到全“1”變化，產(chǎn)生0°到360°雙速模擬角度變化，HTS16R8雙速轉(zhuǎn)換器解算該模擬角度輸出16位二進(jìn)制數(shù)，通過(guò)比較輸入、輸出的數(shù)字量來(lái)監(jiān)測(cè)HTS16R8雙速轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換功能和精度。

經(jīng)過(guò)對(duì)功率振蕩器和HTS16R8雙速轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了單粒子效應(yīng)摸底試驗(yàn)，粒子種類：Kr/Bi，HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)結(jié)果：抗單粒子鎖定SEL閾值大于94.28 MeV.cm²/mg。

3未來(lái)研究方向

3.1實(shí)現(xiàn)芯片自主可控并抗輻照加固設(shè)計(jì)

在芯片自主可控方面，四十三所已經(jīng)開(kāi)展研制工作，分析了該類型連續(xù)跟蹤R/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，掌握了其中固態(tài)控制變壓器、相敏解調(diào)器、壓控振蕩器、16 位可逆計(jì)數(shù)器等核心電路的設(shè)計(jì)技術(shù)，已完成芯片版圖設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)提取、性能指標(biāo)仿真等工作，立足國(guó)內(nèi)BICOMS工藝流片制造，2021年完成了R/D轉(zhuǎn)換核心電路單片化、國(guó)產(chǎn)化目標(biāo)。

在芯片抗輻照加固方面，針對(duì)空間領(lǐng)域總劑量輻射、單粒子輻射、中子輻射以及其他輻射，重點(diǎn)研究輻射粒子與半導(dǎo)體材料的相互作用和輻射損傷機(jī)理，分別從電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造四個(gè)方面開(kāi)展芯片加固工作。計(jì)劃到2022年完成R/D轉(zhuǎn)換核心芯片的抗輻照加固設(shè)計(jì)，考核目標(biāo)是：1）抗總劑量：≥100 KRad（Si）;2）單粒子閂鎖LET 閾值：≥75 MeV-cm²/mg;3）單粒子翻轉(zhuǎn)LET閾值：≥37 MeV-cm²/mg。

通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，國(guó)內(nèi)研制的單速轉(zhuǎn)換器和雙速轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)自主可控和抗輻照能力的雙提升，滿足宇航用轉(zhuǎn)換器的高可靠性及空間環(huán)境適應(yīng)性需求。

3.2實(shí)現(xiàn)電路一體化封裝SIP設(shè)計(jì)

現(xiàn)代空間飛行器對(duì)控制電路要求向系統(tǒng)體積小型化、多功能集成化方向發(fā)展。四十三所在電路混合集成技術(shù)、一體化外殼設(shè)計(jì)技術(shù)、3D組裝工藝技術(shù)、高密度電路測(cè)試技術(shù)等方面均做了大量的基礎(chǔ)研究工作。針對(duì)宇航用雙軸雙速旋變解碼電路的設(shè)計(jì)需求，提出了集成兩路雙速轉(zhuǎn)換器電路、激磁電源電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路等功能電路為一體化封裝的旋變解碼電路SIP方案，即在一只43×32×6.5 mm³體積的ALN陶瓷一體化封裝外殼內(nèi)，實(shí)現(xiàn)上述4部分電路的功能集成，集成電路目標(biāo)如圖2所示。采用上述方案研制的一體化封裝SIP產(chǎn)品，將給航天角度位置檢測(cè)系統(tǒng)用戶提供更加先進(jìn)可靠、小型化、系列化的解決方案。一體化集成產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)雙面混合集成電路設(shè)計(jì)。

4結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)軸角轉(zhuǎn)換器技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已呈現(xiàn)微電路模塊、混合集成電路模塊、單片集成電路并存的現(xiàn)狀，作為航天航空領(lǐng)域關(guān)鍵電子器件之一，高精度單片化系統(tǒng)級(jí)封裝設(shè)計(jì)是發(fā)展方向。四十三所航天級(jí)HTS系列雙速轉(zhuǎn)換器已實(shí)現(xiàn)了航天工程應(yīng)用，按照空間應(yīng)用電子元器件向自主可控、抗輻照加固、一體化集成和高可靠性的發(fā)展目標(biāo)，今后將繼續(xù)開(kāi)展核心芯片的研發(fā)和抗輻照加固設(shè)計(jì)工作，并發(fā)揮電路集成設(shè)計(jì)、一體化結(jié)構(gòu)工藝和封裝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研制出滿足未來(lái)航天要求的新產(chǎn)品。

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