高群 潘美珍 余桂周 任遠杰 孫玉彤

摘要：本文介紹了國內(nèi)外軸角轉換器的技術發(fā)展和工程應用現(xiàn)狀，闡述了中國電科四十三所目前此類宇航用器件的設計方法、技術特征和已達到的主要技術指標，以及此類器件的質量保證能力和應用情況。同時，為滿足未來航天器發(fā)展需求，重點分析了宇航用軸角轉換器在芯片自主保障能力、抗輻照加固設計、集成封裝設計等方面所面臨的技術挑戰(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軸角轉換器。

關鍵詞：宇航用;軸角轉換器;高精度;高可靠性

軸角轉換器是航天航空領域天線控制器、慣導平臺、伺服控制等角度位置檢測系統(tǒng)的核心模塊器件?，F(xiàn)代航天器高精度隨動系統(tǒng)的控制精度已達到角秒級，通常采用高可靠性、長壽命的雙速旋轉變壓器組成角度傳感器的設計方案，因此研制能夠實現(xiàn)對雙速旋轉變壓器信號同時進行模/數(shù)轉換并輸出完整并行二進制數(shù)字角的核心器件，對航天工程相關控制系統(tǒng)具有重要意義。

本文重點在宇航用雙速軸角轉換器電路設計技術、主要技術指標、質量可靠性、工程應用情況，以及未來研究方向幾方面展開論述。

1國內(nèi)外技術現(xiàn)狀

1.1國外技術現(xiàn)狀

高精度雙速旋轉變壓器含有粗機和精機兩個通道，粗機旋變是把0～360°機械角分解為粗通道的正、余弦信號輸出，精度一般為角分級;而精機旋變的轉速為粗機的i倍（i=8，16，32，64等），其輸出的正、余弦信號精度達到1/i，可為系統(tǒng)提供角秒級精度的測角信號。

雙速正、余弦信號函數(shù)關系如下式（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表示粗機正弦信號電壓;K表示比例系數(shù);

V_CS4-CS2表示粗機余弦信號電壓;V_RL-RH表示參考信號電壓;

V_FS1-FS3表示精機正弦信號電壓;ω表示2πf，f為參考頻率;

V_FS4-FS2表示精機余弦信號電壓;θ表示輸入的數(shù)字角;

i表示雙速轉換器速比。

目前，實現(xiàn)雙速旋轉變壓器信號到二進制數(shù)字角的轉換，國外通行的技術路線是：采用兩路單速連續(xù)跟蹤方式的軸角轉換電路，分別得到粗、精旋轉變壓器的二進制數(shù)字角度，由數(shù)據(jù)處理電路對這兩組數(shù)據(jù)進行權值處理組合及糾錯，以完整的二進制數(shù)字角度輸出。

1.2國內(nèi)技術現(xiàn)狀

航天領域高質量等級軸角轉換器的主要研究單位是中電科四十三所和中船七一六所，二十多年以來研制出了與國外型號兼容、技術水平相當?shù)南盗谢a(chǎn)品，在國內(nèi)航天、航空、兵器、艦船、電子等軍工領域占有絕大部分的市場份額。使用HTS系列雙速轉換器后，減小了元器件的數(shù)量和用板面積，提高了角度數(shù)據(jù)采集實時性，節(jié)省了用戶軟件開銷，更實現(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)展做出了應有的貢獻。中船七一六所研制的SD10、SD20系列單速轉換器、SD70系列雙速轉換器等，在兵器、艦船領域也有廣泛應用。國內(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宇航用軸角轉換器技術及應用

2.1產(chǎn)品設計技術

2.1.1單通道轉換器設計技術

單通道旋變-數(shù)字轉換器是采用II型伺服跟蹤原理設計的連續(xù)跟蹤型轉換器，轉換精度最高1.3角分，可實現(xiàn)高速高精度無誤差跟蹤，具有良好的動態(tài)響應特性?；驹砜驁D如圖1所示。

電路設計的信號傳遞函數(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雙通道轉換器設計技術

雙速旋轉變壓器輸出的信號，通過粗和精的單通道轉換器分別得到二進制數(shù)字角后，由于實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。有時當精通道還未轉完完整一整圈時，粗通道可能已提前進位，或精通道已轉完完整一整圈時，粗通道還未進位，產(chǎn)生模糊誤差，這種誤差是雙速旋轉變壓器原理性的誤差且不可避免，因此針對雙速旋變-數(shù)字轉換器必須設計組合及糾錯邏輯電路進行邏輯判斷。

組合及糾錯邏輯電路的設計方法是：采用加法器芯片進行粗通道的數(shù)據(jù)權值處理，即把粗通道的數(shù)據(jù)按照雙速旋變的粗精轉速比進行倍乘，通過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制數(shù)字角度輸出。

2.2雙速轉換器技術指標

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

2.3質量驗證

2.3.1H級質量驗證

宇航級產(chǎn)品依據(jù)GB/T19001-2016和GJB9001C- 2017標準，建立并實施了行之有效的產(chǎn)品質量管理體系?！顿|量手冊》是質量管理工作的基本準則。質量管理體系過程包括文檔管理過程、資源管理過程、產(chǎn)品實現(xiàn)過程及測量、分析和改進過程，并按標準的要求管理這些過程。

四十三所研制的HTS系列雙速轉換器的質量設計，符合GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》的H 級要求，試驗條件來源于GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》，鑒定試驗和每生產(chǎn)批次的質量一致性檢驗按照其詳細規(guī)范A組、B組、C組、D組檢驗的規(guī)定，確保每生產(chǎn)批次的產(chǎn)品均通過H級質量考核。

2.3.2總劑量效應試驗驗證

功率振蕩器HOSC2758C為1：8雙速旋轉變壓器和HTS16R8雙速轉換器提供參考信號，由雙速轉換器解算旋轉變壓器輸出的模擬角度，實現(xiàn)高精度數(shù)字轉換。通過外接測試板監(jiān)測功率振蕩器和雙速R/D轉換器的功能和精度等指標。

經(jīng)過對功率振蕩器和HTS16R8雙速轉換器進行了總劑量效應試驗，輻射源Co-60γ，劑量率0.1 rad （Si）/s。雙速R/D轉換器產(chǎn)品試驗結果：抗總劑量輻射能力達到30 Krad（Si）。

2.3.3單粒子效應試驗驗證

由四十三所研制的兩路HDRC16型數(shù)字/旋轉變壓器轉換器組成電子式粗/精角度信號發(fā)送器，通過控制輸入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雙速轉換器解算該模擬角度輸出16位二進制數(shù)，通過比較輸入、輸出的數(shù)字量來監(jiān)測HTS16R8雙速轉換器的轉換功能和精度。

經(jīng)過對功率振蕩器和HTS16R8雙速轉換器進行了單粒子效應摸底試驗，粒子種類：Kr/Bi，HTS16R8 雙速轉換器試驗結果：抗單粒子鎖定SEL閾值大于94.28 MeV.cm²/mg。

3未來研究方向

3.1實現(xiàn)芯片自主可控并抗輻照加固設計

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

在芯片抗輻照加固方面，針對空間領域總劑量輻射、單粒子輻射、中子輻射以及其他輻射，重點研究輻射粒子與半導體材料的相互作用和輻射損傷機理，分別從電路設計、版圖設計、結構設計、工藝制造四個方面開展芯片加固工作。計劃到2022年完成R/D轉換核心芯片的抗輻照加固設計，考核目標是：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LET閾值：≥37 MeV-cm²/mg。

通過技術攻關，國內(nèi)研制的單速轉換器和雙速轉換器可實現(xiàn)自主可控和抗輻照能力的雙提升，滿足宇航用轉換器的高可靠性及空間環(huán)境適應性需求。

3.2實現(xiàn)電路一體化封裝SIP設計

現(xiàn)代空間飛行器對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、一體化外殼設計技術、3D組裝工藝技術、高密度電路測試技術等方面均做了大量的基礎研究工作。針對宇航用雙軸雙速旋變解碼電路的設計需求，提出了集成兩路雙速轉換器電路、激磁電源電路、電壓轉換電路、電平轉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)，實現(xiàn)上述4部分電路的功能集成，集成電路目標如圖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系統(tǒng)用戶提供更加先進可靠、小型化、系列化的解決方案。一體化集成產(chǎn)品可實現(xiàn)雙面混合集成電路設計。

4結語

國內(nèi)軸角轉換器技術經(jīng)過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，作為航天航空領域關鍵電子器件之一，高精度單片化系統(tǒng)級封裝設計是發(fā)展方向。四十三所航天級HTS系列雙速轉換器已實現(xiàn)了航天工程應用，按照空間應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，今后將繼續(xù)開展核心芯片的研發(fā)和抗輻照加固設計工作，并發(fā)揮電路集成設計、一體化結構工藝和封裝的技術優(yōu)勢，研制出滿足未來航天要求的新產(chǎn)品。

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