惯性姿态敏感器典型电磁干扰现象研究*

付明睿，郭廷梅

(北京控制工程研究所，北京 100190)

惯性姿态敏感器是卫星控制系统中重要的姿态测量部件之一，产品构成一般为具备多通道冗余备份的陀螺组合件和配套的陀螺线路盒.线路盒包含二次电源和配套的陀螺仪驱动和检测电路，一般情况下陀螺仪和配套的驱动检测电路设计为通道间相互独立的方式，以减小相互耦合，从而提高产品的可靠性.但在实际实现中发现单通道工作和多个通道共同工作时陀螺仪的检测精度差别较大，严重时陀螺仪的角速率输出信号还会产生低频的振荡现象.这种情况按照以往的经验往往归结于电路内不同通道电路板间由于采用了不同的频率源，进而产生“拍频干扰”，而采取的解决方案是将线路盒内的频率源进行统一，将原有的多个电路板独立频率源改为公用的一路频率源，同时为了提高可靠性对频率源本身进行备份.但此种方法使得整机可靠度下降，如果频率源设计不合理或备份频率源切换失败，将导致整机失效，形成单点故障模式，因此往往还是希望能够在保证精度的前提下采用独立的频率源系统.近年中，也在这方面进行了一定的尝试，取得了一些效果，但是对于“拍频干扰”问题始终没有在理论分析和测试试验间得到充分的证实，因此开发新产品对如何抑制此类干扰没有一个明确的原则和方法.

经过这两年对两类惯性姿态敏感器产品相关技术问题的分析和归零，对拍频干扰有了进一步的认识，并积累了大量的试验数据，在拍频机理和产品试验数据之间建立了直接的联系.对产品所采取的改进措施也得到了较为充分的验证，该成果也可以为后续产品设计提供指导.

1 拍频的原理

拍频干扰属于电磁干扰(EMI，electromagnetic interference)的一种形式，电磁干扰现象的发生和响应过程一定同时具备三个要素，即电磁干扰三要素:干扰源、传播路径和接收器，如图1所示.

图1 电磁干扰基本要素Fig.1 Three basic elements of EMI

其中干扰源可以是一个元器件也可以是一台设备，它可能来自于有源部件的无意发射，也可能来自于无源部件(开关、转换器)的干扰.受扰设备可以是元器件也可以是设备或系统.传播途径可以分为传导和辐射两种，其中传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接.辐射传输干扰则以电磁波的形式传播，干扰能量按照电磁场的传播规律向周围空间辐射，而敏感器意外接收或感应，从而引起辐射干扰.

一般所说的“拍频干扰”在EMI术语中可归类为“互调干扰”，其定义是:“两个或两个以上信号在非线性元件中混合，产生新的信号频率分量，它们等于两个信号频率整数倍的线性组合，其干扰频率是可以预测的.”例如，在系统中具有2个相近频率信号f1和f2，当它们都在系统中传输时，通过空间辐射以及系统中元件的作用耦合形成新的频率信号，其频率值是f1、f2的线性组合f3=a×f1+b×f2.

本文所提到一种典型干扰信号是以“差拍”的形式出现的，此时f3=f1－f2，可以认为“差拍干扰”是互调干扰的一种特殊的表现形式，习惯直接称为“拍频干扰”.拍频干扰的形成首先是在系统中存在2个相近频率的信号，当两路信号在系统中传播时，通过辐射发射作用耦合形成新频率的干扰信号，其频率是两个频率信号的差值，由于两个信号之间存在微小的偏差，产生的拍频信号频率十分低，周期可达到几秒到几十秒.一般电路系统中对于如此低频的信号是无法通过滤波方式滤除的，因此就形成了“拍频干扰”现象.

2 典型拍频干扰案例及解决措施

2.1 通道间拍频干扰及解决方法

2.1.1 通道间拍频干扰

惯性姿态敏感器的单通道电路一般采用晶体振荡电路作为频率源，通过多级分频电路得到各类功能电路所需要的频率信号，经过功率放大后驱动陀螺仪内部相关元件工作.其单通道电路原理示意图见图2.某型号产品系统组成采用主备份电源驱动单通道电路板，电路板驱动配套陀螺仪的方案，其示意图见图3.

在该产品中，由于每个通道分别具有频率源电路，在4个通道全部工作时，发现图2中力矩器低端采样电阻RS上的电压存在低频波动，经电压/频率转换电路后，频率输出信号出现周期性波动，导致陀螺随机漂移增大.而单通道电路工作时，产品输出稳定，随机漂移较多通道工作时减小约1个数量级，这种现象就是典型的“拍频干扰”.由于通道间除了电源系统外，没有公共部分，所以认为拍频的干扰途径包含电源系统的传导和系统的空间辐射.通过对不同配置模式产品进行针对性试验，发现将电源系统独立配置，拍频干扰现象有明显减小，但相对单通道独立工作时的精度，仍然还存在一定的差距.因此简单的通过独立电源系统消除传导途径还不能彻底避免拍频干扰.

究其原因，在单通道系统中，由于频率加温电路、激磁电路、电机驱动电路的输出信号都具有一定功率，当电流沿着导线传播时，会在其附近形成一定强度的电磁场.而仔细分析系统连接方式可以发现，各电路板的引出线在线路盒内、电缆束中、陀螺组件内部距离很近，有的甚至捆扎、绞合在一起.当不同频率的两个功率信号在同一个电缆束中传播时，其形成的电磁场具有一定的频率差，此时其他敏感电路的引线由于电磁感应的作用，将频率为Δf的信号接收到设备中，影响了产品的正常输出.

2.1.2 拍频干扰的解决方法

传统的处理方法是将图3的系统连接改为图4的形式，为4个通道配置统一的频率系统.这样，由于系统中各功率电路和弱信号检测电路使用的频率源相同，即使存在信号的延迟，其相位差也是固定的，不具有产生差频信号的条件，从而可以实现产品综合的电磁兼容性.

图4 统一频率源配置模式Fig.4 One configuration with uniform frequency source

但同时在测试中也发现，为了保证频率源A和频率源B能够实现热备份，实际电路中A、B频率源的晶体振荡器均处于工作状态，通过夺权检测电路实现故障切换.在测试中用示波器可以在频率发生电路的信号线上发现附加的低频的抖动，抖动幅度大约在十几毫伏，关闭其中任意一路频率源后，此低频抖动随即消失.这个现象说明，拍频现象在多频率源电路中是普遍存在的，图4的整机配置方案之所以没有导致产品性能受扰的原因是电路中后级的功率电路使用了统一的频率源系统，消除了大电流信号空间辐射效应产生拍频的可能.而频率源备份电路中的信号由于电流很小，电磁辐射也很低，仅能在附近的电路中检测到小幅的干扰，未能对整机性能造成影响.

另一种解决方法是仍然采用图3的整机配置模式，但是对不同通道的频率源进行调整.整机内部存在干扰信号是必然的，因此可以通过改变干扰源的特性来保证最终产品性能.对于本产品来说，敏感电路的通频带一般不大于20Hz，如果将拍频的干扰信号频率调整到敏感电路的有效频带外，即使存在较强的干扰，也不对产品性能造成影响.采用此方案需要针对产品特点分析电路中哪个主要的干扰源频率产生了通道间的差拍效应，并通过实测得到基础数据，然后通过调整不同通道晶体振荡器的频率，增加不同功率信号间的频率差，这样产生的拍频干扰信号频率提高，一般当其大于敏感电路的截止频率的10倍后，拍频干扰基本可以完全消除.

实际工作中将4个通道的频率源进行了交错的设置，将不同通道电路产生的主要功率信号的频率差拉大，差值超过了敏感电路频带约10倍左右，达到约200Hz.然后再对产品进行测试时发现，其检测精度相比之前有了明显提高，虽然没有完全达到单通道测试的水平，但在工程上已经完全可以接受.

2.2 单通道内的拍频干扰及解决措施

2.2.1 干扰现象

除了上述常见的通道间的拍频干扰外，还有一种常见的通道内的拍频干扰现象.有些产品单通道电路在设计上将图2改为了图5的形式，将原有的频率源改为2个频率源(更改的原因与本文无关，不加赘述).

图5 单通道系统连接图Fig.5 Sketch of connection of single channel system

在该产品单通道系统中新加入的频率源2是为加温电路提供频率的，它采用4060芯片和外部阻容构成简单可靠的振荡电路，但是由于阻容受温度影响比较显著，因此在环境温度变化的情况下，频率源2输出的频率会存在一定的温度漂移.而系统中的频率源1采用的是石英晶体振荡器，其温度漂移则基本可以忽略.

在实际产品研制中发现整机中某些通道陀螺仪输出在环境温度变化后会出现低频波动的现象，如图6所示.

图6 某产品在45℃环境下输出振荡波形Fig.6 Abnormal output wave of one product under 45℃circumstance

针对陀螺输出的V/F转换电路进行测试时发现，电路中积分器输出端的信号在不同环境温度下呈现出明显不同的情况，如图7所示.

正常情况下V/F电路采集陀螺力矩器采样电阻上的电压进行积分，并通过反馈电路完闭环，当V/F转换电路的输入为稳定的直流信号时，积分器输出应呈现出稳定的三角波形态，如图7a(正电压输入时).电路在高温异常情况下，积分器的输出波形明显呈现上下波动的情况，如图7b，此信号说明积分器的输入信号已经不是稳定的正电压直流信号，而是具有直流偏置的交流信号.由于此时陀螺仪的外界条件没有任何变化，因此可以判断该干扰是由于电路中的温度漂移所导致的.

经过详细测试，发现电路中温度漂移最大的地方是频率源2所产生的振荡频率，为了模拟温度漂移对电路的影响，直接用信号发生器代替频率源2，手动调整输出频率，结果发现在调整过程中，可以明显发现积分器的输出随着频率的调整发生变化，非常一致的复现出了故障现象.

图7 不同温度条件下积分器输出端波形Fig.7 Integrator output wave at different temperatures

2.2.2 原因及其解决方法

从图5中的系统图可以看出，频率源2主要是给陀螺加温电路提供调宽式的脉冲加温信号，由于加温电流较大，在系统中产生的电磁辐射也很显著.而陀螺仪的控制回路是采用频率源1所产生的分频信号进行闭环控制的，如果加温信号的频率接近陀螺控制回路主频率的整数倍，则很容易形成本文第一节所形容的“互调干扰”，当此干扰频率落在陀螺仪控制主回路的频带内时，就会在陀螺仪的输出信号上检测到低频干扰现象.

经过大量的实验，当调整频率源2的频率是陀螺仪控制回路主频率的整数倍时都能够检测出陀螺仪输出出现低频振荡的现象，比较有意思的现象是，当整数倍是2的n次方时，低频振荡的现象越严重，这可能与干扰信号的互调模式有关.但该现象为后续产品的调试提供了比较有意义的借鉴，在实际工作中首先设计将频率源2远离陀螺控制主频率的2n倍的频率点，再要求调试时将其精调到两个整数倍之间的频率.同时，为了验证温度漂移可能带来的影响，还需要对产品进行温度循环验证试验，以确认调试的结果能够保证产品在工作温度范围内可以可靠工作.

深入分析该问题的原因，该故障是由于单通道的系统中配置了2个频率源，其中频率源2是产生电磁干扰的源头.而使用频率源2的加温电路是大功率电路，其通过的电流信号较大，并采用固定频率的调宽控制方式，使得电磁干扰能够以一定的功率发射出去.同时，陀螺主控回路本身也使用频率源1产生陀螺传感器激磁等具有一定功率的频率信号，这两种信号在空间耦合，构成了电磁干扰的传播途径.最后，由于陀螺主控回路的频带一般在20Hz以下，当干扰信号互调后形成的干扰频率落在主控回路的频带以内时，陀螺电路的输出就会受到明显的干扰.

从目前产品上所采取的措施看，实际上是采取改变干扰源特性的方法，使干扰信号的频率落在陀螺主控回路频带以外，从而解决干扰问题.参考电磁干扰产生的三要素，还可以通过切断干扰源、提高受扰电路的抗干扰能力等方法.例如，对重点的功率信号采取更加严格、有效的屏蔽措施消除空间辐射干扰，或者采取平衡电路的设计方式，提高敏感电路的抗共模干扰能力等.

3 对整机电磁兼容设计的建议

通过上述分析，在设计多通道或具有多个频率源的电路时，应注意对拍频干扰的控制.这类干扰通过具有一定电流的功率驱动电路产生，其产生的低频干扰信号在整机线路中扩散，可能对电路内敏感电路造成影响，降低产品的性能.

本文所描述的2个典型案例中的解决方案是在分析了工程成本后，采取的相对简单、有效的方法，但对于新研发的产品建议在设计之初充分考虑电磁干扰的基本要素，在3个方面都采取有针对性的措施，通过降低电路辐射、提高敏感电路抗干扰能力，采取适当的屏蔽、接地、搭接措施来有效解决电磁干扰问题.当然，这需要根据不同产品的实际情况进行有针对性地分析和具体的试验验证.

4 结论

通过对惯性姿态敏感器电路典型电磁干扰案例的研究，基本摸清了拍频干扰的成因与干扰机理，在两类典型产品中采取独立频率源和频率源频率错开的方式可以达到消除拍频干扰的目的，经试验验证有效.经过分析研究，提出了在系统设计中有效减小干扰的原则，对今后同类产品的设计和调试具有现实的指导意义.

［1］ 陈淑凤.航天器电磁兼容技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2007 Chen S F.Spacecraft EMC technology［M］.Beijing:China Science and Technology Press，2007

［2］ 周旭.电子设备防干扰原理与技术［M］.北京:国防工业出版社，2006 Zhou X.The theory and technology of anti-EMI in electronics［M］.Beijing:National Defence Industry Publishing Company，2006

［3］ 刘萍，沙斐.共模骚扰的成因与对策［J］.继电器，2002，30(11):41-47 Liu P，Sha F.The cause and resolvent of common-mode noise［J］.Relay，2002，30(11):41-47