空间惯性传感器电荷管理系统脉冲电流源设计
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作者:
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1.东北林业大学计算机与控制工程学院 哈尔滨 150040; 2.华中科技大学国家精密重力测量科学中心 武汉 430074

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

TN782;TN702;V443

基金项目:

国家重点研发计划(2021YFC2202500)项目资助


Design of pulse-driven current source for charge management system of space inertial sensor
Author:
Affiliation:

1.College of Computer and Control Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China; 2.National Gravitation Laboratory, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China

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    摘要:

    空间惯性传感器检验质量电荷管理系统需要高频脉冲驱动紫外(UV)LED以控制检验质量表面电荷量,而目前多数电荷管理系统中使用的传统Howland电流源在高频方波驱动场景下面临输出阻抗衰减、带宽受限及稳定性不足等技术瓶颈,制约了电荷精准控制技术的进一步发展,进而影响空间探测任务的正常进行。针对空间惯性传感器电荷管理系统中紫外LED的高频脉冲驱动难题,提出一种双缓冲负载内含型Howland(DB-LIH)电流源方案,通过设计双缓冲Howland(DBH)电流源,利用双电压跟随器隔离反馈路径电流,结合0.01%匹配精度的精密电阻网络LT5400抑制电阻失配效应,将负载纳入反馈回路以阻断杂散电容电流路径,进而构成负载内含型架构DB-LIH电流源,并进行了仿真和实际测试。仿真测试结果显示,该电流源电路使输出杂散电容引起的输出电流平坦系数(FF)从DBH电流源的18%降至DB-LIH电流源的0.03%,且频率带宽可达1 MHz。实际测试结果表明,所设计的电流源在0.05~50 mA动态范围内输出准确度优于4.27%,分辨率偏差小于1.67%,1 mHz~1 Hz频带相对幅度稳定性达0.01 Hz-1/2量级。本研究有效解决了高频恒流场景下脉冲驱动电流源的精度与稳定性问题,显著提升高频恒流性能,满足空间引力波探测任务对电荷管理系统的严苛要求。

    Abstract:

    The charge management system for test masses in space inertial sensors requires high-frequency pulsed driving of ultraviolet (UV) LEDs to control surface charge, yet traditional Howland current sources face critical bottlenecks—output impedance attenuation, limited bandwidth and instability under high-frequency square-wave driving—hindering precise charge control and space missions. To address this, we propose a dual-buffer load-included Howland (DB-LIH) current source. By designing a dual-buffer Howland (DBH) circuit with dual voltage followers isolating feedback paths and a 0.01%-matched precision resistor network LT5400 suppressing mismatch effects, the DB-LIH architecture incorporates the load into the feedback loop to block stray capacitance currents. Simulations show the output current flatness factor (FF) induced by stray capacitance drops from 18% (DBH) to 0.03% (DB-LIH), with bandwidth reaching 1 MHz. Experimental results show that output accuracy better than 4.27% (0.05~50 mA range), resolution deviation less than 1.67% and 1 mHz~1 Hz relative amplitude stability of 0.01 Hz-1/2. This work resolves high-frequency constant-current precision and stability issues, meeting stringent requirements for space gravitational wave detection.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

黄建平,王浩州,洪葳,宋文瑞,宋文龙.空间惯性传感器电荷管理系统脉冲电流源设计[J].电子测量技术,2026,49(12):25-37

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