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          衛星運行狀況:航天級IC如何改進遙測電路設計

          發布時間:2022-04-07 來源:TI 責任編輯:wenwei

          【導讀】由于執行太空飛行任務的衛星一旦發射就無法接觸,因此獲取準確的遙測數據以監測衛星子系統的運行狀態有助于設定指示系統正常工作的基線,而波動則可能指示發生故障。例如,射頻功率放大器和熱電冷卻器就是需要準確監測電壓、溫度和電流的兩個敏感器件。在這兩個應用中,性能會隨溫度和輻射效應而波動,并且需要調整施加的電壓和電流以確保高效和安全的運行。遙測電路會監測關鍵的系統電源軌和元件,也收集性能數據(這些數據對現在和未來的衛星設計都很有價值)并相應地調整系統設置。


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          遙測電路(如圖1所示)最重要的模塊是檢測電源軌和溫度的模擬前端(AFE)、用于分析數據的主處理器和調整不同系統參數所需的輸出信號。


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          圖1.遙測電路方框圖:AFE(綠色)、處理(紅色)和輸出信號(藍色)


          AFE電壓、電流和溫度檢測


          AFE監測遙測電路的三個重要值:電壓、電流和溫度。為了測量和分析這些值,使用模數轉換器(ADC)將這些值數字化并發送到處理器。ADC128S102QML-SP是AFE的理想選擇,因為該器件具有準確測量電壓、電流和溫度所必需的12位分辨率和高達1MSPS的采樣速率(ADC128S102QML-SP在太空飛行領域中已使用10多年),同時具有2.3mW至10.7mW的低功耗(分別使用3V和5V電源)。不過,ADC前面還有其他必要的元件來確保正常運行,具體取決于ADC監測的三個值。


          衛星系統中的電壓最高可達40V,包括負電壓軌。這些高電壓軌可能會損壞檢測ADC,因此使用緩沖和衰減級來降低電壓并保護ADC。電阻分壓器首先對電壓進行分壓,使其處于ADC的輸入范圍內。然后,設計人員可以使用LMP7704-SP等運算放大器作為緩沖器,以確保信號具有足夠的驅動強度。LMP7704-SP還具有2.5MHz的良好增益帶寬,并且具有軌至軌輸入和輸出,這意味著對精度的影響很小,同時可以更大程度地擴展ADC的滿量程范圍。同時使用電阻分壓器與LMP7704-SP時,您可以采用40V偏置軌等電源軌,并縮小電壓范圍。例如,在使用10:1電阻分壓器時,40V輸入對應于緩沖器的4V輸出。


          電流檢測可以確定任何敏感電源軌上的故障,并標記需要關斷電源軌(以防止損壞現場可編程門陣列(FPGA)或數據轉換器)的主處理器。采集的電流數據可幫助確定系統中的器件是否消耗了比預期更大的電流,超過預期電流表明可能存在輻射引起的鎖定。憑借其寬帶寬,INA901-SP電流檢測放大器可以提供精確的電流測量,以幫助設置電源軌的基線,同時還能在發生短路等突發故障時迅速做出反應。


          器件或電路板的溫度測量可以幫助確定元件是否正常工作。過熱可能是FPGA或電源模塊過載的關鍵指標,過載會縮短器件的運行時間。其他器件(如射頻功率放大器)對溫度波動很敏感,需要適當的電壓調整來抵消溫度變化。為了測量這些溫度,TMP461-SP數字輸出溫度傳感器可以提供本地和遠程溫度檢測,監測敏感器件(例如FPGA和高速數據轉換器)的內部集成溫度二極管。除了檢測這些二極管之外,TMP461-SP還包含一個內部傳感器,可以測量其在電路板上的位置的溫度。如果將該器件放置在其他敏感器件(如射頻功率放大器)旁邊,則TMP461-SP能夠監測這些器件的溫度。


          處理遙測數據:FPGA與MCU


          要處理AFE數據并控制衛星中的遙測電路,可使用兩種器件:FPGA或微控制器(MCU)。典型的遙測電路使用FPGA來實現遙測數據的通信和處理,幾乎可以獨立運行,而且不需要與系統的其他器件進行通信。FPGA支持AFE的更多通道輸入、快速數據轉換以及基于數據輸入的復雜決策。不過,大多數航天級FPGA具有較大的封裝尺寸,并且在要求超小尺寸和功耗的應用中具有高功耗。


          混合信號MCU(例如MSP430FR5969-SP)是一個很好的替代方案,可幫助減少用于遙測電路的FPGA資源和引腳,同時為遙測電路提供相同的功能,例如數據處理、電源時序控制和脈寬調制輸出。MSP430FR5969-SP還具有集成的鐵電隨機存取存儲器(FRAM),與雙數據速率等傳統存儲器類型相比,這種存儲器往往能更有效地抵抗輻射的影響。


          系統重新校準


          從系統讀取測量值之后,遙測電路可以調整不同的系統功能,以通過系統重新校準來保持最佳運行狀態。


          如果主處理器確定存在故障,則主處理器可以關斷元件或切換其工作模式。對于要求更精確的控制和驅動強度的應用,DAC121S101QML-SP等外部數模轉換器可以精確地調整射頻功率放大器等系統元件的偏置。


          結語


          TI的航天級模擬和嵌入式處理產品系列為遙測電路提供緊湊和低功耗的解決方案,可實現整個系統所需的測量精度和性能,以確保整個任務的順利執行。



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