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卫星运行状态:航天级IC如何改进遥测电路设计
(2025年3月26日更新)

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图1 遥测电路方框图:AFE(绿色)、处理(红色)和输出信号(蓝色)

AFE检测电压、电流和温度

AFE电压、电流和温度是监测遥测电路的三个重要值。模数转换器用于测量和分析这些值(ADC)将这些值数字化并发送到处理器。ADC128S102QML-SP是AFE理想的选择具有准确测量电压、电流和温度所需的12位分辨率和高达1位的理想选择MSPS的采样速率(ADC128S102QML-SP在太空飞行领域已经使用了10多年),同时也有2个.3mW至10.7mW低功耗(分别使用3V和5V电源)。不过,ADC前面还有其他必要的部件来确保正常运行,这取决于ADC监测的三个值。

卫星系统最高电压可达40V,包括负电压轨。这些高压轨道可能会损坏检测ADC,因此,使用缓冲和衰减来降低电压和保护ADC。电阻分压器首先分压电压,使其处于ADC输入范围内。然后,设计师可以使用它LMP7704-SP等待操作放大器作为缓冲器,以确保信号具有足够的驱动强度。LMP7704-SP还具有2.5MHz的良好增益带宽,并且具有轨至轨输入和输出,这意味着对精度的影响很小,同时可以更大程度地扩展ADC的满量程范围。同时使用电阻分压器和电阻分压器LMP7704-SP你可以用40V偏置轨等电源轨,缩小电压范围。例如,使用10:1电阻分压器时,40V输入对应于缓冲器4V输出。

在航天应用中准确监测温度、电压和电流

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电流检测可以确定任何敏感电源轨上的故障,并标记关闭电源轨(防止损坏现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器)主处理器。收集的电流数据有助于确定系统中的设备是否消耗比预期更大的电流,超过预期的电流表明可能存在辐射引起的锁定。宽带宽,INA901-SP电流检测放大器可以提供精确的电流测量,以帮助设置电源轨道的基线,并在短路等紧急故障中快速响应。

装置或电路板的温度测量有助于确定装置是否正常工作。过热可能是FPGA或电源模块过载的关键指标,过载会缩短设备的运行时间。其它设备(如射频功率放大器)对温度波动非常敏感,需要适当的电压调节来抵消温度变化。测量这些温度,TMP461-SP数字输出温度传感器可以提供本地和远程温度检测,监测敏感器件(如FPGA内部集成温度二极管与高速数据转换器)。除了检测这些二极管外,TMP461-SP它还包含一个内部传感器,可以测量电路板上的温度。若将该装置放置在其它敏感装置(如射频功率放大器)旁边,则TMP461-SP这些设备的温度可以监测。

遥测数据处理:FPGA与MCU

要处理AFE两种设备可用于数据和控制卫星中的遥测电路:FPGA或微控制器(MCU)。使用典型的遥测电路FPGA遥测数据的通信和处理几乎可以独立运行,不需要与系统的其他设备通信。FPGA支持AFE基于数据输入的更多渠道输入、快速数据转换和复杂决策。然而,大多数航天级FPGA包装尺寸大,在需要超小尺寸和功耗的应用中功耗高。

混合信号MCU(例如MSP430FR5969-SP)这是一个很好的替代方案,可以帮助减少遥测电路的使用FPGA数据处理、电源时序控制、脉宽调制输出等遥测电路同时提供相同的功能。MSP430FR5969-SP还有一个集成的铁电随机存储存储器(FRAM),双数据速率等TI一级代理与传统的存储类型相比,这种存储往往能更有效地抵抗辐射的影响。

重新校准系统

遥测电路从系统读取测量值后,可以通过系统重新校准来调整不同的系统功能,以保持最佳运行状态。

如果主处理器确定有故障,主处理器可以关闭元件或切换其工作模式。应用程序需要更准确的控制和驱动强度,DAC121S101QML-SP射频功率放大器等系统元件的偏置可以通过外部数模转换器准确调整。

结语

TI航天模拟和嵌入式处理产品系列为遥测电路提供了紧凑、低功耗的解决方案,实现了整个系统所需的测量精度和性能,确保了整个任务的顺利执行。

TI公司被热门关注的产品型号
TPS62231-Q1:电源管理
TI 采用 1x1.5mm SON 封装且具有 1.8V 固定输出电压的汽车类 2V 至 6V、500mA 降压转换器
TSS521:接口
TI 单芯片仪表总线收发器
TPD5S115:接口
TI 带有升压直流/直流转换器、电平转换器和 ESD 钳位的 HDMI 配套芯片
TSV912:放大器
TI Dual, 5.5-V, 8-MHz, RRIO operational amplifier
LMV654:放大器
TI Quad, 5.5-V, 12-MHz operational amplifier
CD74ACT157:逻辑和电压转换
TI 四路同向 2 输入多路复用器
SN65DP159:接口
TI 工作温度为 0°C 至 85°C 的 6Gbps DP++ 1.1 至 HDMI 2.0 重定时器
LMH1228:接口
TI 具有集成时钟恢复器的 12G 超高清 SDI 双路电缆驱动器
MUX36D08:开关与多路复用器
TI 1pA 开路泄漏电流、36V、8:1 精密模拟多路复用器
TPS544C26:电源管理
TI 4V 至 16V、35A SVID 和 I²C 同步降压转换器
ISO7341C:隔离
TI 低功耗、四通道、3/1、25Mbps 数字隔离器
BQ4050:电源管理
TI 1 至 4 节串联 CEDV 电池电量监测计
BQ34Z653:电源管理
TI 符合 SBS 1.1 标准的电量监测计和保护器,带外部电池发热控制和 LCD 显示屏
LP87565-Q1:电源管理
TI 具有集成开关的汽车类双路 8A 降压转换器
CY74FCT16240T:逻辑和电压转换
TI 具有 TTL 兼容型 CMOS 输入的 16 通道 4.5V 至 5.5V 反相器
MSP430G2210:微控制器 (MCU) 和处理器
TI 具有 16KB 闪存、128B SRAM、比较器、UART/SPI/I2C 和计时器的 16MHz MCU
OPA3S2859-EP:放大器
TI 增强型产品双通道 900MHz、2.2nV/√Hz 可编程增益跨阻放大器
SN74HC153:逻辑和电压转换
TI 双路 4 线路到 1 线路数据选择器/多路复用器
OPA388-Q1:放大器
TI 符合汽车标准的宽带宽、零温漂、零交叉、精密放大器
SN74221:逻辑和电压转换
TI 具有施密特触发输入的双路单稳态多谐振荡器
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