航天級(jí)IC如何改進(jìn)遙測(cè)電路設(shè)計(jì)

由于執(zhí)行太空飛行任務(wù)的衛(wèi)星一旦發(fā)射就無(wú)法接觸，因此獲取準(zhǔn)確的遙測(cè)數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)衛(wèi)星子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有助于設(shè)定指示系統(tǒng)正常工作的基線，而波動(dòng)則可能指示發(fā)生故障。例如，射頻功率放大器和熱電冷卻器就是需要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電壓、溫度和電流的兩個(gè)敏感器件。在這兩個(gè)應(yīng)用中，性能會(huì)隨溫度和輻射效應(yīng)而波動(dòng)，并且需要調(diào)整施加的電壓和電流以確保高效和安全的運(yùn)行。遙測(cè)電路會(huì)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的系統(tǒng)電源軌和元件，也收集性能數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)在和未來(lái)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)都很有價(jià)值）并相應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)設(shè)置。

遙測(cè)電路（如圖1所示）最重要的模塊是檢測(cè)電源軌和溫度的模擬前端(AFE)、用于分析數(shù)據(jù)的主處理器和調(diào)整不同系統(tǒng)參數(shù)所需的輸出信號(hào)。

圖1.遙測(cè)電路方框圖：AFE（綠色）、處理（紅色）和輸出信號(hào)（藍(lán)色）

AFE電壓、電流和溫度檢測(cè)

AFE監(jiān)測(cè)遙測(cè)電路的三個(gè)重要值：電壓、電流和溫度。為了測(cè)量和分析這些值，使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將這些值數(shù)字化并發(fā)送到處理器。ADC128S102QML-SP是AFE的理想選擇，因?yàn)樵撈骷哂袦?zhǔn)確測(cè)量電壓、電流和溫度所必需的12位分辨率和高達(dá)1MSPS的采樣速率（ADC128S102QML-SP在太空飛行領(lǐng)域中已使用10多年），同時(shí)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(lái)確保正常運(yùn)行，具體取決于ADC監(jiān)測(cè)的三個(gè)值。

衛(wèi)星系統(tǒng)中的電壓最高可達(dá)40V，包括負(fù)電壓軌。這些高電壓軌可能會(huì)損壞檢測(cè)ADC，因此使用緩沖和衰減級(jí)來(lái)降低電壓并保護(hù)ADC。電阻分壓器首先對(duì)電壓進(jìn)行分壓，使其處于ADC的輸入范圍內(nèi)。然后，設(shè)計(jì)人員可以使用LMP7704-SP等運(yùn)算放大器作為緩沖器，以確保信號(hào)具有足夠的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(duì)精度的影響很小，同時(shí)可以更大程度地?cái)U(kuò)展ADC的滿量程范圍。同時(shí)使用電阻分壓器與LMP7704-SP時(shí)，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(shí)，40V輸入對(duì)應(yīng)于緩沖器的4V輸出。

精確監(jiān)測(cè)航天應(yīng)用中的溫度、電壓和電流

下載我們的參考設(shè)計(jì)，精度低于1%的多功能衛(wèi)星運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)和控制平臺(tái)。

電流檢測(cè)可以確定任何敏感電源軌上的故障，并標(biāo)記需要關(guān)斷電源軌（以防止損壞現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）的主處理器。采集的電流數(shù)據(jù)可幫助確定系統(tǒng)中的器件是否消耗了比預(yù)期更大的電流，超過預(yù)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(cè)放大器可以提供精確的電流測(cè)量，以幫助設(shè)置電源軌的基線，同時(shí)還能在發(fā)生短路等突發(fā)故障時(shí)迅速做出反應(yīng)。

器件或電路板的溫度測(cè)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(guān)鍵指標(biāo)，過載會(huì)縮短器件的運(yùn)行時(shí)間。其他器件（如射頻功率放大器）對(duì)溫度波動(dòng)很敏感，需要適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)整來(lái)抵消溫度變化。為了測(cè)量這些溫度，TMP461-SP數(shù)字輸出溫度傳感器可以提供本地和遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)，監(jiān)測(cè)敏感器件（例如FPGA和高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）的內(nèi)部集成溫度二極管。除了檢測(cè)這些二極管之外，TMP461-SP還包含一個(gè)內(nèi)部傳感器，可以測(cè)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(jiān)測(cè)這些器件的溫度。

處理遙測(cè)數(shù)據(jù)：FPGA與MCU

要處理AFE數(shù)據(jù)并控制衛(wèi)星中的遙測(cè)電路，可使用兩種器件：FPGA或微控制器(MCU)。典型的遙測(cè)電路使用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)的通信和處理，幾乎可以獨(dú)立運(yùn)行，而且不需要與系統(tǒng)的其他器件進(jìn)行通信。FPGA支持AFE的更多通道輸入、快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及基于數(shù)據(jù)輸入的復(fù)雜決策。不過，大多數(shù)航天級(jí)FPGA具有較大的封裝尺寸，并且在要求超小尺寸和功耗的應(yīng)用中具有高功耗。

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

系統(tǒng)重新校準(zhǔn)

從系統(tǒng)讀取測(cè)量值之后，遙測(cè)電路可以調(diào)整不同的系統(tǒng)功能，以通過系統(tǒng)重新校準(zhǔn)來(lái)保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。

如果主處理器確定存在故障，則主處理器可以關(guān)斷元件或切換其工作模式。對(duì)于要求更精確的控制和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的應(yīng)用，DAC121S101QML-SP等外部數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以精確地調(diào)整射頻功率放大器等系統(tǒng)元件的偏置。

結(jié)語(yǔ)

TI的航天級(jí)模擬和嵌入式處理產(chǎn)品系列為遙測(cè)電路提供緊湊和低功耗的解決方案，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)所需的測(cè)量精度和性能，以確保整個(gè)任務(wù)的順利執(zhí)行。

審核編輯：湯梓紅