Ponieważ satelity są niedostępne po wystrzeleniu, uzyskanie dokładnych danych telemetrycznych w celu monitorowania stanu podsystemów satelitarnych może pomóc w ustaleniu kondycji poszczególnych elementów systemu. Daje to możliwość ustalenia bazowego poziomu poszczególnych parametrów, odstępstwo, od którego wskazuje na potencjalną awarię. Dwa przykłady wrażliwych komponentów, które wymagają dokładnego monitorowania napięcia, temperatury i poboru prądu, to wzmacniacze mocy wykorzystujące częstotliwość radiową i chłodnice termoelektryczne (TEC). W obu zastosowaniach wydajność zmienia się wraz z wpływem temperatury i promieniowania oraz wymaga dostosowania do przyłożonego napięcia i prądu w celu zapewnienia wydajnej i bezpiecznej pracy.
Obwód telemetryczny monitoruje krytyczne szyny zasilające i komponenty systemu, gromadzi dane dotyczące parametrów pracy (co jest wartościowe zarówno teraz, dla danego urządzenia, jak i dla przyszłych projektów satelitów) i odpowiednio dostosowuje ustawienia systemu. Najważniejsze bloki obwodu telemetrycznego (patrz rysunek 1) to analogowy front-end (AFE), który mierzy szyny zasilania i temperaturę oraz główny procesor analizujący dane i sygnały wyjściowe potrzebne do dostosowania różnych parametrów systemu.
Rys.1. Schemat blokowy obwodu telemetrii AFE (zielony), przetwarzania (czerwony) i sygnałów wyjściowych (niebieski).
AFE monitoruje trzy ważne wartości dla obwodu telemetrii: napięcie, prąd i temperaturę. Aby zmierzyć i interpretować te wartości, stosuje się przetworniki analogowo-cyfrowe, które digitalizują te wartości i przesyłają je do procesora. Odporny na promieniowanie przetwornik ADC o większej liczbie kanałów, wyższej rozdzielczości i szybkości próbkowania do 10 MSPS jest niezbędny do dokładnego pomiaru napięcia, prądu i temperatury przy niskim zużyciu energii. Co więcej, przetworniki ADC z jednoczesnym próbkowaniem umożliwiają odczyty bez przesunięcia fazowego pomiędzy poszczególnymi wartościami, co idealnie nadaje się do pomiaru w pętli sprzężenia zwrotnego systemu. Jednak przed przetwornikiem ADC znajdują się inne niezbędne elementy, które są konieczne, aby zapewnić prawidłowe działanie systemu, w zależności od tego, które trzy wartości monitoruje przetwornik ADC.
Napięcia w systemie satelitarnym mogą sięgać nawet 40 V i obejmują również szyny napięcia ujemnego. Szyny wysokiego napięcia mogą uszkodzić przetworniki ADC, w związku z czym do zmniejszenia napięcia i ochrony tych elementów wykorzystywane są stopnie buforowania i tłumiki. Dzielnik oporowy redukuje najpierw napięcie tak, aby mieściło się w zakresie wejściowym przetwornika ADC. Projektanci mogą następnie użyć wzmacniacza operacyjnego jako bufora, aby zapewnić wystarczającą siłę sygnału do wysterowania wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego. Wzmacniacz operacyjny powinien mieć wysokie parametry czasowe, zwłaszcza pasmo. Powinno wynosić około 2,5 MHz lub więcej. Ponadto, op-ampy te powinny być wyposażone w wejście i wyjście typu rail-to-rail, aby zminimalizować wpływ na sygnał przy skraju zakresu ADC. Dzięki połączeniu dzielnika rezystorowego i wzmacniacza operacyjnego, szyna, taka jak 40-woltowa szyna zasilania, może być wykorzystana do przełożenia tego zakresu napięcia na mniejszą skalę. Na przykład, używając dzielnika rezystorowego 10 do 1, wejście 40 V odpowiadałoby 4 V wyjściu z bufora.
Pomiar prądu może pozwolić na wykrywanie awarii na dowolnych wrażliwych szynach zasilających i sygnalizować głównemu układowi monitorowania zasilania, które układy należy w danym momencie wyłączyć, aby zapobiec uszkodzeniu układów FPGA lub przetworników danych. Zgromadzone bieżące dane mogą pomóc w ustaleniu, czy urządzenia w systemie pobierają więcej prądu niż oczekiwano, co wskazuje na możliwe uszkodzenia czy problemy spowodowane promieniowaniem.
Wzmacniacz prądowy o szerokim paśmie może zapewnić dokładne pomiary prądu, aby pomóc w ustaleniu linii bazowej dla szyn zasilających, jednocześnie reagując wystarczająco szybko, aby chronić elementy o krytycznym znaczeniu, takie jak FPGA i wzmacniacze mocy RF, w przypadku nagłej awarii, takiej jak zwarcie.
Pomiar temperatury urządzeń lub płytek drukowanych może również pomóc w ustaleniu, czy komponenty w systemie działają prawidłowo. Przegrzanie może być kluczowym wskaźnikiem nadmiernego obciążenia FPGA lub modułu zasilania, co skraca czas pracy urządzenia. Aby zmierzyć te temperatury, czujnik temperatury z wyjściem cyfrowym, taki jak TMP461-SP firmy Texas, może zapewnić zarówno lokalny, jak i zdalny pomiar temperatury bez konieczności stosowania dodatkowego przetwornika ADC. Rezultatem jest 3-krotne zmniejszenie powierzchni płytki drukowanej (patrz rysunek 2). Zdalny czujnik temperatury monitoruje zintegrowane wewnętrzne diody służące do pomiaru temperatury we wnętrzu wrażliwych urządzeń, takich jak układy FPGA czy szybkie konwertery danych.
Innym przykładem jest dostarczanie dokładnego sprzężenia zwrotnego temperatury za pomocą teledetekcji do systemu chłodziarki termoelektrycznej, aby mógł on prawidłowo chłodzić lub ogrzewać inne systemy, takie jak układy komunikacji laserowej czy system śledzenia pozycji gwiazd. Oprócz pomiaru temperatury wspomnianych diod, czujnik temperatury o wzmocnionej odporności na promieniowanie, zawiera również czujnik wewnętrzny, który może mierzyć temperaturę w miejscu na płytce, gdzie zamontowany jest układ, na przykład w pobliżu zasilacza.
Rys.2. Rozwiązanie dyskretne vs układ czujnika temperatury z wyjściem cyfrowym (TMP461-SP).
Do przetwarzania danych AFE i sterowania obwodem telemetrii w satelicie dostępne są dwie opcje: układ FPGA lub mikrokontroler. Typowy obwód telemetryczny wykorzystuje układy FPGA do obsługi komunikacji i przetwarzania danych telemetrycznych. Może być to układ niemalże samodzielny, wymagający niewielkiej komunikacji z innymi częściami systemu. Układy FPGA umożliwiają dostęp do większej liczby kanałów wejściowych z AFE, szybką translację danych i złożone podejmowanie decyzji na podstawie danych wejściowych. Większość FPGA klasy kosmicznej ma jednak duży rozmiar obudowy i wysokie zużycie energii w aplikacjach, w których pożądane są minimalne rozmiary i pobierana moc.
Mikrokontrolery, dedykowane do sygnałów mieszanych, są dobrą alternatywą, która pomaga zmniejszyć zasoby wymagane przez FPGA i zredukować ilość pinów używanych w obwodach telemetrycznych, zapewniając jednocześnie taką samą funkcjonalność dla obsługi obwodów telemetrycznych, jak integracja ADC i innych komponentów analogowych, przetwarzanie danych, sekwencjonowanie zasilania i modulacja szerokości impulsu (PWM) dla wyjścia do sterowania źródeł prądu stałego.
Ponowna kalibracja systemu
Po odczytaniu pomiarów z systemu, obwód telemetryczny może regulować różne funkcje systemu, aby utrzymać optymalne działanie poprzez ponowną kalibrację systemu. Jeśli procesor główny wykryje usterkę, może wyłączyć komponenty lub zmienić ich tryb pracy. W zastosowaniach, które wymagają bardziej precyzyjnej kontroli i siły sterowania, zewnętrzny przetwornik cyfrowo-analogowy może dokładnie dostosować napięcie polaryzacji elementów systemu, takich jak wzmacniacze mocy RF.
Podsumowując, istnieje wiele produktów do przetwarzania sygnałów analogowych i układów wbudowanych klasy kosmicznej, zapewniających zintegrowane i energooszczędne rozwiązania dla obwodów telemetrycznych, z dokładnością pomiaru w tego rodzaju systemie, aby zapewnić prawidłowe działanie całego urządzenia w trudnych warunkach przestrzeni kosmicznej.
Źródło: https://www.eetimes.com/how-space-grade-ics-are-improving-telemetry-circuit-design/
Obwód telemetryczny monitoruje krytyczne szyny zasilające i komponenty systemu, gromadzi dane dotyczące parametrów pracy (co jest wartościowe zarówno teraz, dla danego urządzenia, jak i dla przyszłych projektów satelitów) i odpowiednio dostosowuje ustawienia systemu. Najważniejsze bloki obwodu telemetrycznego (patrz rysunek 1) to analogowy front-end (AFE), który mierzy szyny zasilania i temperaturę oraz główny procesor analizujący dane i sygnały wyjściowe potrzebne do dostosowania różnych parametrów systemu.
Rys.1. Schemat blokowy obwodu telemetrii AFE (zielony), przetwarzania (czerwony) i sygnałów wyjściowych (niebieski).
AFE monitoruje trzy ważne wartości dla obwodu telemetrii: napięcie, prąd i temperaturę. Aby zmierzyć i interpretować te wartości, stosuje się przetworniki analogowo-cyfrowe, które digitalizują te wartości i przesyłają je do procesora. Odporny na promieniowanie przetwornik ADC o większej liczbie kanałów, wyższej rozdzielczości i szybkości próbkowania do 10 MSPS jest niezbędny do dokładnego pomiaru napięcia, prądu i temperatury przy niskim zużyciu energii. Co więcej, przetworniki ADC z jednoczesnym próbkowaniem umożliwiają odczyty bez przesunięcia fazowego pomiędzy poszczególnymi wartościami, co idealnie nadaje się do pomiaru w pętli sprzężenia zwrotnego systemu. Jednak przed przetwornikiem ADC znajdują się inne niezbędne elementy, które są konieczne, aby zapewnić prawidłowe działanie systemu, w zależności od tego, które trzy wartości monitoruje przetwornik ADC.
Napięcia w systemie satelitarnym mogą sięgać nawet 40 V i obejmują również szyny napięcia ujemnego. Szyny wysokiego napięcia mogą uszkodzić przetworniki ADC, w związku z czym do zmniejszenia napięcia i ochrony tych elementów wykorzystywane są stopnie buforowania i tłumiki. Dzielnik oporowy redukuje najpierw napięcie tak, aby mieściło się w zakresie wejściowym przetwornika ADC. Projektanci mogą następnie użyć wzmacniacza operacyjnego jako bufora, aby zapewnić wystarczającą siłę sygnału do wysterowania wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego. Wzmacniacz operacyjny powinien mieć wysokie parametry czasowe, zwłaszcza pasmo. Powinno wynosić około 2,5 MHz lub więcej. Ponadto, op-ampy te powinny być wyposażone w wejście i wyjście typu rail-to-rail, aby zminimalizować wpływ na sygnał przy skraju zakresu ADC. Dzięki połączeniu dzielnika rezystorowego i wzmacniacza operacyjnego, szyna, taka jak 40-woltowa szyna zasilania, może być wykorzystana do przełożenia tego zakresu napięcia na mniejszą skalę. Na przykład, używając dzielnika rezystorowego 10 do 1, wejście 40 V odpowiadałoby 4 V wyjściu z bufora.
Pomiar prądu może pozwolić na wykrywanie awarii na dowolnych wrażliwych szynach zasilających i sygnalizować głównemu układowi monitorowania zasilania, które układy należy w danym momencie wyłączyć, aby zapobiec uszkodzeniu układów FPGA lub przetworników danych. Zgromadzone bieżące dane mogą pomóc w ustaleniu, czy urządzenia w systemie pobierają więcej prądu niż oczekiwano, co wskazuje na możliwe uszkodzenia czy problemy spowodowane promieniowaniem.
Wzmacniacz prądowy o szerokim paśmie może zapewnić dokładne pomiary prądu, aby pomóc w ustaleniu linii bazowej dla szyn zasilających, jednocześnie reagując wystarczająco szybko, aby chronić elementy o krytycznym znaczeniu, takie jak FPGA i wzmacniacze mocy RF, w przypadku nagłej awarii, takiej jak zwarcie.
Pomiar temperatury urządzeń lub płytek drukowanych może również pomóc w ustaleniu, czy komponenty w systemie działają prawidłowo. Przegrzanie może być kluczowym wskaźnikiem nadmiernego obciążenia FPGA lub modułu zasilania, co skraca czas pracy urządzenia. Aby zmierzyć te temperatury, czujnik temperatury z wyjściem cyfrowym, taki jak TMP461-SP firmy Texas, może zapewnić zarówno lokalny, jak i zdalny pomiar temperatury bez konieczności stosowania dodatkowego przetwornika ADC. Rezultatem jest 3-krotne zmniejszenie powierzchni płytki drukowanej (patrz rysunek 2). Zdalny czujnik temperatury monitoruje zintegrowane wewnętrzne diody służące do pomiaru temperatury we wnętrzu wrażliwych urządzeń, takich jak układy FPGA czy szybkie konwertery danych.
Innym przykładem jest dostarczanie dokładnego sprzężenia zwrotnego temperatury za pomocą teledetekcji do systemu chłodziarki termoelektrycznej, aby mógł on prawidłowo chłodzić lub ogrzewać inne systemy, takie jak układy komunikacji laserowej czy system śledzenia pozycji gwiazd. Oprócz pomiaru temperatury wspomnianych diod, czujnik temperatury o wzmocnionej odporności na promieniowanie, zawiera również czujnik wewnętrzny, który może mierzyć temperaturę w miejscu na płytce, gdzie zamontowany jest układ, na przykład w pobliżu zasilacza.
Rys.2. Rozwiązanie dyskretne vs układ czujnika temperatury z wyjściem cyfrowym (TMP461-SP).
Do przetwarzania danych AFE i sterowania obwodem telemetrii w satelicie dostępne są dwie opcje: układ FPGA lub mikrokontroler. Typowy obwód telemetryczny wykorzystuje układy FPGA do obsługi komunikacji i przetwarzania danych telemetrycznych. Może być to układ niemalże samodzielny, wymagający niewielkiej komunikacji z innymi częściami systemu. Układy FPGA umożliwiają dostęp do większej liczby kanałów wejściowych z AFE, szybką translację danych i złożone podejmowanie decyzji na podstawie danych wejściowych. Większość FPGA klasy kosmicznej ma jednak duży rozmiar obudowy i wysokie zużycie energii w aplikacjach, w których pożądane są minimalne rozmiary i pobierana moc.
Mikrokontrolery, dedykowane do sygnałów mieszanych, są dobrą alternatywą, która pomaga zmniejszyć zasoby wymagane przez FPGA i zredukować ilość pinów używanych w obwodach telemetrycznych, zapewniając jednocześnie taką samą funkcjonalność dla obsługi obwodów telemetrycznych, jak integracja ADC i innych komponentów analogowych, przetwarzanie danych, sekwencjonowanie zasilania i modulacja szerokości impulsu (PWM) dla wyjścia do sterowania źródeł prądu stałego.
Ponowna kalibracja systemu
Po odczytaniu pomiarów z systemu, obwód telemetryczny może regulować różne funkcje systemu, aby utrzymać optymalne działanie poprzez ponowną kalibrację systemu. Jeśli procesor główny wykryje usterkę, może wyłączyć komponenty lub zmienić ich tryb pracy. W zastosowaniach, które wymagają bardziej precyzyjnej kontroli i siły sterowania, zewnętrzny przetwornik cyfrowo-analogowy może dokładnie dostosować napięcie polaryzacji elementów systemu, takich jak wzmacniacze mocy RF.
Podsumowując, istnieje wiele produktów do przetwarzania sygnałów analogowych i układów wbudowanych klasy kosmicznej, zapewniających zintegrowane i energooszczędne rozwiązania dla obwodów telemetrycznych, z dokładnością pomiaru w tego rodzaju systemie, aby zapewnić prawidłowe działanie całego urządzenia w trudnych warunkach przestrzeni kosmicznej.
Źródło: https://www.eetimes.com/how-space-grade-ics-are-improving-telemetry-circuit-design/
Cool? Ranking DIY
