Заказать семинар!Фильм о работе в компанииPT Electronics на выставке ЭкспоЭлектроника
  • 8 800 333-63-50Звонок из регионов бесплатный
  • semicond@ptelectronics.ru
  • Задать вопрос

    Имя *

    E-Mail *

    Компания *

    Телефон *

    Вопрос *

    Защитный код *

    Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных

  • Подписка на новости
    Укажите интересующие списки новостей:

Назад

Построение системы телеметрии космического назначения на базе безлицензионных радиационно-стойких компонентов STMicroelectronics

17 Янв 2018

Автор статьи

Константин Черных, ведущий инженер-конструктор ООО «ИРЗ»

Скачать статью в PDF


Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3-4 2017

Традиционным назначением телеметрических систем (ТМС) космических аппаратов является сбор информации датчиков и выдача этой информации в некотором структурированном виде потребителю — как правило, в бортовой радиокомплекс либо в бортовой комплекс управления. Информация может передаваться как в виде непрерывной последовательности кадров, так и в пакетном режиме. Для исключения возможных срывов выполнения задачи изделия структура проектируемых бортовых телеметрических систем должна обеспечивать парирование возможных неисправностей в телеметрируемой аппаратуре. И поэтому требования к обеспечению надежности функционирования таких систем достаточно высоки.

В ряде случаев бортовая аппаратура имеет в своем составе средства собственной диагностики и способна выдавать телеметрическую информацию в виде непрерывных потоков или в виде информационных пакетов на радиокомплекс непосредственно либо на ТМС. При этом диагностическая информация может занимать как весь транслируемый трафик, так и быть всего лишь частью данных, передаваемых в ходе выполнения основной задачи. Однако большая часть бортовой аппаратуры и агрегатов, спроектированных в рамках общей архитектуры космического аппарата, не снабжена подобными узлами и не способна выполнять функции самотестирования. В таком случае для прямого либо косвенного контроля данных приборов используются различные типы дискретных датчиков, в том числе аналоговых генераторных и параметрических датчиков. Таким образом, в задачи ТМС входит опрос параметров подобного типа. И довольно часто только благодаря информации ТМС удается диагностировать возможные неисправности телеметрируемой аппаратуры.

В случае решения задачи передачи и приема информации аналоговых сигналов перед разработчиками встает проблема организации аналогового тракта, в том числе цифро-аналогового и аналого-цифрового преобразования сигналов. При этом дополнительно приходится учитывать требования, предъявляемые к аппаратуре в части влияния внешних воздействующих факторов, в том числе к влиянию спецфакторов космического пространства. Дело в том, что под влиянием ионизирующего излучения происходят различные обратимые и необратимые эффекты в электронных узлах аппаратуры, приводящие к сбоям в работе, временным и постоянным отказам функционирования. Для аналоговых трактов, передача информации по которым заключается в корректной передаче формы полезных сигналов, влияние дестабилизирующих факторов гораздо более критично по сравнению с воздействием на цифровые узлы, транслирующие дискретные сигналы, восстановление информации которых не сопряжено со значительными проблемами.

Необходимо признать, что крупнейшие разработчики и производители ЭРИ соответствующего уровня качества и надежности сконцентрированы на территории США, что подразумевает наличие ряда административных барьеров, ограничивающих поставку радиационно-стойкой элементной базы в Россию и дружественные страны, из-за чего отечественные разработчики испытывают дополнительные трудности при проектировании бортовой космической аппаратуры. В данных условиях может быть полезен набор радиационно-стойких интегральных схем от европейской компании ST-Microelectronics, продукция которой свободна для ввоза на территорию России и при этом не только не уступает по функционалу и характеристикам аналогам от именитых американских производителей, но и в большинстве своем превосходит их.

Примером использования набора ИС ST-Microelectronics может служить упрощенная функциональная схема коммутатора температурных датчиков А1, подключенная на правах дискретного аналогового датчика к коммутатору А2 ТМС, представленная на рисунке 1. Вспомогательные узлы не показаны.

ТМС

Рис. 1. Упрощенная функциональная схема ТМС на базе радиационно-стойких компонентов от STMicroelectronics

Коммутатор А1 также выполняет в аналоговом виде компенсацию напряжения смещения, не несущего полезной информации, и последующее масштабирование сигнала до уровня, удобного для обработки потребителем. Конечно, в настоящее время подобные устройства теряют свою актуальность, поскольку современные средства позволяют производить математическую обработку сигналов цифровыми методами, однако данная схема может дать общее представление о возможности использования аналоговых ИС STMicroelectronics, в том числе и в качестве замены ЭРИ  в разработках прошлых лет.

Под управлением ПЛИС2 коммутатора А2, передающего в устройство управления А1 номер опрашиваемого канала датчика, ПЛИС1 коммутатора А1 вырабатывает сигналы управления системой аналоговых коммутаторов SW1. При этом сигнал Uвх требуемого датчика поступает на делитель R5/(R3+R5) и далее на операционный усилитель DA3 типа RHF43B.

Одновременно ПЛИС1 производит чтение из ПЗУ параметра смещения для соответствующего датчика и передает данное значение на ЦАП DA1 типа RHRDAC1612, преобразующий этот параметр в аналоговый сигнал, который в свою очередь усиливается схемой, реализованной на операционном усилителе DA2. Для формирования опорного напряжения ЦАП используется стабилитрон VD1 типа RHF100. Сигнал с выхода усилителя DA2 поступает на операционный усилитель DA3.

Схема, реализованная на операционном усилителе DA3 и резисторах R3…R6, выполняет функцию компенсации напряжения смещения Uвых = (Uвх — Uсм) * Ku, где Ku=R6/R4. Сигнал с выхода данного узла поступает на вход опорного напряжения ЦАП DA4 типа RHRDAC1612. При этом ПЛИС1 на вход данных ЦАП подает код масштабирования Cscale для опрашиваемого датчика, таким образом напряжение сигнала на выходе ЦАП становится равным U = 2 * Uvref * Cscale/216. Данный сигнал поступает на усилитель, реализованный на DA6, с коэффициентом усиления, равным 1+R8/R7, и передается на аналоговый коммутатор А2.

ПЛИС2 коммутатора А2 вырабатывает сигнал управления аналоговым ключом SW2, таким образом сигнал коммутатора А1 поступает на буферный повторитель, реализованный на операционном усилителе DA7. С выхода повторителя сигнал через делитель поступает на АЦП DA8 типа RHF1201, преобразовывающий его в цифровой код, который передается в ПЛИС2 и записывается в ОЗУ. При опросе данного датчика со стороны ТМС данный код извлекается из ОЗУ и передается узлу опроса.

В качестве стабилизатора напряжения в данной схеме используется линейный стабилизатор с регулируемым выходным напряжением DA6 типа RHFL6000A. Выходное напряжение стабилизатора равно Uст = 1,248 V(R10+R9)/R10.

ИС, используемые в данной схеме:

RHRDAC1612 — радиационно-стойкий малошумящий 16-разрадный цифро-аналоговый преобразователь, спроектированный по архитектуре интерполирующий фильтр –> сигма-дельта модулятор второго порядка –> 4-битный ЦАП. Функциональная схема приведена на рисунке 2.

RHRDAC1612

Рис. 2. Функциональная блок-схема RHRDAC1612

Прибор способен работать от внешнего задающего генератора в диапазоне частот от 2,4 МГц до 3,6 МГц либо использовать внутренний генератор с частотой 3 МГц, частота дискретизации составляет 12 киловыборок/с, при этом потребляемая мощность не превышает 15 мВт. Доступен режим пониженного энергопотребления.

Данная ИС позволяет производить обмен данными с микропроцессором по интерфейсу SPI с уровнями напряжений от 1,8 В до 3,3 В. Также прибор снабжен узлом автокалибровки.

ЦАП RHRDAC1612 устойчив к воздействию ионизирующего излучения до уровня 100 крад, также он не подвержен возникновению SEU- и SEL-эффектов вплоть до уровня воздействия ТЗЧ 120 МэВ * см2/мг. Основные технические характеристики RHRDAC1612 представлены в таблице 1.

RHRDAC1612

Таблица 1. Основные технические характеристики RHRDAC1612

RHF1201 — радиационно-стойкий дифференциальный 12-разрядный АЦП с низким потреблением, оптимизированный для работы с частотой преобразования 50 Мегавыборок/с.

Прибор имеет конвейерную структуру обработки информации, а также цифровой узел коррекции результатов преобразования.

ИС снабжена внутренними узлами формирования опорных напряжений. Интерфейс обмена информацией с управляющим устройством — микропроцессорный 2,5 В либо 3,3 В.

АЦП RHF1201 устойчив к воздействию ионизирующего излучения до уровня 300 крад, также он не подвержен возникновению SEL-эффектов и отказоустойчив вплоть до уровня воздействия ТЗЧ 120 МэВ * см2/мг. Основные технические характеристики RHF1201 представлены в таблице 2.

RHF1201

Таблица 2. Основные технические характеристики RHF1201

RHF43B — радиационно-стойкий прецизионный биполярный операционный усилитель с rail-to-rail выходом.

ОУ устойчив к воздействию ионизирующего излучения до уровня 300 крад, не подвержен возникновению SEL-эффектов до уровня воздействия ТЗЧ 120 МэВ * см2/мг. Основные технические характеристики усилителя RHF43B представлены в таблице 3.

RHF43B

Таблица 3. Основные технические характеристики RHF43B

RHFL6000A — радиационно-стойкий регулируемый линейный стабилизатор напряжения положительной полярности с низким падением напряжения, имеющий встроенную защиту по температуре и току короткого замыкания, а также регулируемую по уровню схему ограничения тока нагрузки.

Стабилизатор RHFL6000A устойчив к воздействию ионизирующего излучения до уровня 300 крад, не подвержен возникновению SEL-эффектов до уровня воздействия ТЗЧ 120 МэВ * см2/мг. Основные технические характеристики стабилизатора RHFL6000A представлены в таблице 4.

RHFL6000A

Таблица 4. Основные технические характеристики RHFL6000A

RHF100 — радиационно-стойкий прецизионный стабилитрон с высокой устойчивостью к влиянию температуры, времени и поглощенной дозы излучения.

RHF100 устойчив к воздействию ионизирующего излучения до уровня 300 крад, не подвержен возникновению SEL-эффектов до уровня воздействия ТЗЧ 120 МэВ * см2/мг. Основные технические характеристики стабилизатора RHF100 представлены в таблице 5.

RHF100

Таблица 5. Основные технические характеристики RHF100

Заключение

Таким образом, аналоговая часть системы телеметрии космического назначения может быть практически полностью спроектирована на радиационно-стойких компонентах компании STMicroelectronics. Описанные выше компоненты обладают превосходными характеристиками по накопленной дозе от 100 до 300 крад и не подвержены возникновению SEL-эффектов до уровня воздействия ТЗЧ 120 МэВ*см2/мг. Кроме того, все компоненты доступны для ввоза на территорию РФ без каких-либо лицензионных ограничений, а для разработчиков доступны тестовые образцы.

По всем вопросам обращайтесь в департамент активных компонентов