תפקידה של ה-Digital Calibration בשמירת ההסכמה לטווח ארוך של ADCs במשימת החלל

משימות חלל תלויות ברכישת נאמן של נתוני חיישן לנווט, לערוך ניסויים מדעיים, ולעקוב אחר בריאות החללית.בלב של כל שרשרת מדידה יושב ה- Analog-to-Digital Converter (ADC), המתורגמת תופעות פיזיות מתמשך - מתח, זרם, טמפרטורה, שפעת קרינה - לתוך התאמות ידניות המבוססות על מעבדים דיגיטליים יכולים לאחסן ולנתח.

הבנת ADCs במשימות חלל

העבודה הבסיסית של ADC היא להקצות קוד דיגיטלי דיסקרטי למתח קלט אנלוגי.יחס המתח קלט למגוון רחב קובע את קוד הפלט, ומספר ה bits מגדיר את ההחלטה - לדוגמה, 12 סיביות ADC יכול לפתור 2FLT:012FLT:1= 4,096 רמות נפרדות.

המדינה- of-the-art-class ADCs הם בדרך כלל קרינה מוקרן על ידי עיצוב או מיוצר בתהליכים מיוחדים (למשל, סיליקון-on-inulator) לסבול מינון כולל גבוה של יון (TID) ואפקטים חד-לשוניים יחיד (SEE), למרות זאת, אפילו החלקים הקשים הללו מפגינים פרמטר.

האתגר של דיפלומטיה ארוכת טווח

קרינה – Induced Degradation

קרינה חודרת יוצרת האשמות לכודות ב-שער תחמוצת ובודדות של CMOS ADCs, שינוי מתחי הסף וכובעים טפיליים.אפקטים האלה מתבטאים כעלייה מונוטונית בשגיאה מוקדמת (לפעמים על ידי עשרות מ"טוטים מעל חיי המשימה) ושינויים במגוון של חוסר לינאריות (DNL, INL).

שינויים בטמפרטורות קיצוניות

Spacecraft חווה תנודות טמפרטורה פראית - מ -50 מעלות צלזיוס בצד האפל של כדור הארץ מסלול +125 מעלות צלזיוס באור השמש הישיר ליד מרקורי. ADC פרמטרים הם רגישים לטמפרטורה מטבעם: סחף ההתייחסות של ה-Sgap, מתפצלים משקעים שינוי, ואת מערך capacitor ב-appre-upreative-approximation SAR ADC מראה הבדלים בין-חשמליים בשילוב עם קרינה, וגורם ל-Crecerecerecetor חוזר של שינויים ב-C.

בגדים וכבדים

אלקטרומיגציה, הזרקת קרייר חם, ו- תחמוצת התמוטטות אט אט אט לשנות את המאפיינים הטרנסטור אפילו ללא קרינה. בחלל, מנגנוני ההזדקנות הללו מוחזים על ידי הלחץ המשולב של ריק, טמפרטורה וטטרציה במהלך ההשקה. במהלך משימת יופיטר של 15 שנים, למשל, פשוט 8 סיביות ADC של ADC שגיאות רווח עשוי להגדיל מ 0.1LSB ל 1.5 LSB.

מה זה Digital Calibration?

קליברציה דיגיטלית מתייחסת לכל אלגוריתם או שיטה שמתאימה לתפוקה של ADC או משנה את הפרמטרים הפנימיים שלה באמצעות עיבוד אותות דיגיטליים לתיקון להתנהגות לא-אידאלית - התחלה, רווח, אי-ליניות, ולעתים שגיאות תלויות בתדר. בניגוד לטריוט אנלוגי (הסתתתת של התנגדות או מפתיחות) במהלך מבחן המפעל, קלמנט דיגיטלי ניתן לבצע שוב ושוב במערכת לאחר הפריסה סביבתית, כדי להתאים שינויים סביבתיים.

Foreground vs. רקע קלברציה

(FLT:0) ⁇ ⁇ ⁇ 1 (הנקרא גם לא מקוון) מפריעה המרה נורמלית להזריקת אות התייחסות ידוע - לדוגמה, יישום קרקע אנלוגית למדידה, או יישום בקנה מידה מלא כדי למדוד.המערכת יכולה לאחר מכן לתקן התאמות compute coefficients ולאחסן אותם ברישום. שיטה זו פשוטה ומדויקת, אבל היא עוצרת את רכישת הנתונים במהלך ה cabration, אשר עשוי להיות חיישנים חיישנים אימפולסיביים עבור חיישנים חיישנים חיישנים מתמשכים.

(באינטרנט) פועל במקביל עם המרה רגילה, בדרך כלל באמצעות טכניקה כגון:

  • (FLT:0) פיזור-random הזרקת: ⁇ 1 (FLT:1 ), אות קטן ידוע נוסף לקלט ולאחר מכן מאריך דיגיטלית לאחר המרה.
  • (ב) ,0) כפל כפול של דגימה (CDS): ⁇ FLT:1:1 מתח ההתייחסות של ADC הוא להחליף או מתואם לבטל רעש נמוך וירידה.
  • אדריכלות:0 (FLT:0) ארכיטקטורות-ADC: ADC מחולק לשני ערוצים מקבילים; כל הבדל בפלט חושף שגיאות לא תואמים שניתן לתקן באמצעות מסנן דיגיטלי.

כיבוד רקע הוא המועדף על החלל כי הוא אינו מקריב את המשכיות הנתונים, אך הוא מוסיף מורכבות ללוגיקה הדיגיטלית וחייב להיות חזק כנגד שגיאות רכות מושרה קרינה במנוע ההלחמה עצמו.

שיטות מבוססות-עצמיות והדרכה

רבים מודרניים ADCs כוללים שגרה עצמית של עצמים בשימוש הפניה פנימית של להקות או מערך capacitor דיוק למדידה וביטול שגיאות.לדוגמה, 16 סיביות SAR ADC עשוי לעבור דרך סדרה של מתחים ידועים (למשל, 0, VLT:0refFreas 1LT 1/2, VLTF:2reas: 3R) ולאחר מכן ניתן להשוות את הפונקציה הבין-מחדשנית.

היתרונות של Digital Calibration בחלל

  • (FLT:0) Accuracy Over Lifetime:cioFLT:1 תיקון בזמן אמת שומר על המספר היעיל של ADC ביטים (ENOB) קרוב לערך שצוין שלו, גם לאחר שנים של חשיפה לקרינה. A calibrated 12-bit ADC יכול לעתים קרובות לספק 11 ביטים יעילים בסוף החיים, בעוד חלק לא מופרע עשוי לרדת ל-9 ביטים.
  • (FLT:0) תחזוקת המשימה ועלויות המשימה:FIRLT:1 לא ניתן ליישב פיזית פעם חללית הושקה. ⁇ דיגיטלית מבטלת את הצורך (בלתי אפשרי) ב-space sering או עבור עיצוב יתר של ADC עם שולי בטיחות עצומים.
  • (FLT:0) ,Adaptability לשלב המשימה:FreaLT:1 , קלברציה יעילה ניתן לעדכן לאחר התפרצות סולארית, לאחר מעבר תרמי, או בעת מעבר בין קופסאות אלקטרוניות אדומות.
  • (FLT:0) חשיפה של מערכת Lifespan:FearLT:1) על ידי קיצוץ הדרגתי, קלברציה דיגיטלית יכולה לשמור על ADC תפעולי ומדויק הרבה מעבר לחיי העיצוב המקוריים שלה.
  • (FLT:0) מדידה מוכחת חוזרת: ⁇ 1 (כאשר אותו ADC הוא calrated לפני כל רצף מדידה (למשל, לאחר תקופה ארוכה), המערכת משיגה יציבות מעולה וחזרות, חיוני לניתוח טרנד ארוך טווח (למשל, מעקב אחר האקלים מהמסלול).

אסטרטגיות יישום

על-ידי צ'יפ קליברציה לעומת תיקון מבוסס FPGA

חלק מהקרינה המודרנית ADCs עכשיו משלבת מנוע קליברציה דיגיטלי ישירות על המוות.זוהי הגישה הפשוטה ביותר: המשתמש מאפשר קליברציה על ידי הגדרת קצת רישום, ומכונת המדינה הפנימית מפעילה את השגרה, מאחסנת את התיקון בזיכרון שאינו יעיל (למשל, OTPR או EEPROM), ומחילה אותו באופן קבוע.

המונחים: Calibration Cycles

תדירות ההלחמה תלויה בקצב הסחף הצפוי ובשלב המשימה. במהלך הניתוח הראשוני לאחר ההשקה (שלב ההשמצה), סחף מהיר יותר, כך שניתן להשתמש בקליפות שבועיות. ברגע שהחללית התייצבה באופן תרמי והצטברה מנה מתונה, מינון חודשי או רבעי עשוי להספיק.חלק מהמשימות "חכם" מיישם "חכם": אם חיישן טמפרטורה מראה שינוי >5C, המערכת מחוץ לסף מדויק / תחילתו של בדיקות, עשויה להיות מטמפרטורה, אם הוא מספיק גבוה יותר מאשר בדיקות מדויקות, אם הוא מדויק, אם הוא מדויק, אם הוא ממתחים אחרים, אם הוא ממתכת, אם הוא ממתכת, אם הוא מדויק, אם הוא מקבצי טמפרטורה, אם הוא מקבצי טמפרטורה, אם הוא מדויק, אם הוא מקבצי טמפרטורה, אם הוא מספיק.

קוד תיקון שגיאות ו Redundancy

ADCs ברמה החללית כוללים לעתים קרובות קודים תיקון מובנה וטעייה (ECC) עבור הרשומות הפנימיות. . חסכוניים של קייברציה דיגיטלית מאוחסנים בזיכרון כי מוגן על ידי משולש בינוני אדום (TMR) או בדיקות מחזוריות מחזוריות (CRC) כדי למנוע זעזוע יחיד (SEU) משחיתות הפרמטרים של קלמנטציה משולשת (TMR) או כיסוי אופנייםי תיבות של מנועים מסוכנים, יש לעצבן עם מכונות חד-סטוריטריטוריטריטוריטריטוריטריטוריטריטוריטריטוריטריטוריטריאניות עצמית.

שיקולים טכנולוגיים

קרינת קרינה - The Harded Components

כל רכיב במסלול ההפניה – ה- ADC עצמו, מקור המתח ההתייחסות, המספרי (אם נעשה שימוש ברמות ההתייחסות של ההזרקה), והלוגיקה הדיגיטלית – חייב להיות מוקשה קרינה או לפחות סובלני קרינה.הפניה היא קריטית במיוחד; התייחסות סחף הופכת את האלגוריתם המתאים ביותר להפחתה של 3636 נקודות זכות שימוש ללא תועלת.

מקורות היגיינה

שגרת קיטור זקוקה למתח אנלוגי ידוע ויציב.הגישה הפשוטה ביותר היא להשתמש בקלט ההתייחסות של ADC כמקור קליברציה, אבל זה אידיאלי רק אם ההתייחסות יציבה יותר מאשר ADC. עבור שיתוק גבוה, יחס אולטרה סגול עצמאי של טיפול אולטרה-נמוך (למשל, 1.2 Vgap עם דיוק ראשוני <0%) הוא מונחה באופן ספציפי על ידי רמת דיוק יציבה; כלומר, אם יש צורך בטמפרטורה מסוימת.

Algorithm Complexity and Power Constraints

Spacecraft יש תקציבי חשמל מוגבלים - כלי מדע טיפוסי יכול להיות מוקצה 5-10 W הכולל.לוגיקה ה calibration הדיגיטלית חייבת להיות מיועדת למזער את הכוח הנוסף.טכניקות של כיבוד רקע זה יש ליישם באופן רציף עם לוגיקה בתדר נמוך כי הוא פעיל רק במהלך מחזורי המרה.עבור ADCs (> 1MSPS), מנוע ה calibration ניתן לשער במהלך תקופה ארוכה של צריכת אנרגיה אחת, 000 יעיל) עבור פעמים רבות.

כיוונים עתידיים: הסתגלות ואינטליגנציה

הדור הבא של חלל ADCs עשוי לכלול למידה מכונה כדי לחזות פרמטרים של כיבוד מבוסס על טלמטרי (זמן, מינון מצטבר, זמן) רשת עצבית מאומנת יכול להעריך את משככי התיקון האופטימלי מבלי צורך להזריק אותות התייחסות, צמצום פני השטח של Foreground הופך את קלמנט. לחלופין, סוכני למידה חיזוק יכולים להתאים את לוח הזמנים - לדוגמה, ביצוע מדידת מלאה של טכניקות אלה הוא כנראה להאריך את זמן החיים.

מגמה נוספת היא השימוש בחיישנים בנויים על שבב ADC (דקירות זמניות, דוסימטר קרינה) שמזין ישירות לתוך מכונת המדינה החריפה.על ידי ניתוק תנאים מקומיים עם דפוסים היסטוריים של סחף, המערכת יכולה לצפות שגיאות לפני שהם הופכים משמעותיים - צורה של הזנת-קדימה קליברציה. גישה זו כבר בשימוש בחלק גדול של ADCs יבשתיים יבשתיים ו מותאם לחלל נאס"א.

קישורים חיצוניים לקריאה נוספת

מסקנה

קלמנט דיגיטלי הפך לטכניקה חיונית לשימור הדיוק לטווח הארוך של ADCs במשימות חלל.על ידי אספקת סחף מושרה קרינה, וריאציות טמפרטורה, והזדקנות, זה מבטיח כי טלמטריה ונתונים מדעיים נשארים אמינים לאורך כל החיים המשימה - לעתים קרובות ההבדל בין ניסוי מוצלח והזדמנות אבודה.