Magnetometr pro ízení polohy satelitu. Magnetometer for satellite attitude control

ýESKÉ VYSOKÉ UýENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra mČĜení

Magnetometr pro Ĝízení polohy satelitu Magnetometer for satellite attitude control

Diplomová práce

Studijní program: Elektronika a informatika Studijní obor: Letecké informaþní a Ĝídicí systémy Vedoucí práce: Ing. VojtČch Petrucha

Jaroslav Laifr

Praha 2011

ýestné prohlášení autora práce WƌŽŚůĂƓƵũŝ͕ǎĞũƐĞŵƉƎĞĚůŽǎĞŶŽƵƉƌĄĐŝǀǇƉƌĂĐŽǀĂůƐĂŵŽƐƚĂƚŶĢĂǎĞũƐĞŵƵǀĞĚůǀĞƓŬĞƌĠ ƉŽƵǎŝƚĠŝŶĨŽƌŵĂēŶşǌĚƌŽũĞǀƐŽƵůĂĚƵƐDĞƚŽĚŝĐŬǉŵƉŽŬǇŶĞŵŽĚŽĚƌǎŽǀĄŶşĞƚŝĐŬǉĐŚƉƌŝŶĐŝƉƽ ƉƎŝƉƎşƉƌĂǀĢǀǇƐŽŬŽƓŬŽůƐŬǉĐŚǌĄǀĢƌĞēŶǉĐŚƉƌĂĐş͘

sWƌĂǌĞĚŶĞ͙͙͙͙͙͙͙͙͙͙͘͘

͙͙͙͙͙͙͙͙͙͙͙͙͘͘͘

WŽĚƉŝƐĂƵƚŽƌĂƉƌĄĐĞ

PodČkování Chci podČkovat Ing. VojtČchu Petruchovi za odborné vedení této práce, vstĜícný osobní pĜístup, ochotu, finanþní podporu realizace a podnČtné pĜipomínky bČhem konzultací. Dále chci podČkovat svým rodiþĤm JanČ a JiĜímu Laifrovým a blízkým pĜátelĤm za neocenitelnou duševní i materiální podporu a také Ing. Dr. Vítu Plaþkovi za zprostĜedkování radiaþního testu.

Anotace Práce se zabývá návrhem, realizací a testováním tĜí-kanálového fluxgate magnetometru, použitelného pro Ĝízení polohy družice s ohledem na zvýšenou radiaþní odolnost vþetnČ realizace testovacího zaĜízení a metod ke zjišĢování pĜíþin poruch. RozšíĜením zadání je stavba stejnosmČrného snižujícího mČniþe z diskrétních polovodiþových souþástek. Realizované systémy byly vystaveny aktivnímu zdroji 60Co záĜení gama. ZávČrem je degradace parametrĤ diskutována.

Summary This diploma thesis deals with design, implementation and testing of a three-channel fluxgate magnetometer, which applies to a satellite attitude control with regard to the increased radiation tolerance, including the implementation of the testing equipment and methods to identify causes of failures. As the task extension the construction of a step-down DC/DC converter from discrete semiconductor components was made. Developed systems were exposed to the gamma rays active source. Finally the parameter degradations are discussed.

60

Co

0DJQHWRPHWUSURĝt]HQtSRORK\VDWHOLWX-DURVODY/DLIU

OBSAH 1. 2. 2.1.

2.2.

2.3.

2.4. 2.5. 3. 3.1. 3.2.

3.3. 3.4. 4. 5. 6. 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 7. 7.1.

7.2. 7.3. 7.4.

8. 9. 10. 11.

Úvod .................................................................................................................................................. 2 Teoretický rozbor .............................................................................................................................. 3 PĜehled navigaþních prostĜedkĤ pro satelity ............................................................................... 3 2.1.1. Mechanický gyroskop........................................................................................................... 3 2.1.2. Optický gyroskop .................................................................................................................. 4 2.1.3. Micro-Electro-Mechanical Systems ..................................................................................... 5 2.1.4. Star Tracker .......................................................................................................................... 6 2.1.5. Magnetometr......................................................................................................................... 6 2.1.6. GPS....................................................................................................................................... 7 2.1.7. Sun Sensor ........................................................................................................................... 8 2.1.8. Earth Horizon Sensor ........................................................................................................... 8 Geomagnetické pole .................................................................................................................... 9 2.2.1. Vznik...................................................................................................................................... 9 2.2.2. Van Allenovy radiaþní pásy................................................................................................ 10 2.2.3. Magnetická inklinace, deklinace, totální vektor................................................................. 12 2.2.4. World Magnetic Model........................................................................................................ 13 Radiaþní efekty v polovodiþích .................................................................................................. 15 2.3.1. Diody ................................................................................................................................... 15 2.3.2. Bipolární tranzistory............................................................................................................ 15 2.3.3. MOS tranzistory .................................................................................................................. 16 2.3.4. Logické obvody, operaþní zesilovaþe................................................................................ 16 2.3.5. PamČti ................................................................................................................................. 16 VýbČr komponent ....................................................................................................................... 17 Princip fluxgate senzoru ............................................................................................................. 18 Konstrukce magnetometru............................................................................................................. 19 Fluxgate senzory ........................................................................................................................ 19 Návrh elektroniky........................................................................................................................ 22 3.2.1. Excitaþní jednotka............................................................................................................... 23 3.2.2. Analogové obvody zpracování signálu.............................................................................. 25 3.2.3. Digitalizaþní jednotka.......................................................................................................... 29 Deska plošných spojĤ ................................................................................................................ 35 ěídicí firmware............................................................................................................................ 35 MČĜení parametrĤ magnetometru.................................................................................................. 39 Napájecí zdroj ................................................................................................................................. 45 Testovací zaĜízení - Data Logger................................................................................................... 47 Návrh elektroniky........................................................................................................................ 47 DPS Data Loggeru ..................................................................................................................... 56 ěídicí firmware............................................................................................................................ 57 Software pro PC ......................................................................................................................... 61 Radiaþní test ................................................................................................................................... 63 Zdroje pro testování.................................................................................................................... 63 7.1.1. ZáĜení γ ............................................................................................................................... 63 7.1.2. Rentgenové záĜení ............................................................................................................. 64 7.1.3. Elektrony ............................................................................................................................. 64 7.1.4. Protony................................................................................................................................ 65 7.1.5. Neutrony.............................................................................................................................. 65 7.1.6. Ultrafialové záĜení............................................................................................................... 65 Kobaltový zdroj v ÚJV ěež, a.s. ................................................................................................ 66 Dozimetrie................................................................................................................................... 68 NamČĜené výsledky.................................................................................................................... 69 7.4.1. Elektronika magnetometru ................................................................................................. 70 7.4.2. Spínaný zdroj ...................................................................................................................... 77 7.4.3. Testovací kit s mikrokontrolérem moderní koncepce....................................................... 78 Shrnutí dosažených výsledkĤ ........................................................................................................ 79 ZávČr................................................................................................................................................ 80 Seznam použité literatury............................................................................................................... 81 Seznam pĜíloh................................................................................................................................. 85

1


ÔYRG Ve dvacátém století se díky dvČma svČtovým válkám a rozvoji zbrojního prĤmyslu pĜihlásil o slovo také výzkum v oblasti raketové techniky. Na nechvalnČ známých raketových nosiþích A-4 / V-2 byly zásluhou nČmeckého inženýra Wernhera von Brauna neseny nejen stovky kilogramĤ výbušnin, ale také první navádČcí aparatury založené na mechanických gyroskopech. NechĢ smutnou minulost této zbranČ na jejíž úþinky zemĜely tisíce nevinných lidí þásteþnČ potlaþí pĜínos výzkumu kosmických technologií pro lidstvo a jeho budoucnost. Na poþátku vývoje avionických systémĤ prvních družic vznikalo na Ĝadu témat více otázek než odpovČdí. Než mohlo dojít k vyslání prvního þlovČka do neznámého prostĜedí - na obČžnou dráhu, musela být Ĝada tČchto otázek uspokojivČ zodpovČzena a tak probíhal výzkum v oblasti šíĜení radiového signálu z kosmu, nezbytného pro komunikaci se zemí, všudypĜítomné vesmírné radiace ohrožující nejen lidský organismus, ale i elektroniku sloužící k podpoĜe letu i životních funkcí posádky, hrozby srážky satelitu s mikrometeority nebo vlivu sluneþního záĜení na ohĜev konstrukcí družic vþetnČ vlivu na degradaci solárních þlánkĤ a mnoho dalších. Systém pro mČĜení magnetického pole byl a je jedním z nejþastČji používaných vČdeckých pĜístrojĤ na palubách umČlých družic vĤbec. V rané éĜe kosmonautiky se skalární magnetometr požíval pĜedevším pro získání poznatkĤ o magnetosférách planet a tČles sluneþní soustavy, pozdČji i Slunce samotného, což pĜispČlo k lepšímu povČdomí o jejich geologické historii a k mnoha objevĤm napĜíklad v oblasti pozorování sluneþního vČtru. Podrobná analýza þasovČ promČnné zemské magnetosféry sítí pozemních stanic s využitím mČĜicích satelitĤ pĜispČla k vytvoĜení a možnosti aktualizace mezinárodního geomagnetického modelu, který pokud je uložen v pamČti palubního poþítaþe mĤže porovnáním s aktuálními namČĜenými daty posloužit k urþení polohy družic na nízkých obČžných drahách. Ve spojení s dalšími navigaþními pĜístroji tak magnetometr slouží Ĝídicímu systému satelitu v urþování resp. ve zpĜesnČní urþování polohy. Tato diplomová práce se vČnuje návrhu a realizaci elektroniky, konstrukci použitých senzorĤ a popisu Ĝídicího programu digitalizaþní jednotky magnetometru, s cílem zlepšit a zejména ovČĜit radiaþní odolnost pĜi použití dostupných komerþních souþástek s ohledem na teoretické uplatnČní na palubČ satelitu typu CubeSat. Jejím obsahem je také popis realizace testovacího zaĜízení vþetnČ diskuze výsledkĤ radiaþního testu elektroniky magnetometru a navíc i jednoduchého spínaného zdroje a mikroprocesorového kitu moderní koncepce.

2


7HRUHWLFNìUR]ERU 2.1. PĜehled navigaþních prostĜedkĤ pro satelity K navigaci umČlých tČles na obČžné dráze slouží Ĝada technických prostĜedkĤ lišících se od sebe zejména složitostí a pĜesností urþování polohy, pĜípadnČ þasovým driftem mČĜených veliþin. Následující soupis je obecným pĜehledem nejþastČji aplikovaných navigaþních systémĤ družic a slouží k vytvoĜení náhledu na metody a principy urþování polohy ve vesmíru. Detailní popis principĤ þinností by pĜekroþil rámec této práce.

2.1.1.

Mechanický gyroskop

Základem mechanického gyroskopu je setrvaþník umístČný v tzv. KardanovČ závČsu umožĖující rotaci vnČjšího uložení vĤþi ose setrvaþníku ve dvou, þastČji ve tĜech osách. Principem gyroskopu je využívání momentu hybnosti setrvaþníku roztoþeného na vysoké otáþky, který tak vĤþi pohybu os vnČjšího uložení zachovává svou osu otáþení konstantnČ sklonČnou. ýinnost lze vysvČtlit také prvním Newtonovým zákonem, který Ĝíká, že tČleso setrvává v klidu nebo rovnomČrném pĜímoþarém pohybu, pokud na nČj nepĤsobí vnČjší síla. Senzory úhlu natoþení (napĜ. typu selsyn, resolver) umístČné na jednotlivých osách závČsu jsou schopny vyhodnocovat polohové úhly navigovaného tČlesa vĤþi stále stejnČ sklonČné ose setrvaþníku. Na první pohled patrnou nevýhodou mechanického gyroskopu je nezanedbatelný vliv tĜení v ložiskách pohyblivých rámĤ, který se s þasem integruje a zásadnČ pĜispívá k nepĜesnosti systému. Bez dodateþné kompenzace tĜení je gyroskop schopen pracovat využitelnČ typicky jen po dobu 30 minut. Ukázka realizace gyroskopu nosiþe Black Arrow R2 z roku 1970 je uvedena na obr.:2.1.

Obr.: 2.1 Záložní gyroskop nosiþe Black Arrow R2 (pĜevzato z [6])

3


2.1.2. Optický gyroskop Princip optických gyroskopĤ je založen na tzv. SagnacovČ jevu, který popisuje rozdílnou rychlost proti sobČ se pohybujících svČtelných svazkĤ v pĜípadČ rotace spoleþného vlnovodu. SvČtelný paprsek musí pĜi otáþení základny urazit vČtší vzdálenost než paprsek protibČžný. Vhodnou interferenþní detekþní metodou lze urþit rychlost rotace kolem osy otáþení. Realizace optických gyroskopĤ lze rozdČlit na vláknový (Fiber Optic Gyro, uveden na obr.: 2.2), který obsahuje vlnovod v podobČ cívky optického vlákna s délkou typicky nČkolika kilometrĤ a laserový (Ring Laser Gyro, uveden na obr.: 2.3), jehož základna má obvod Ĝádu desítek centimetrĤ. Pro trojosé mČĜení úhlových rychlostí je zapotĜebí triplet optických systémĤ.

Obr.: 2.2 Optovláknové gyroskopy Astrix (FOG) pro kosmické aplikace (pĜevzato z [7])

Obr.: 2.3 Laserové gyroskopy Marconi (RLG) pro civilní letecké aplikace (pĜevzato z [8], [9])

4


2.1.3. Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS akcelerometry a gyroskopy jsou typickým pĜedstavitelem kapacitních senzorĤ. ZmČna vzájemné polohy mikroelementĤ, v závislosti na zrychlení, má za následek zmČnu kapacity. Vzhledem k velikosti elementĤ je rozsah zmČn kapacit malý a proto je obecnČ nízká i citlivost senzorĤ. Senzory jsou vybaveny vyhodnocovací elektronikou provádČjící pĜevod kapacity na napČtí úmČrné úhlové rychlosti, pĜípadnČ úhlu þi zrychlení. Lze tak realizovat kompletní inerciální jednotku (Inertial Measurement Unit) o velikosti Ĝádu nČkolika krychlových centimetrĤ. Minimalizace velikosti je významná zejména pro malé satelity (CubeSat apod.) a je také pĜíznivá pro šokovou vibraþní odolnost napĜ. bČhem startu. Technologie je rovnČž vhodná z dĤvodu nízké spotĜeby a tak nachází bohaté uplatnČní v komerþních aplikacích, jako jsou mobilní telefony nebo Ĝídicí jednotky automobilĤ, kde navíc hromadná sériová výroba pĤsobí kladnČ na snížení koncových cen. ZvČtšená struktura MEMS gyroskopu resp. detail elementĤ jsou uvedeny na obr.: 2.4, realizace gyro jednotky na obr.: 2.5.

Obr.: 2.4 Detail pĜíkladu struktury MEMS gyroskopu (pĜevzato z [10])

Obr.: 2.5 MEMS gyro pro kosmické aplikace (senzory v plechovém stínČní), (pĜevzato z [11])

5


2.1.4. Star Tracker Další metoda urþování polohy v kosmu je založena na snímání hvČzdného pole. Pomocí CMOS CCD senzoru a optické soustavy poĜídí Star tracker fotografii kosmického prostoru, kterou porovná s vnitĜním hvČzdným katalogem þítajícím typicky na deset tisíc nejjasnČjších hvČzd. Používá se obrazový senzor o rozlišení 512⋅512 bodĤ a více, pĜiþemž rychlost výpoþtu polohy je v jednotkách Hz. Systém se prvním snímkem nejprve v hvČzdném poli „zorientuje“ (catch) a poté již jen „sleduje“ (track) zmČny. Ke správné detekci polohy je zapotĜebí nejprve rozpoznat ĜádovČ desítku hvČzd. Za provozu mĤže dojít k tzv. „oslepnutí“ senzoru, které je vyvolané pĜeexponováním obrazového senzoru silným sluneþním svitem pĜípadnČ odraženým sluneþním záĜením z povrchu ZemČ þi MČsíce. Navíc senzor svou þinnost po odeznČní intenzivního záĜení obnoví se zpoždČním. Ochranu proti znemožnČní detekce oslepnutím poskytuje trojice, pĜípadnČ þtveĜice ortogonálnČ resp. rovnomČrnČ rozložených snímacích systémĤ. Riziko snímání více silných zdrojĤ se díky jejich nepravdČpodobné konstelaci minimalizuje. Ukázka realizace je uvedena na obr.: 2.6.

Obr.: 2.6 Star tracker SED 26 pro kolmou resp. podélnou montáž (pĜevzato z [12])

2.1.5. Magnetometr Principem urþování polohy pomocí trojosého magnetometru je porovnávání namČĜené intenzity magnetického pole s modelem magnetosféry, uloženým buć pĜímo v palubním poþítaþi nebo v pozemním sledovacím segmentu. Model je vytvoĜen a aktualizován na základČ sítČ pozemních mČĜicích stanic a mČĜením jiných satelitĤ viz kap 2.2.3, 2.2.4.

6


Ke stabilizaci satelitu lze využít mČĜení vektoru magnetického pole spojené se zásahem akþních þlenĤ (elektromagnetické torzní tyþe, reakþní kola, korekþní raketové motory), které satelit s vektorem napĜíklad sesouhlasí. Použití magnetometrĤ pro urþení nebo Ĝízení polohy je pochopitelnČ možné jen u tČles s vlastní magnetosférou. NapĜíklad magnetosféra MČsíce je tak slabá, že se její intenzita pohybuje na prahu rozlišitelnosti fluxgate magnetometrĤ (prĤmČrnČ jednotky nT). Realizace analogového magnetometru je uvedena na obr.: 2.7.

Obr.: 2.7 Magnetometr Billingsley TFM100S (pĜevzato z [13])

2.1.6. GPS Na rozdíl od problémĤ se zástavbou na zemského povrchu ve vesmíru dochází ke komplikaci v pĜíjmu signálĤ z GPS minimálnČ. K omezení pĜíjmu však mĤže dojít zastínČním pĜi manévrech rozmČrného satelitu, což lze Ĝešit pĜepínáním více pĜijímacích antén nebo pĜi vstupu návratového modulu do zemské atmosféry, kdy je kabina obvykle po dobu nejménČ 15 minut obklopena ionizovanými plyny bránící prĤchodu radiového signálu. Komplikací je také pĜíjem GPS signálĤ na vysokých obČžných drahách (typicky geostacionární satelity). Anténní systémy satelitĤ GPS jsou smČĜovány k zemskému povrchu a tak je na tČchto drahách pĜíjem možný pouze ze satelitĤ Zemi odvrácených a jí nezastínČných, navíc s velmi malým odstupem signál/šum. Nevýhodou využívání systému GPS je rovnČž jeho vojenský pĤvod, díky nČmuž mĤže kdykoli neohlášenČ dojít k výpadku nebo úmyslnému snížení pĜesnosti urþování polohy. Ukázka pĜijímaþe je na obr.: 2.8.

Obr.: 2.8 Satelitní navigaþní pĜijímaþ GPS-12 (pĜevzato z [14])

7


2.1.7. Sun Sensor Princip urþování polohy pomocí sluneþního senzoru je patrný z názvu. Dopadající sluneþní záĜení generuje v solárních þláncích napČtí úmČrné natoþení senzorĤ vĤþi Slunci. NejþastČji jsou segmenty fotocitlivých senzorĤ rozdČleny do dvou vzájemnČ kolmých os, takže systém je schopen dvojdimenzionální detekce úhlu dopadajícího záĜení v rozsahu typicky ± 50°. Každá osa je tvoĜena dvojicí solárních þlánkĤ. Z diference výstupních napČtí se dopadající úhel vypoþítá. Pro celý satelit k urþení smČru zdroje sluneþního svitu postaþí jediný senzor. ěídicí algoritmus je obvykle schopen otáþet satelitem v jednotlivých osách a tak k nalezení Slunce dojde, pokud se satelit nenachází v planetárním stínu. Ukázka realizace je na obr.: 2.9.

Obr.: 2.9 Analogový sluneþní senzor FSS-05 (pĜevzato z [15])

2.1.8. Earth Horizon Sensor Mezi optické navigaþní pĜístroje patĜí také senzor zemského horizontu snímající relativní záĜivost molekul CO2 v atmosféĜe (dlouhovlnné infraþervené pásmo λ ≈ 15 μm). Snímací senzor je obvykle rozdČlen do matice cca 32⋅32 bodĤ a více nebo jsou senzory použity dva vzájemnČ kolmo umístČné, takže systém je schopen detekovat úhel mezi základnou senzoru a horizontem ve dvou osách. Ilustrativní realizace je uvedena na obr.: 2.10.

Obr.: 2.10 Senzor zemského horizontu (pĜevzato z [17])

8


2.2. Geomagnetické pole 2.2.1. Vznik Vznik a existence magnetické pole ZemČ, které má témČĜ klasický dipólový charakter se s rozvojem modelování pomocí výpoþetní techniky vysvČtluje tzv. principem geodynama [17], založeným na velmi pomalém proudČní tekutých kovĤ (Fe, Ni) ve vnČjším zemském jádĜe. Známá je tzv. Glatzmaier-Robertsova simulace viz obr.: 2.11 z roku 1997 znázorĖující geomagnetické silokĜivky ve 3D projekci. Model poþítá se zámČnou magnetických pólĤ s periodou Ĝádu stovek tisíc let. Reverzaci pĜedchází pokles prĤmČrné intenzity pole, který je v souþasné dobČ pozorován. V prĤbČhu zámČny nedochází k úplnému vymizení magnetosféry, pouze se zvČtší poþet magnetických pólĤ.

Obr.: 2.11 Glatzmaier-Robertsova simulace geomagnetických silokĜivek mezi reverzacemi (vlevo) a pĜi reverzaci pólĤ (vpravo), (pĜevzato z [17])

Osa geomagnetického dipólu není totožná s osou rotace ZemČ. Její odklon je v þase promČnný a v souþasné dobČ nabývá hodnoty cca 11°, viz obr.: 2.12. Ke zmČnám (variacím) geomagnetického pole dochází v dlouhodobém (sekulárním) a krátkodobém þasovém horizontu. Sekulární variace souvisí s pomalými geologickými zmČnami uvnitĜ zemského jádra a jsou pozorovány v rozmezí 5−10 let. Dominantní pĜíþinou krátkodobých (sekundy až dny) variací je sluneþní aktivita, jako napĜ. výtrysky oblakĤ plazmatu pĜi sluneþních bouĜích, jedenáctiletý cyklus, sluneþní vítr nebo stĜídání dne a noci.

Obr.: 2.12 Ilustrace sklonu zemské magnetické a geografické osy vĤþi rovinČ ekliptiky (pĜevzato z [18])

9


2.2.2. Van Allenovy radiaþní pásy Hranice magnetosféry je urþena oblastí vlivu zemského magnetického pole viz obr.: 2.13. Má typický protáhlý tvar zpĤsobený sluneþním vČtrem, s þelní rázovou vlnou, dvČma kaspy (trychtýĜovité oblasti nad severním a jižním magnetickým pólem) a plazmový ohon dosahující velikosti až 600 000 km. PrĤmČr magnetosféry dosahuje pĜibližnČ 120 000 km.

Obr.: 2.13 Ilustrace zemské magnetosféry (pĜevzato z [19])

V oblasti 70. rovnobČžky se nachází první rozpojené magnetické silokĜivky, které se neuzavírají v magnetickém poli ZemČ a mohou se tak pĜi silných sluneþních bouĜích „pĜepojovat“ na magnetické silokĜivky Slunce. Tímto mechanizmem dochází k zachycení þástic sluneþního vČtru, jehož projevy jsou patrné od výšky cca 70 km až na hranici kosmu. PĜi stĜetu vysoce energetických þástic s atomy atmosférických plynĤ dochází k excitaci jejich elektronĤ na vyšší energetické hladiny. PĜechod zpČt na nižší hladinu je spojen s vyzáĜením viditelného svČtla na nejþastČji zelené (O) resp. þervené (N) spektrální þáĜe a se vznikem tzv. aurorálního oválu, známého jako polární záĜe. V polárních oblastech se nachází tzv. magnetická past, která je tvoĜena dvČma magnetickými zrcadly (oblastmi zhušĢujících se magnetických silokĜivek). PĜijaté þástice se v ní zachytí a periodicky konají tĜi typy pohybu [pĜevzato z 20] (viz obr.: 2.14): 1. Larmorovu cyklotronní rotaci 2. vertikální pohyb podél silokĜivek 3. horizontální drift napĜíþ silokĜivek zpĤsobený odstĜedivou silou generovanou pohybem 2 (rychlost driftu je kolmá jak na magnetické pole tak na odstĜedivou sílu; p+ driftují západnČ, e− východnČ ve smČru znázornČného þ. 3),

10


Obr.: 2.14 ZnázornČní pohybu þástic v magnetosféĜe ZemČ (pĜevzato z [20])

þímž se vytvoĜí toroidní oblast možného výskytu vysoce energetických þástic. Existence této oblasti (vnitĜní radiaþní pás) v okolí ZemČ byla poprvé sledována pomocí experimentu amerického profesora Jamese A. van Allena neseným na palubČ americké družice Explorer 1 (r. 1958). O rok pozdČji byla pĜi cestČ k MČsíci kosmickou sondou Luna 1 objevena týmem sovČtského akademika S. N. VČrnova i druhá oblast (vnČjší radiaþní pás). VnitĜní radiaþní pás [21] (~ 500−13000 km) obsahuje pĜedevším p+ o energiích Ĝádu 100 MeV, minoritnČ také e− (1−5 MeV) s tím, že pĜedpokládaným zdrojem je „tvrdé“ kosmické záĜení. Ve vnČjším pásu (~ 16000−24000 km), jehož pĜedpokládaným zdrojem je Slunce, se dominantnČ vyskytují e− (10−100 MeV). Rozložení toku þástic ilustruje obr.: 2.15.

Obr.: 2.15 Ilustraþní Ĝez rozložením toku þástic Van Allenovým vnitĜním, protonovým (vlevo) a vnČjším, elektronovým (vpravo) pásem; jednotkou vodorovné a svislé osy je RZ = 6371 km (pĜevzato, upraveno z [21])

Z hlediska nízkých obČžných drah (LEO) je významná tzv. Jihoatlantická anomálie (South Atlantic Anomaly) [22] viz obr.: 2.16, 2.21. Jde o prostorovou oblast nízké intenzity magnetického pole mající za následek lokální snížení výšky vnitĜního van Allenova pásu.

11


Z uvedeného plyne, že nejménČ exponovány jsou objekty právČ na nízkých obČžných drahách (typicky lety s lidskou posádkou - raketoplány, ISS, …), se sklonem dráhy okolo 50° a výškou cca 300 km. Naopak nejvíce exponované jsou polární, excentrické a vysoké dráhy, tj. oblasti mimo vliv zemské magnetosféry, pĜíp. dráhy pĜímo protínající van Allenovy pásy.

Obr.: 2.16 Ilustrace rozložení toku elektronĤ v SAA a vnitĜním van AllenovČ pásu (vlevo) a protonĤ v SAA (vpravo) ve výšce 500 km nad Zemí (pĜevzato, upraveno z [22])

2.2.3. Magnetická inklinace, deklinace, totální vektor Horizontální složka vektoru magnetického pole je urþena dle (1). Totální vektor poté dosazením do (2), tj. složkami BX , BY , BZ . Inklinací δ (3) se rozumí úhel svírající myšlenou teþnou rovinou BX , BY a magnetickou silokĜivkou (magnetickým poledníkem). Pod rovinou nabývá úhel kladných hodnot. Deklinace D (4) je úhlem mezi magnetickým a geografickým poledníkem v horizontální rovinČ BX , BY . SmČrem na východ nabývá kladných hodnot. Zavedení pojmĤ ilustruje obr.: 2.17.

BH (t ) = BX (t ) + BY (t )

(1)

BT (t ) = BH (t ) + Bz (t )

(2)

2

2

2

2

δ (t ) = arctg ¨¨

§ BZ (t ) · ¸¸ © BH (t ) ¹

(3)

§ B (t ) · D(t ) = arctg ¨¨ Y ¸¸ © BX (t ) ¹

(4)

Obr.: 2.17 ZnázornČní pojmĤ inklinace, deklinace, totální vektor (pĜevzato, upraveno z [23])

12


2.2.4. World Magnetic Model K mČĜení parametrĤ magnetosféry (inklinace viz obr.: 2.19, deklinace viz obr.: 2.20, totální intenzita viz obr.: 2.21 a jejich sekulárních variací,…) pro potĜeby Ministerstva obrany Spojených státĤ, NATO, WHO, Ministerstva obrany Spojeného království (navigace, výzkum), byla po celém svČtČ zĜízena síĢ mČĜicích pracovišĢ (viz obr.: 2.18). Data se sdružují do tzv. SvČtového magnetického modelu (WMM) a vydávají s periodou 5 let.

Obr.: 2.18 Sít geomagnetických observatoĜí provozovaných pro úþely WMM (pĜevzato z [24])

Obr.: 2.19 Magnetická inklinace (ve stupních), dle WMM2010 (pĜevzato z [24])

13


Obr.: 2.20 Magnetická deklinace (ve stupních), dle WMM2010 (pĜevzato z [24])

Obr.: 2.21Rozložení totální intenzity magnetického pole (v nT), dle WMM2010 (pĜevzato z [24])

Aktuální verze modelu s platností do 31. prosince 2014 má název WMM2010. V dobČ psaní této práce (bĜezen 2011) platí pro Prahu dle [25]: BX = 19851 nT, BY = 1037 nT, BZ = 44634 nT, BT = 48861 nT, δ = 65°60’, D = 2°59’, h = 300 m BX = 17647 nT, BY = 720 nT, BZ = 38841 nT, BT = 42669 nT, δ = 65°33’, D = 2°20’, h = 300 km.

14


2.3. Radiaþní efekty v polovodiþích NejmarkantnČjší dĤsledky záĜení v polovodiþových strukturách lze rozdČlit do dvou skupin: atomární dislokace a ionizace [26]. Pro dislokaci je dĤležitým ukazatelem pĜedaná kinetická energie neionizujících þástic (bez vnČjšího el. náboje), které vyráží atomy ze svých pozic v krystalových mĜížích. Je tedy zapotĜebí uvažovat typ þástic (hmotnost) a jejich energii. Ionizace je dominantním mechanizmem absorpce záĜení o nízkých energiích (< 1 MeV). Jednotkou absorbované dávky záĜení (Total Ionizing Dose) je 1 Gy = 1 J/Kg = 100 rad. Vzhledem k tomu, že velikost uvolnČného náboje závisí na typu absorbéru (jeho ionizaþním potenciálu), je zapotĜebí jednotku uvádČt ve vztahu k danému materiálu, tj. napĜ.: 1 rad(Si). Efekty obou skupin se mohou vzájemnČ kombinovat a tak nekomplexní testování nemusí vždy podat relevantní výsledky. Následující souhrn pĜedstavuje výþet typĤ polovodiþových souþástek použitých v konstrukci magnetometru a pĜibližuje dĤsledky pĜijaté dávky. PodrobnČjší popis efektĤ je nad rámec této práce. K bližšímu studiu viz [2].

2.3.1. Diody V diodách se absorbovaná dávka záĜení projevuje pĜedevším zvČtšením závČrného proudu IR a zmenšením smČrnice V-A charakteristiky (pĜi vyšších proudech dochází ke zvČtšení úbytku napČtí). NapĜíklad [2, s. 246−247] u bČžných komerþnČ vyrábČných diod s plochou pĜechodu do 1 mm2 vyvolá dislokace atomĤ zpĤsobená fluencí 1014 n cm-2 o energii 1 MeV zmČnu IF v poþátku charakteristiky z 1 μA na 100 μA a závČrný proud IR z 1 nA na 100 nA.

2.3.2. Bipolární tranzistory U bipolárních tranzistorĤ dochází k poklesu proudového zesilovacího þinitele hFE ĜádovČ 10−100 krát. Je to dáno atomární dislokací v substrátu vedoucí ke zvýšení poþtu rekombinaþních center a tím i ke zkrácením doby života minoritních nosiþĤ [2, s. 206]. Dále dochází ke zvýšení zbytkových proudĤ (leakage). V aplikacích bipolárního tranzistoru jako spínaþe je patrné zvČtšení saturaþního napČtí, což mĤže vést až k tepelnému zniþení þipu tranzistoru. Viz pĜíkl. [2, s. 226] fluence 1,3ԫ1014 n cm−2 reaktorových neutronĤ zvýší UCEsat z 0,2 na 1,5 V. Dle [2, s. 221] je vhodné pĜi návrhu elektroniky vybírat: 1) tranzistory s nízkým zesílením a provozovat je v pracovních bodech s vyšším kolektorovým proudem nebo 2) NPN tranzistory s vysokým mezním kmitoþtem (fT Ĝádu stovek MHz).

15


2.3.3. MOS tranzistory Narozdíl od bipolárních tranzistorĤ jsou radiaþní efekty v MOS strukturách zpĤsobeny pĜedevším akumulací náboje v izolaþních vrstvách (SiO2), tj. jsou citlivé na ionizaþní úþinky záĜení (generování párĤ elektron – díra). Úþinky ionizace izolaþní vrstvy lze rozdČlit do þtyĜ stupĖĤ viz tab.: 2−1 vycházející z postupného umČlého vytváĜení inverzní vrstvy, jejímž projevem je pokles prahového napČtí UT až do úplné ztráty Ĝiditelnosti kanálu tranzistoru. Tab.: 2-1 Degradace parametrĤ COTS MOS tranzistorĤ (pĜevzato z [2, s. 135]) (IHNW

$EVRUERYDQiGiYNDUDG6L −Δ8 −Δ 79

SUYQčVOHGRYDWHOQpVQtæHQtäXPRYpLPXQLW\PRæQpVQtæHQt VStQDFtIUHNYHQFHVRXÿiVWNDQHRGSRYtGiVSHFLILNDFL RVWUëQiUĥVWNOLGRYpKRSURXGX,'6 SRÿiWHNY\WYiĝHQtLQYHU]QtYUVWY\EH]SĝLORæHQpKRQDSčWt8*6 SRNOHVWUDQ]LWQtKRNPLWRÿWX

]WUiWDĝLGLWHOQRVWLDIXQNFHVStQDÿHQHO]HPčQLWORJKRGQRWX

Pozn.: Dávka uvedená v tab.: 2-1 je vztažena k materiálu, který v objemu tranzistoru pĜevládá.

2.3.4. Logické obvody, operaþní zesilovaþe Efekty v tab.: 2−1 lze ve zjednodušujícím pĜípadČ aplikovat i na hradla, klopné obvody, budiþe, operaþní zesilovaþe a další integrované obvody. Z obr.: 2.22 vyplývá, že s nárĤstem klidových proudĤ tranzistorĤ v CMOS strukturách dochází ke zvyšování celkového odbČru (v Ĝádu až stovek mA - propojení napájecích vČtví), což mĤže vést k tepelné destrukci souþástky. V pĜípadČ operaþních zesilovaþĤ jde o komplexnČjší jevy, jako zmČny napČĢových offsetĤ, vstupních a výstupních proudĤ, zesílení, zhoršují se frekvenþní parametry a další.

Obr.: 2.22 VnitĜní zapojení CMOS invertoru (pĜevzato z [27])

2.3.5. PamČti Poruchy v pamČĢových obvodech jsou dány ionizaþními úþinky záĜení. Velikost náboje indukovaného prĤchodem energetického p+ mĤže pĜekroþit kritickou hodnotu, potĜebnou k pĜeklopení log. úrovnČ. Tento „soft“ efekt se oznaþují jako SEU (Single-Event Upset). V CMOS obvodech mĤže být rovnČž ionizaþními úþinky sepnuta parazitní tyristorová struktura, což opČt vede k „vyzkratování“ napájecích vČtví. Efekt se nazývá SEL (Single-Event Latch-Up), souhrnnČ poté SEE (Single-Event Effects) viz [2, s. 106−111].

16


2.4. VýbČr komponent Moderní výzkum a poznatky o chování polovodiþĤ v radiaþním prostĜedí smČĜují k technologiím zvyšujícím maximální možné pĜijaté dávky záĜení. Výrobci jako STMicroelectronics, Texas Instruments, National Semiconductor, Linear Technology, Analog Devices, TT electronics Semelab, Aeroflex a další, mají ve svém portfoliu zaĜazeny tzv. „rad-hardened“ pĜíp. „rad-tolerant“ produkty od diskrétních diod a tranzistorĤ až po mikroprocesory a pamČti. Jejich cena je však ĜádovČ sto až tisíckrát vyšší než jejich bČžné komerþní ekvivalenty. KromČ vysokých cen jsou omezujícím faktorem vývozní restrikce (zejm. z USA). Tlak na snížení cen systémĤ pro kosmické aplikace je jedním z hlavních dĤvodĤ testování komerþních (Commercial Off-The-Shelf) souþástek. ěada výsledkĤ je publikována v rámci odborných þlánkĤ v souvislosti s konkrétními systémy. Evropská kosmická agentura (ESA) spravuje ucelenou veĜejnČ pĜístupnou databázi preferovaných komponent viz [28], mezi nČž patĜí i Ĝada COTS produktĤ a ze které se vycházelo pĜi výbČru souþástek magnetometru (viz tab.: 2−2). SilnČ omezujícím faktorem je dostupnost komponent v ýR. PĜedpokladem pro výbČr byla TID lepší jak 10 krad(Si). Další zdroje viz napĜ. [29].

Tab.: 2-2 Seznam souþástek vybraných na základČ databáze preferovaných komponent (ESCIES.org) 7\S

9ëUREFH

3RX]GUR

1DSiMHFtQDSčWt

0&8 '6& 0D[LP'DOODV 74)3 89(3520 0&%) 670LFURHOHFWURQLFV &',3 GYRMQiVREQë.2' +&)%(< 670LFURHOHFWURQLFV ',3 ÿW\ĝQiVREQë.2' +&)%(< 670LFURHOHFWURQLFV ',3 ÿW\ĝQiVREQëDQDORJRYëVStQDÿ $'*%5= $QDORJ'HYLFHV 62,& GYRMLWëRSHUDÿQt]HVLORYDÿ 7/&$,' 7H[DV,QVWUXPHQWV 62,& ELWRYëΣ−Δ$'SĝHYRGQtN &6 &LUUXV/RJLF 62,& 1$ 72 1$ 72 ELSROiUQtWUDQ]LVWRU\ 1$ 72 WDQWDORYpNRQGHQ]iWRU\ 7$-[[[[ $9; 60'%&' NHUDPLFNpNRQGHQ]iWRU\ $9; 6FKRWWN\KRGLRGD

1'$ 6HPHODE '/&&

−9 9 9 9 9 ±9 ±9

<9

QDSčģRYiUHIHUHQFH

$'6+

$QDORJ'HYLFHV

72

<9 <9 <9

Pozn.: Položky oznaþené (*) byly vybrány na základČ kompromisu mezi podobností s preferovanými komponenty a dostupností ekvivalentĤ na þeském trhu. Položka oznaþená (**) je sponzorským darem fy. TT-Electronics Semelab. Položka oznaþená (***) je sponzorským darem fy. Amtek.

Spoleþným jmenovatelem zvolených komponent je teplotní odolnost v rozsahu alespoĖ −40 až +85 °C.

17


2.5. Princip fluxgate senzoru Princip þinnosti feromagnetické (fluxgate) sondy vychází z Faradayova indukþního zákona (5), (pĜevzato z [1, s. 86−87, 91]): ui =

dΦ C d = N (S μ μ 0 H 0 ) dt dt

ui = N ⋅ S ⋅ μ 0 ⋅ μ r ⋅

dH 0 dμ + N ⋅ S ⋅ H 0 ⋅ μ0 ⋅ μ r ⋅ dt dt

(5) (6)

kde ui je indukované napČtí (V), Φc magnetický indukþní tok cívkou (Wb), S stĜední plocha cívky (m2), N poþet závitĤ snímacího vinutí (−), μ permeabilita jádra (Hm−1), μr relativní permeabilita prostĜedí (pro vzduch μr ≈ 1), μ0 permeabilita vakua (4⋅π⋅10−7 Hm−1), H0 intenzita mČĜeného pole (Am−1). První þlen pravé strany (6) zohledĖuje promČnné magnetické pole. Z pravé strany rovnice (6) plyne, že k detekci konstantního vnČjšího mag. pole H0 je zapotĜebí mČnit permeabilitu μ jádra senzoru, þehož lze dosáhnout nasycením magneticky mČkkých materiálĤ (perm. lze mČnit – modulovat z μ ≈ 10000 → μ ≈ 1). Vzhledem k tomu, že sycení jádra probíhá v kladném i záporném maximu stĜídavého budicího proudu, dochází k indukování napČtí ve snímacím vinutí s dvojnásobnou frekvencí (druhé a pĜípadnČ další sudé harmonické složky základního budicího kmitoþtu f0). Bez vložení do vnČjšího magnetického pole dochází k vzájemnému odeþtení (vyrušení) magnetických polí generovaných vinutími a, b (ui = 0) a naopak, viz obr.: 2.23.

Obr.: 2.23 Ilustrace principu feromagnetického (fluxgate) senzoru Vacquierova typu (pĜevzato, upraveno z [42])

18


.RQVWUXNFHPDJQHWRPHWUX

3.1. Fluxgate senzory Jádro senzoru obsahuje dvČ vrstvy materiálu VITROVAC 6025 X [37] vytvarovaného odleptáním viz obr.: 3.1. Je vsazeno do kuprextitového pouzdra viz obr.: 3.2 a poté samosvornČ umístČno v kuprextitové základnČ viz obr.: 3.3. Materiál je v pouzdĜe zajištČn vrstvou pájivého laku pro plošné spoje. Technické výkresy jednotlivých þástí viz pĜíloha 3.

Obr.: 3.1 RozmČry feromagnetického jádra

Obr.: 3.2 Ilustraþní model kuprextitového pouzdra

Obr.: 3.3 PĤdorys a bokorys kuprextitové základny

19


Budicí cívky jsou vinuty ruþnČ s poþtem NEXC ≈ 300 z drátem o prĤmČru 0,15 mm. StejnosmČrný odpor vinutí þiní REXC ≈ 3,6 Ω, RSENS ≈ 33,9 Ω. Byly vyrobeny celkem þtyĜi senzory oznaþené zápichy (viz obr.:3.4, zleva |, ||, |||, ||||), z nichž se zvolily sestavy 2, 3 a 4.

Obr.: 3.4 Detail budicích vinutí zasunutých v kuprextitových základnách senzorĤ (zleva sestava 1, 2, 3, 4)

VnČjší vinutí je realizováno drátem téhož prĤmČru v šesti vrstvách o celkovém poþtu NSENS ≈ 900 z (viz kap.3.2.2; s. 26, 27). K usnadnČní práce a zlepšení kvality vinutí byla zkonstruována malá navíjeþka viz obr.: 3.5. Detail navíjení vrstev viz obr.: 3.6.

Obr.: 3.5 PomalobČžná navíjeþka

20


Obr.: 3.6 Detail navíjení první a tĜetí vrstvy snímací cívky

Triplet senzorĤ je uchycen na pertinaxovém držáku viz obr.: 3.7, z dĤvodĤ svých nemagnetických vlastností (neovlivĖuje mag. pole), dobré obrobitelnosti, malé teplotní roztažnosti a nízké hmotnosti. Tvar je zvolen jako kompromis mezi minimalizací rozmČrĤ a vzájemného ovlivĖování senzorĤ vlastním rozptylovým polem.

Obr.: 3.7 Model tČlesa senzorového držáku

TČlesa senzorĤ jsou k držáku uchycena þtveĜicí polykarbonátových šroubĤ M3×12. Distanþní prvkem mezi základnou senzorĤ a pertinaxovým držákem (pĜesah vinutí snímací cívky) tvoĜí 24 upravených izolaþních prĤchodek pro tranzistory TO−3. Úprava viz obr.: 3.8.

Obr.: 3.8 Detail úpravy izolaþních prĤchodek (pĜevzato, upraveno z [35]) Pozn.: PĜi odĜezávání tenkým nožem je vhodné prĤchodku nasunout na šroub M3 z dĤvodu možné deformace.

21


Cívkové vodiþe jsou pĜipájeny k rozvodné desce (univerzální pl. spoj) sloužící k sériovému propojení jednotlivých budicích vinutí. PĜívodní vodiþe jsou realizovány dvojicí dvoužilových koaxiálních kabelĤ pro audio úþely. Propojení viz obr.: 3.9, celá sestava viz obr.: 3.10. PĜívodní vodiþe senzorové hlavy jsou opatĜeny dvojitou lámací lištou s 2×4 piny.

Obr.: 3.9 Schéma propojení senzorĤ s pinovým konektorem

Obr.: 3.10 Detail senzorové hlavy (popisek smČru vektorĤ X, Y, Z totožný s obr.: 2.17)

3.2. Návrh elektroniky Jednou z ideje zvýšení radiaþní odolnosti elektroniky magnetometru se stala minimalizace poþtu polovodiþĤ motivovaná snížením pravdČpodobnosti selhání menšího poþtu komponent (využití souþástek s nižší integrací a diskrétních souþástek). Dle [2, s. 145-149] je pro MOS struktury navíc významná velikost pĜiloženého napČtí.

Architekturu magnetometru lze rozdČlit do tĜí hlavních blokĤ (kap.: 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3), realizujících napájení budicích vinutí senzorĤ, dále analogové zpracování signálu ze snímacích vinutí a digitalizaþní jednotku obsahující analogovČ digitální pĜevodníky, vþetnČ mikrokontroléru a rozhraní RS−422.

22


3.2.1. Excitaþní jednotka Budící vinutí fluxgate senzorĤ je zapotĜebí napájet stĜídavým proudem se stĜídou 1:1 (zmČna stĜídy by mČla za následek stejnosmČrný offset na analogovém výstupu magnetometru i pĜi nulovém vnČjším magnetickém poli). K tomuto úþelu byl použit krystalový oscilátor (pĜevzato z [30]) realizovaný jedním tranzistorem NPN 2N2222A (T1), Ĝízený pomocí „hodinkového“ krystalu o f = 32,768 kHz. Výstupní amplituda kmitĤ na kolektoru T1 se pohybuje v Ĝádu stovek mV, s offsetem okolo 1,2 V (závisí na hFE tranzistoru). StĜída výstupního kmitoþtu dosahuje pĜibližnČ 1:2 a nelze ji proto použít pĜímo napĜ. pro Ĝízení synchronního detektoru. Vhodnou úpravu na pĜesnou stĜídu 1:1 provádí klopný obvod typu D zapojený jako dČliþka dvČma (viz obr. 3.1, IC1A). Obvod HCF4042B zároveĖ dramaticky pĜispívá ke snížení doby nábČžné a sestupné hrany signálu, což je pĜíznivé pro Ĝízení výstupního H-mĤstku. Rychlé hrany budícího signálu vytváĜející proudové rázy v napájecí vČtvi implikují vznik širokopásmového šumu. Z tohoto dĤvodu je nutné obvod IC2 opatĜit blokovacími kondenzátory C9, C10, C54.

Hodinový signál je nejprve nutné vhodným limiterem upravit na log. úrovnČ CMOS. Dle výsledkĤ radiaþního testu [31] dochází k poklesu zesílení tranzistoru 2N2222A z cca hFE = 220 na 50 a ménČ pĜi dávce 100 krad. BČhem testu [31, s. 18] byla báze tranzistoru uzemnČna a tak se degradace zesilovacího þinitele mĤže v této aplikaci znaþnČ lišit. Dobré výsledky s dostateþnou rezervou zesílení dává dvojitá kaskáda zesilovaþĤ v zapojení SE (T2, T3). Pokles zesílení v prĤbČhu radiaþního testování, stejnČ jako eventuální posun pracovních bodĤ v závislosti na teplotČ, kompenzuje tzv. mĤstková stabilizace pracovního bodu realizovaná rezistory R4, R5, R6, R7 resp. R8, R9, R10, R11. Ke zvýšení zesílení jednotlivých blokĤ jsou v emitorech vĤþi zemi zaĜazeny blokovací kondenzátory C5 resp. C6 s kapacitou 100 uF. Projevem nabíjení kapacit je zpoždČný nábČh oscilací na výstupu limiteru (kolektor T3) v Ĝádu sekund, odpovídající þasové konstantČ τ ≈ R5⋅C5 = R9⋅C6 = 10000⋅0,0001 = 1 s. Jednotlivé stupnČ jsou provázány slabou resp. silnou kapacitní vazbou (C3 resp. C4). Kapacita kondenzátoru C3 je nízká z dĤvodĤ malého zatlumení oscilátoru. Hodnoty rezistorĤ nejsou vzhledem k pĜedpokládané silné deviaci zesilovacích þinitelĤ tranzistorĤ kritické, proto byl návrh mĤstkové stabilizace proveden pĜibližnou empirickou metodou desetinásobku, tj. RC = 10⋅RE, pĜi RE zvoleno 1 kΩ a proud vČtví RB1, RB2 je uvažován 10⋅IB, pĜi hFE = 200.

23


Na výstupu Q obvodu IC1A je vyveden hodinový signál pro úþely synchronní detekce o kmitoþtu 16,384 kHz. Blok IC1B realizuje dČlení signálu 2f dvČma pro buzení základním kmitoþtem, tj. f0 = 8,192 kHz. K napájení budicích vinutí senzorĤ slouží H-mĤstek realizovaný obvodem ADG713. ýtyĜnásobný analogový spínaþ má dva invertující a dva neinvertující vstupy, které lze propojením s výhodou použít k samotnému Ĝízení mĤstku. Vložení invertoru by znamenalo zvČtšení propagaþní doby signálu mezi sepnutím dvojic 1−4 a 2−3, þímž se poruší stĜída 1:1 a vČtvemi by v pĜípadČ pĜekrývání þasových prĤbČhĤ mohl téci tzv. „shooting-through“ proud, což by vedlo ke zvýšení odbČru celého zapojení. Obvod zároveĖ redukuje poþet integrovaných obvodĤ/komponent (zvýšení spolehlivosti).

Proudový charakter zdroje napájení budicích cívek je tvoĜen omezovacím rezistorem R12 a kondenzátorem C11 plnící funkci oddČlovaþe stejnosmČrné složky. Kompletní schéma excitaþní jednotky je uvedeno na obr.: 3.11. Napájecí proud pro budicí vinutí senzorĤ dosahuje cca 460 mA špiþkové hodnoty viz obr.: 3.12.

Možnost aplikace použitých souþástek vychází z dat o rad. testech obvodĤ ADG713 [32] a 2N2222A [31]. Obvod HCF4013B je zastoupen v seznamu preferovaných komponent na rozdíl napĜ. od integrovaného oscilátoru a þítaþe/dČliþky CMOS 4060 (viz [33] nebo [34]). Zapojení vyhovuje svými rozmČry 38×25 mm a odbČrem 25 mA @ 5 V pĜi zatížení senzory.

Obr.: 3.11 Schéma zapojení excitaþní jednotky magnetometru

24


Obr.: 3.12 PrĤbČh excitaþního proudu

PĜi oživování excitaþní jednotky se ukázalo, že k nasazení oscilací není vhodný krystal MS1V-T1K fy. MICRO CRYSTAL. Jde patrnČ o nevhodné impedanþní pomČry krystalu, které nezavedou kladnou zpČtnou vazbu nutnou pro oscilace. K funkci došlo až se zvČtšením R1 a R2 pĜibližnČ tĜikrát, což zvýšilo dobu nábČhu oscilací (≈ 20 s) a snížilo stabilitu obvodu. Proto byl krystal zamČnČn za bČžnČ dostupný „hodinkový“ typ fy. IQD Frequency Products.

3.2.2. Analogové obvody zpracování signálu Zpracování signálu probíhá synchronní detekcí na dvojnásobku budicího kmitoþtu v zapojení s kompenzaþní režimem. Bližší pĜedstavu utvoĜí blokové schéma na obr. 3.13

Obr.: 3.13 Blokové schéma zpracování signálu z jedné feromagnetické sondy

25


Snímací cívka feromagnetické sondy je zapojená do paralelního rezonanþního obvodu s kondenzátorem C20, vyladČného ke zvýšení amplitudy druhé harmonické složky základního budicího kmitoþtu f0. Fázový posuv mezi f0 a 2f je kompenzován snížením kapacity z pĤvodních 33 nF (v rezonanci) na 15 nF. PrĤbČh získaného signálu viz kap.: 4, obr.: 4.5. Vzhledem k dostupnosti zdroje referenþního napČtí AD584 s UVYST = 2,500 V a volbČ jednoho spoleþného napájecího napČtí UCC = 5 V byla zvolena uvedená napČĢová reference za nulovou referenþní hodnotu. StejnosmČrná složka signálu na svorce X-COIL je nejprve oddČlena kapacitní vazbou C56. Paralelní rezonanþní obvod je dále zatlumen rezistorem R15 a poté pĜiveden na neinvertující vstup operaþního zesilovaþe IC3A, zapojeného jako napČĢový sledovaþ. Bez zavedené stejnosmČrné zpČtnovazební kompenzace je díky poþtu závitĤ NSENS amplituda signálu ze senzoru dostateþná (pĜibližnČ UX-COIL ≈ ± 1,6 V v maximu zemského mag. pole ≈ ± 48 μT, vĤþi referenci UREF = 2,5 V). Funkci synchronního detektoru plní dvojice analogových spínaþĤ ADG713, opČt s využitím invertovaného a neinvertovaného spínacího vstupu. Zbylé spínaþe obvodu IC9 jsou ponechány nezapojené z dĤvodĤ omezení pĜípadných mezikanálových pĜeslechĤ. Fázový invertor realizuje druhá polovina OZ IC3B, zapojená jako invertující zesilovaþ s AU = − 1. FázovČ citlivý usmČrĖovaþ následuje pasivní dolnofrekvenþní filtr R18, C18 se zlomovým kmitoþtem fZ = (2 ⋅ π ⋅ R18 ⋅ C18)−1 = 159,2 Hz. PĤvodní koncepce poþítající s aktivním filtrem typu Sallen-Key nebyla realizována z dĤvodu minimalizace poþtu OZ. Výstupním aktivním prvkem je integraþní zesilovaþ IC4A, se zlomovým kmitoþtem fZ = 159,2 Hz, jehož výstupní proud je zaveden pĜes mČĜicí boþník jako záporná zpČtná vazba kompenzující mČĜené mag. pole v senzoru. PĜi stavbČ prototypu magnetometru a testovacího senzoru se ukázalo, že maximální „source“ a „sink“ proudy obvodu TLC2262A jsou pro kompenzaci pole nedostateþné. Velikost potĜebného kompenzaþního proudu lze ve zjednodušující podobČ vypoþítat z (7),

B = μ0

NI l

(7)

jako proud potĜebný k vytvoĜení magnetického pole uvnitĜ solenoidu o intenzitČ BKOMP = 50 μT, pĜi poþtu závitĤ NSENS = 300 resp. 900 z a délce l = 30 mm. Dle (8) je v porovnání s maximálními dosažitelnými proudy (obr.: 3.14) dvouvrstvé vinutí nevhodné.

26


I 2vrstvy =

Bl 5 ⋅ 10 −5 ⋅ 0,03 = = 0,00397 A = 3,97 mA μ 0 N 2 vrstvy 4 ⋅ π ⋅ 10 −7 ⋅ 150

(8)

Obr.: 3.14 A-V charakteristiky obvodu TLC2262A (pĜevzato z [36])

Ke snížení potĜebného kompenzaþního proudu bylo zapotĜebí zvČtšit poþet závitových vrstev snímací cívky z pĤvodních dvou na šest. Výpoþet proudu šestivrstvého vinutí viz (9).

I 6 vrstev =

Bl 5 ⋅10 −5 ⋅ 0,03 = = 0,00133 A = 1,33 mA μ0 N 6vrstev 4 ⋅ π ⋅10−7 ⋅ 900

(9)

Pozn.: Výpoþet kompenzaþního proudu je v dobré shodČ s praktickým mČĜením. Vzhledem k hloubce vybrání na bocích kuprextitové základny senzoru (1,5 mm) a možným pĜesahĤm vinutí je šest vrstev maximálním možným poþtem. Sudý poþet vrstev navíc umožĖuje odvedení cívkových vodiþĤ na jedné, spoleþné stranČ senzoru.

Z obr.: 3.14 dále plyne, že maximální použitelný rozkmit výstupního signálu se v závislosti na teplotČ a degradaci bude pohybovat v pĜibližném rozmezí UVYST = 0,2 až 4,3 V. Zhoršení parametrĤ mĤže vést ke snížení maximálního rozkmitu, navíc uvedené výpoþty (8, 9) vychází z maximální intenzity zemského pole namČĜitelného bČhem testování prototypu v laboratoĜi. Skuteþný rozsah magnetometru má dosahovat hodnot 65536 μT, což vynucuje hodnotu kompenzaþního proudu vynásobit pomČrem 65,536/50 a jeho uvažovanou návrhovou hodnotu tím zvýšit na I6vrstev = 1,74 mA. Porovnáním s obr.: 3.14 je patrné, že maximální kladné napČtí na výstupu IC4A vĤþi referenþnímu þiní právČ 1,5 V. Maximální odpor mČĜicího boþníku lze tedy navrhnout dle (10):

RKOMP =

U RKOMP I KOMPMAX

=

1,5 = 860 Ω 0,00174

(10)

27


Snížení hodnoty RKOMP (R20 na obr.: 3.17) na 470 Ω je vhodným kompromisem mezi dostupností, funkþností a cenou rezistoru R20 s velmi nízkým teplotním koeficientem (± 5 ppm / °C). Pozn.: Pokud by zpČtnovazební smyþka obsahovala elektronicky pĜepínatelný boþník, mohl by magnetometr pracovat s nastavitelnou citlivostí (rozsahem). Spínací prvky typu MOSFET pĜípadnČ mechanická relé by však do mČĜeného napČtí mohly vnášet parazitní nelinearity, šum a další zkreslení. Jak již bylo zmínČno za zdroj „nulové“ referenþní hodnoty 2,5 V byla zvolena pĜesná napČĢová reference AD584SH, jejíž výstupní proud se dle obr.: 3.15 pohybuje v rozmezí ± 10 mA a menším. Schéma zapojení viz obr.: 3.16. Zdroj referenþního napČtí je spoleþný pro všechny tĜi kanály. Vzhledem k témČĜ dokonale ortogonálnímu rozložení senzorĤ mĤže maximum kompenzaþních proudĤ tekoucí z/do spoleþného referenþního zdroje nastat pouze pĜi umístČní mČĜeného vektoru do pomyslné tČlesové úhlopĜíþky krychle, tj. rozmezí dle (11), I KOMP max = ± 3 ⋅ 1,74 = − 3, 3 mA

(11)

což pĜedstavuje pĜibližnČ tĜetinu maximálního výstupního proudu referenþního zdroje.

Obr.: 3.15 I-V výstupní charakteristika obvodu AD584 (pĜevzato z [38])

Obr.: 3.16 Schéma zapojení zdroje referenþního napČtí AD584SH

28


MČronosnou veliþinu (úbytek napČtí na boþníku vyvolaný velikostí protékajícího kompenzaþního proudu) zpracovává diferenciální zesilovaþ realizovaný zbylým OZ IC4B a rezistory R21, R22, R23 a R24. Vstupní odpor diferenciálního zesilovaþe lze v porovnání s odporem boþníku zanedbat (≈ 200 kΩ). Vzhledem k maximálním úbytkĤm na rezistoru R20 dosahuje potĜebné zesílení velikosti AU ≈ 3. Maximální rozsah se vzhledem k zapojení zpČtnovazebního rezistoru R24 = 330 kΩ sníží na cca ± 60700 μT (vČtší zesílení v tomto pĜípadČ vyžaduje vČtší potĜebný rozsah rail-to-rail napČtí). Zesilovací þinitel je navíc ovlivnČn nenulovým vstupním odporem diferenciálního zesilovaþe. Magnetometr obsahuje tĜi identické obvody zpracování analogového signálu. Na obr.: 3.17 je schéma zapojení, s þíslováním prvkĤ kanálu X.

Obr.: 3.17 Schéma zapojení analogového zpracování signálu kanálu X

Dvojitý J-FET OZ TLC2262A byl vybrán dle poznatkĤ uvedených v [32] a [28]. Topologie je v souladu s idejí minimalizace komponent. Celkové rozmČry þiní 62×50 mm.

3.2.3. Digitalizaþní jednotka VČtšina magnetometrĤ pro kosmické aplikace je vybavena tĜíkanálovým analogovým výstupem proporcionálnČ úmČrným mČĜenému magnetickému poli. DĤvodem je zpravidla prezence Ĝady multiplexnČ pĜepínaných analogových vstupĤ digitalizaþních jednotek na rozhraní palubních systémĤ (AOCS). K odmČĜování daných veliþin dochází s frekvencí typ. do 10 Hz a tak lze zapojit jeden digitálnČ analogový pĜevodník spoleþnČ s nČkolika rychle pĜepínatelnými vstupy. ěada mikrokontrolérĤ navíc v sobČ ADC + MUX integruje a tak se jejich nasazení nabízí (napĜ. obvod C515C na obr. 3.18). Elektronicky ekvivalentní k magnetometrĤm bývají na stranČ AOCS také vstupní rozhraní pro sluneþní senzory (typ. vstupní rozsah 0−5 V). Nevýhodou integrovaného digitalizaþního ĜetČzce (ADC, MUX) je mj. nízké rozlišení (typ. 8−12 bitĤ), pĜípadnČ malá rychlost pĜevodu/pĜepínání kanálĤ.

29


OpatĜení magnetometru digitalizaþní jednotkou na jediné DPS je motivováno pĜedevším ovČĜením vlastností a studiem chování digitálních obvodĤ (mikrokontrolér, AD pĜevodník, nevolatilní pamČĢ programu, klopné obvody, bipolární tranzistory) v prĤbČhu ozaĜování, dále snížením externího rušení analogovým vedením a navíc z hlediska výkonu uvažovaného palubního poþítaþe lze Ĝídicí program magnetometru rozšíĜit o výpoþet/pĜepoþet dat (využití pĜebyteþného výpoþetního výkonu).

Obr.: 3.18 Kompletní AODCS satelitu SNAP-1 (na obrázku: vpravo nahoĜe magnetometr Billingsley, pod ním reakþní kolo fy. SSTL, dole tĜi elektromagnetické torzní tyþe fy. SSTL a vlevo nahoĜe Ĝídicí elektronika s integrovaným pĜijímaþem GPS, mikrokontrolérem C515C a externí pamČtí programu), (pĜevzato z [39])

Digitalizaþní ĜetČzec magnetometru je tvoĜen vstupním oddČlovacím filtrem, analogovČ digitálním pĜevodníkem viz obr.: 3.19, mikrokontrolérem s externí pamČtí programu viz obr.: 3.20 a konvertorem rozhraní TTL/RS−422 na obr.: 3.21.

Obr.: 3.19 Schéma zapojení analogovČ-digitálního pĜevodníku CS5508 kanálu X

30


K vlastní digitalizaci analogového signálu je použita trojice 20 bitových Σ−Δ pĜevodníkĤ CS5508 se vzorkovací rychlostí 20 sps. ýasování obvodĤ probíhá buć externím krystalem nebo propojením nČkolika slave pĜevodníkĤ s jedním master obvodem realizujícím þasovou základnu. Z dĤvodĤ zvýšení spolehlivosti byly obvody zapojeny vždy s vlastními krystaly. V prĤbČhu radiaþního testu bylo poþítáno se vzdáleným mČĜením analogového signálu (odebíraného z odboþky na JP1 – pro kanál X). K zamezení možného zatížení analogového signálu vstupní impedancí pĜevodníku pĜi degradaci slouží oddČlovací rezistor 10 kΩ R26. Ke snížení hladiny šumu byly experimentálnČ pĜipojeny kondenzátory 1 μF velikosti SMD 1210 pĜímo k pinĤm 8 a 10. Vstupní RC filtr (R25, C17 na obr.: 3.19) je pro kanál X experimentálnČ realizován hodnotami 1 kΩ + 100 nF, kanál Y 10 kΩ + 360 nF a pro Z 10 kΩ + 100 nF. PĜevodník pracuje v bipolárním režimu s externím zdrojem referenþního napČtí (spoleþný pro analogovou elektroniku magnetometru) a jedním zdrojem napájecího napČtí 5 V s pĜedĜadnými filtry L1, C81, C82 resp. R76, C79, C80 v pĜípadČ napájení a R87, C88, resp. R77, C87 v pĜípadČ vstupĤ referenþního napČtí. Konverzi dat a Ĝízení datové výmČny (ADC⇔MCU, MCU⇔RS-422) zajišĢuje osmibitový ROM-less mikrokontrolér DS80C323 fy. Maxim/Dallas, klon rodiny 8051 s dvČma plnČ duplexními sériovými porty UART, 4 resp. 12 hodinovými cykly na jeden strojový, integrovaným WDT a rozsahem napájecího napČtí 2,7−5,5 V. Externí pamČĢ programu je pĜipojena standardním zpĤsobem k branám P0/P2 multiplexovanou adresní a datovou sbČrnicí. Adresní záchytný obvod (latch) je tvoĜen dvČma obvody HCF4042B (þtyĜnásobné KO-D) pĜedstavující náhradu za obvody Ĝady 74HCT573 aj., které nejsou souþástí seznamu preferovaných komponent ESA, pĜípadnČ nejsou dostupné. Taktovací kmitoþet mikrokontroléru je Ĝízen krystalem o f = 1,8432 MHz, což pĜedstavuje výpoþetní výkon 0,15 resp. 0,46 MIPS, v závislosti na nastaveném dČlicím pomČru, pĜi odbČru cca 2,5 mA @ 3 V, viz obr.: 3.20. Celkové rozmČry digitalizaþní jednotky þiní 80×56 mm.

Obr.: 3.20 Závislost odbČru DS80C323 na taktovacím kmitoþtu (pĜevzato z [40])

31


Prevenci proti nárĤstu napájecího proudu mikrokontroléru a externí pamČti programu tvoĜí omezovací rezistory R55 a R56. Nízké napájecí napČtí mĤže vést k vČtší radiaþní odolnosti neboĢ s narĤstajícím proudem dochází ke snižování napájecího napČtí (funkce záporné zpČtné vazby). Rezistory mohou také napomoci proti SEL efektu (sepnutí umČlé tyristorové struktury), pro kterou je urþující velikost pĜiloženého napČtí a pĜídržného proudu. V zapojení na obr.: 3.21 odpovídají vstupní proudy a pĜiložená napČtí hodnotám uvedeným v tab.: 3-1. Tab.: 3-1 Výpis pĜiložených napČtí a vstupních proudĤ, v podmínkách bez ozáĜení 0&8 (3520/DWFK

1DSčWt 9 9

3URXG P$ P$

Resetování mikrokontroléru je po prvním zapnutí provedeno externím resetovacím RC obvodem ve spolupráci s vnitĜní resetovací logikou. Poté je další eventuální resetování provádČno pomocí interního watch-dog þasovaþe.

Obr.: 3.21 Schéma zapojení mikrokontroléru a externí pamČti programu

32


Komunikaþní rozhraní je realizováno konvertorem sbČrnice RS−422 (obr.: 3.22) na úrovnČ TTL prostĜednictvím šestice bipolárních tranzistorĤ 2N2222A. Diferenciální vysílaþ tvoĜí dvojice tranzistorĤ T6, T7 zapojených ve funkci dvojitého invertoru, spoleþnČ s kolektorovou zátČží R64, R65 umožĖující dodržení parametrĤ RS−422 (min. rozkmit ± 200 mV @ 120 Ω). Odpor rezistorĤ je kompromisem mezi trvalým odbČrem vysílaþe (≈ 7 mA) a minimálním dodaným výstupním proudem. PĜijímaþ tvoĜí klasický diferenciální stupeĖ T8, T9 s proudovým zrcadlem T10, T11. Konvertor pro svou funkci vyžaduje zemní vodiþ.

Obr.: 3.22 Schéma zapojení konvertoru pro rozhraní TTL/RS-422

Až dvojnásobné zvýšení doby životnosti bylo motivací k návrhu tzv. „cold-redundantního systému“, tj. zdvojených elektricky ekvivalentních obvodĤ. Uvažovaný princip automatického pĜepínání napájení je Ĝízen rĤstem napájecího proudu, tj. poklesem napČtí ve sledovaných bodech (napájení pamČti/mikrokontroléru). Zapojení vychází z bistabilního klopného obvodu realizovaného pomocí P-MOSFETĤ, z dĤvodĤ nízkého úbytku napČtí UDS a napČĢového Ĝízení (IGS → 0 A). K pĜeklopení dochází pĜi poklesu napČtí UGS tranzistoru T5 na velikost prahového napČtí [41]. Aby k pĜepnutí nedošlo až pĜi velmi nízkém napájecím napČtí MCU/EPROM, je rozhodovací úroveĖ snížena dČliþem R59, R60. ZpČtnému pĜeklopení brání zapojení gate elektrod (pĜed/za omezovací rezistory R56, R58). Z uvedeného plyne, že navrhované Ĝešení lze parametrizovat pro široký rozsah napájecích proudĤ a napČtí až do UGSMAX (typ. |15−20| V). NapČtí ve vypnuté vČtvi je velmi blízké 0 V a tak þiní vypnutý obvod odolnČjším vĤþi radiaci v závislosti na dobČ expozice. Navrhované Ĝešení vþetnČ diodové logiky pro spoleþné Ĝízení analogovČ digitálních pĜevodníkĤ je uvedeno na obr.: 3.23. Obvod byl vzhledem k rozmČrĤm úspČšnČ odzkoušen pouze jako prototyp bez pĜipojených ADC. Alternativou k pĜepínacímu obvodu mohou být bipolární relé Ĝízené nadĜazeným systémem (napĜ. tzv. „ASM“ – AOCS Safety Module).

33


Obr.: 3.23 Schéma zapojení cold-redundantního systému mikrokontrolérĤ s periferiemi

34


3.3. Deska plošných spojĤ Svými vnČjšími rozmČry 90,2×95,9 mm a rozmístČním otvorĤ vychází plošný spoj z formátu PC/104 (používaný v projektech typu CubeSat). Je realizován jako þtyĜvrstvý s tloušĢkou základního materiálu FR4 1,2 mm a mČdČným plátováním tloušĢky 35 μm za použití 6. konstrukþní tĜídy a nepájivé masky s prokovením napĜíþ všemi vrstvami. Vrstvy jsou rozdČleny na: vrchní (TOP), zemnící (GND), napájecí (VCC) a spodní (BOTTOM). Souþástky jsou osazeny z jedné, horní (TOP) strany. Jednotlivé funkþní celky tvoĜí vodivé ostrovy jejichž pĜebyteþné plochy jsou vyplnČny mČdí reprezentující tĜi vrstvy se zemním potenciálem, jednu s napájecím (5 V). Návrh byl proveden v prostĜedí EAGLE 5.1.0. Rozložení komponent ilustruje obr.: 3.24.

Obr.: 3.24 Ilustraþní rozložení komponent na desce plošných spojĤ (vyobrazeny pouze vrstvy TOP - þervenČ, BOTTOM - modĜe), linie vprostĜed DPS dČlí napájení na digitální (nahoĜe) a analogové (dole)

3.4. ěídicí firmware Komunikaþní sbČrnice mezi MCU a ADC má paralelnČ propojené vývody pro spouštČní konverze (CONV) a kalibrace (CAL). Adresace probíhá pomocí samostatných signálĤ Chip Select (CS) pro jednotlivé obvody X, Y, Z, z þehož plyne, že je možné provádČt mČĜení ve stejný okamžik, zápisem datového slova na sbČrnici (nedochází ke zpoždČnému odmČĜování). PĜevodníky signalizují ukonþení pĜevodu a platná data signálem /DRDY.

35


ýinnost mikrokontroléru ilustruje vývojový diagram na obr.: 3.25. Po resetu se inicializuje watch-dog þasovaþ s dobou pĜeteþení ≈ 1757 ms. K jeho nulování dochází vždy pĜed a po þasovČ nároþnČjších operacích jako odesílání znakĤ datového ĜetČzce (není zahrnuto ve vývojovém diagramu). Následuje inicializace sériového rozhraní, spojená s odesláním informativního textu ve znČní: ↵ Fluxgate Magnetometer for Satellite Attitude Control (c) Jaroslav Laifr, CTU FEE, 2010↵ Measure [M]↵ Calibrate [C] ↵ Info [I] ↵ Watchdog test [W] ↵ Konec výpisu textové nabídky uvozuje inicializaci ADC (kalibrace, nastavení Ĝídicích pinĤ brány P1, P3). Vykonávání pĜíkazĤ je rozvČtveno dle rozpoznávání pĜijatých znakĤ. PĜíjem znaku „C“ nebo „c“ vyvolá spuštČní interní kalibrace AD pĜevodníkĤ v poĜadí: X, Y, Z, ukonþené textovou informací: ↵ Calibration done. ↵

PĜijetím znakĤ „I“ nebo „i“ dochází k novému výpisu nabídky. PĜíkaz reprezentovaný znakem „W“, pĜíp. „w“ spustí podprogram provádČjící nekoneþnou smyþku uvozenou textem ↵ Watchdog test in progress. ↵

a ilustrativním výpisem znaku „.“. Po pĜeteþení WDT dojde k resetu programu a novému výpisu nabídky, þímž se ovČĜí funkþnost automatického resetu. PĜíjem znaku „M“ vyvolá spuštČní podprogramu pro konverzi napČtí/data. PĜed samotným startem odmČĜování je naplnČno pĜedpĜipravené pole devíti bajtĤ (datový paket, tj. 3⋅24 bitĤ), hodnotami viz tab.: 3−2 (detekcí pĜíjmu lze odhalit dysfunkci ADC).

36


Tab.: 3-2 PĜeddefinovaný datový rámec .DQiO

;

<

=

1i]HYEDMWX

;

;

;

<

<

<

=

=

=

2EVDK

[&

[

[

[&

[

[

[&

[

[

Mikrokontrolér poté provede start konverze na všech tĜech kanálech, uvozené aktivací a následnou deaktivací obvodĤ signály X-/CS, Y-/CS, Z-/CS. Výhodou obvodu CS5508 je asynchronní výstup signálu /DRDY, signalizující ukonþení konverze i v pĜípadČ, že obvod není aktivován signálem /CS.

Program sekvenþnČ kontroluje zda došlo k aktivaci jednotlivých signálĤ X-/DRDY, Y-/DRDY, Z-/DRDY (ukonþení konverze), pĜiþemž z pĜíslušných kanálĤ vyþte platná data (prostĜednictvím sdílené sériové sbČrnice a adresováním signály /CS). Smyþka je ukonþena v pĜípadČ vyþtení dat ze všech tĜí ADC (rozpoznáno dle interních pĜíznakových bitĤ X_flag, Y_flag, Z_flag) nebo vypršením stanoveného þasu (timeout). PĜi vyþtení dojde k pĜepsání všech 24 bitĤ v rámci odpovídajícího kanálu v datovém paketu, což pĜedstavuje princip kontroly funkþnosti jednotlivých obvodĤ CS5508 (nefunkþní kanál se projeví odesíláním nepozmČnČné sekvence 0xC0, 0x00, 0x00). Vyþítání datového zásobníku ADC je provádČno softwarovou implementací SPI sbČrnice. Formát datového paketu odesílaného prostĜednictvím rozhraní UART, vþetnČ znázornČní významnosti jednotlivých bitĤ, je uveden v tab.: 3-3. Vysílání probíhá v poĜadí X0, X1,…, s parametry pĜenosu 9600−n−8−1. Tab.: 3-3 Formát datového rámce s platnými daty .DQiO 1i]HYEDMWX )RUPiW

; X0 (MSB) 1916

X1 15−8

Y X2 7−0 (LSB)

Y0 (MSB) 19−16

Y1 15−8

Z Y2 7−0 (LSB)

Z0 (MSB) 19−16

Z1 15−8

Z2 7−0 (LSB)

ěídicí program magnetometru tedy poskytuje data z mČĜení na základČ dotazu (solicited data). VnitĜní þasování automatického periodického mČĜení a odesílání dat (unsolicited data) není implementováno. Jedním z navrhovaných Ĝešení vedoucí ke zvýšení doby životnosti mikropoþítaþe (ztráta dat z bunČk pamČti EPROM) je nakopírování strojového kódu uloženého v externí pamČti od adresy 0x0000 do dalších celistvých blokĤ adres, které by bylo možné hardwarovČ mČnit (vícestavové klopné obvody z diskrétních tranzistorĤ) pĜímo, externími adresními vodiþi, na základČ resetování externího HW WDT. Do pamČti programu M27C256B−12F1, o kapacitČ 32 kB, lze program zkopírovat až 16−krát. Idea nebyla v praxi realizována.

37


Obr.: 3.25 Vývojový digram Ĝídicího programu

38


0ďĢHQtSDUDPHWUĪPDJQHWRPHWUX Vzhledem k celkové þasové nároþnosti a vhodnému termínu testování byly zmČĜeny

a urþeny parametry, které shrnuje tab.: 4−1. Tab.: 4-1 Parametry elektroniky magnetometru 3DUDPHWU +RGQRWD =SĥVREXUÿHQt 1DSiMHFtQDSčWt 9 9VWXSQtSURXG P$ '0087$ 3ĝtNRQ P: 3ĝHQRVRYiU\FKORVW ESV &LWOLYRVWNRQVWDQWDSĝHYRGX 97 YL] 2IIVHWNDQiOX; P9 +3$ 2IIVHWNDQiOX< P9 +3$ 2IIVHWNDQiOX= P9 +3$ ãXPNDQiOX; P9506Q7506 GDWDQDPčĝHQDPDJQHWRPHWUHPYL]REU ãXPNDQiOX;#+] S7506√ √+] $JLOHQW$VSHNWUXPYL]REU $PSOLWXGDäXPXNDQiOX< P9506Q7506 GDWDQDPčĝHQDPDJQHWRPHWUHPYL]REU ãXPNDQiOX<#+] S7506√ √+] $JLOHQW$VSHNWUXPYL]REU $PSOLWXGDäXPXNDQiOX= P9506Q7506 GDWDQDPčĝHQDPDJQHWRPHWUHPYL]REU %XGLFtNPLWRÿHW N+] 5R]OLäHQt$'& ELWĥ YL] REU

Dle maximálního rozkmitu výstupního napČtí a maximální navrhované intenzity magnetického pole je urþena konstanta pĜevodu. Výpoþet (12) velmi dobĜe souhlasí s namČĜenými hodnotami (kap.: 7.4). kp =

U výstMAX BMAX

=

± 2,5 ± 60,7 ⋅10

−6

= 41186 VT −1

(12)

K urþení amplitud šumu magnetometru bylo použito dat namČĜených digitalizaþní jednotkou magnetometru (viz obr.: 4.7). Spektra signálĤ analogových výstupĤ kanálĤ X a Y s rozdílnými zlomovými kmitoþty RC filtrĤ fpx = (2⋅π⋅103⋅10−7)−1 = 1591,5 Hz a fpy = (2⋅π⋅104⋅3,6⋅10−7)−1 = 44,2 Hz byla poĜízena spektrálním analyzátorem Agilent 35670A. Za signálovou zem byl použit výstup zdroje referenþního napČtí 2,500 V. Výpoþet RMS hodnoty šumu jednotlivých kanálĤ byl proveden dle vztahu (13).

u RMS =

u12 + u12 + + un2 n

(13)

Vstupní a výstupní signál synchronního detektoru kanálu X je uveden na obr.: 4.5, 4.6, ze kterých je mezi budicím kmitoþtem f0 a kmitoþtem 2f patrný fázový posuv φ ≈ 25°.

39


Obr.: 4.1 Šum analogového výstupu kanálu X (senzory umístČny v mag. stínČní), R = 1 kΩ, C =100 nF

Obr.: 4.2 Ilustrace potlaþení druhé harmonické složky kanálu X (senzory umístČny v mag. stínČní) – marker nastaven na ~2f

40


Obr.: 4.3 Šum analogového výstupu kanálu Y (senzory umístČny v mag. stínČní), R = 10 kΩ, C =360 nF

Obr.: 4.4 Spektrum analogového výstupu kanálu Y (senzory umístČny v mag. stínČní) – marker nastaven na ~ f0

41


Obr.: 4.5 Signál na vstupu (žlutá) a výstupu (fialová) synchronního detektoru kanálu X (senzory v mag. stínČní), obvod bez zpČtné vazby (bez kompenzaþního režimu)

Obr.: 4.6 Signál na vstupu (žlutá) a výstupu (fialová) synchronního detektoru kanálu X (osa senzoru X umístČna souhlasnČ s vektorem zemského pole vnČ mag. stínČní), obvod bez zpČtné vazby (bez kompenzaþního režimu)

42


Obr.: 4.7 Šum analogového výstupu složek X, Y, Z v þasové oblasti (senzory umístČny v mag. stínČní)

43


Obr.: 4.8 Šum napČĢové reference mČĜený digitalizaþní jednotkou magnetometru 1 (bez analogové jednotky)

Rozlišení analogovČ digitálního pĜevodníku magnetometru dle výrobce [49, s. 3] þiní 20−2,6LSBšum = 17,4 bitĤ. Obr.: 4.8 pĜedstavuje soubor hodnot namČĜených elektronikou magnetometru 1, která obsahuje pouze digitalizaþní jednotku. PĜi mČĜení byl pin analogového vstupu kanálu X propojen krátkou spojkou s pinem výstupu referenþního zdroje 2,500 V. Dle (13) byla prostĜednictvím skriptu v prostĜedí MATLAB urþena RMS hodnota šumu, která þiní URMSšum = 3,5823⋅10−5 VRMS, což pĜi maximálním uvažovaném vstupním napČtí pĜevodníku UINmax = 5 V pĜedstavuje rozlišitelnost r úrovní dle (14): r=

U IN max 5 = = 139570 úrovní U RMSšum 3,5823 ⋅10-5

(14)

poþet bitĤ lze potom urþit ze vztahu (15) dosazením do (16) a úpravou (17), 2 n = 139570

(15)

n ⋅ log(2) = log(139570)

(16)

n=

log(139570 ) = 17,09 bitĤ log(2 )

(17)

výsledná hodnota rozlišení se tedy velmi blíží rozlišení deklarovanému výrobcem.

44


1DSiMHFt]GURM Navržená elektronika magnetometru pĜedpokládá externí zdroj napájení 5 V, který je

obvykle na palubČ malého satelitu k dispozici. Pro vČtší univerzálnost a vyšetĜení možností napájení ze stejnosmČrné (avionické) palubní sítČ (typ. 28 VDC) bylo pĜistoupeno k realizaci spínaného zdroje z diskrétních souþástek. KomerþnČ vyrábČné lineární stabilizátory Ĝady 78XX a ekvivalentní nejsou souþástí seznamu preferovaných komponent ESA. Konstrukce zdroje je experimentem v prĤzkumu možností využití univerzálních bipolárních tranzistorĤ v obvodech s napČtím ĜádovČ desítek V. Elektrické schéma vychází z [50]. Zenerova dioda plnící v originálním obvodu funkci stabilizátoru referenþního napČtí byla nahrazena dvojicí PNP tranzistorĤ 2N2907A (Q1, Q2) v zapojení zdroje proudu, který napájí rezistor 10,3 kΩ na nČmž vzniká stabilizovaný úbytek napČtí vĤþi napájecí zemi (cca 5,9 V). Stabilizaþní obvod má nižší odbČr (∼ 0,7 mA) než obdobné zapojení se zenerovou diodou, kde ke stabilizaci napČtí dochází použitelnČ od IZ ~ 1,5 mA a více. ExperimentálnČ bylo zjištČno, že takový obvod vykazuje nižší þinitel stabilizace (vyšší zmČny Ustab spojené se zmČnami vstupního napČtí) než obvod s proudovým zdrojem (± 0,4 VOUT v rozsahu 15−32 VIN). Výkonovým prvkem klasické „step-down“ topologie spínaného zdroje je PNP tranzistor Q4 typu 2N2905A (pouzdro TO−39). Spínací kmitoþet dosahuje cca 65 kHz viz obr.: 5.2. DĤležitá stejnosmČrná napČtí bez zavedené zpČtné vazby kondenzátorem C3 (kmitání) ilustruje schéma na obr.: 5.1. Simulace byla provedena v prostĜedí NI Multisim 10.

Obr.: 5.1 Simulaþní schéma spínaného zdroje v lineárním režimu

Napájecí vČtev 30 V je opatĜena rychlou pojistkou 315 mA chránící zdroj pĜed nárĤstem proudu pĜi snižujících se zesilovacích þinitelích tranzistorĤ a vstupním filtrem (L1, C5 – obr.: 5.3). Výstupní napČtí je filtrováno obvodem L3, C8 a pro úþely mČĜení interním analogovČ digitálním pĜevodníkem mikrokontroléru HC12 sníženo odporovým dČliþem 1:10.

45


Výstupní dČliþ tvoĜí ochranu mikrokontroléru proti pĜípadnému nárĤstu výstupního napČtí UOUT (zkrat/snížení odporu pĜechodu C-E tranzistoru Q4) až na úroveĖ UIN tj. 30 V.

Obr.: 5.2 PrĤbČhy napČtí na spínacím (zelenČ) a Ĝídicím (þervenČ) tranzistoru - simulace

Výstupní zvlnČní dosahuje hodnoty 200 mVPP s frekvencí 145 Hz. Úþinnost η zdroje na obr.: 5.3 pĜi vstupním napČtí 30 V a zatížení rezistorem 100 Ω lze urþit ze vztahu (18) dosazením namČĜeného vstupního proudu IIN = 16,0 mA:

η=

POUT U OUT ⋅ I OUT 5,2 ⋅ 0,052 0,2704 = = = = 0,54 → 54 % 30 ⋅ 0,016 0, 498 PIN U IN ⋅ I IN

(18)

Obr.: 5.3 Schéma zapojení spínaného napájecího zdroje 30 V-5 V / 50 mA se vstupním a výstupním filtrem

46


7HVWRYDFt]DĢt]HQt'DWD/RJJHU SpotĜeba, zálohovatelnost, rozmČry, doba potĜebná k instalaci zaĜízení i možné riziko

ohrožení elektroniky PC bČhem radiaþního testu v prostĜedí ozaĜovny byly motivací pro stavbu pĜenosného datového záznamníku plnícího funkci nadĜazeného systému (palubního poþítaþe satelitu). Záznamník po spuštČní automaticky odesílá dotazy a pĜijímá odpovČdi, které ukládá do interní pamČti pro pozdČjší vyhodnocení prostĜednictvím programu v PC. KromČ digitálního pĜíjmu namČĜených hodnot z testovaných systémĤ provádí Data Logger mČĜení analogových výstupĤ z magnetometru vnitĜní digitalizaþní jednotkou (napĜ. pro kanál X - JP1, viz schéma na obr.: 3.18), což by v pĜípadČ použití PC ke sbČru dat vyžadovalo nákladnou mČĜicí kartu, která by byla vystavena potenciálnímu nebezpeþí od radiaþního pozadí. PĜídavné analogové mČĜení je motivováno domnČnkou, že selhání digitalizaþní jednotky magnetometru nastane pĜi ozaĜování dĜíve, než selhání analogové þásti.

6.1. Návrh elektroniky VnitĜní uspoĜádání záznamníku je uvedeno na obr.: 6.1, ze kterého plyne, že hlavními þástmi jsou dva Ĝídicí mikrokontroléry, nevolatilní pamČti typu Flash, pĜevodníky sbČrnic RS−422/TTL, analogovČ-digitální pĜevodník, vstupní napČĢové sledovaþe a proudový zdroj s analogovými pĜepínaþi, sloužící k buzení testovacích Helmholtzových cívek [52] (kruhový prĤmČr, 4 vinutí, pomČr závitĤ 9:4:4:9, 1,8 μT/mA, senzorová hlava umístČna uvnitĜ, osa X kolmo k ose pole, Y a Z pod úhlem ∼ 45°).

Obr.: 6.1 Blokové schéma Data Loggeru

47


Z finanþních a þasových dĤvodĤ bylo pĜistoupeno k osazení a oživení dvou pĜedpĜipravených identických desek plošných spojĤ s footprinty pro mikrokontrolér ATmega1280 a externí pamČĢ NAND Flash typu HY27US081G1M o kapacitČ 1 Gbit, s paralelní multiplexovanou datovou a adresní sbČrnicí a obvod DataFlash AT45DB321D o kapacitČ 32 Mbit, se sériovou sbČrnicí typu SPI. Na každou z desek byl osazen jiný typ pamČti, což pĜineslo znaþný rozdíl v jejich uplatnČní. Ke snížení pravdČpodobnosti selhání záznamového systému bČhem týdenního trvání testu bez možnosti dohledu bylo použito dvou pamČĢových

desek,

aþkoliv

každá

byla

pĜipojena

k jinému

typu

experimentu.

S jednodeskovým systémem by mohlo dojít k totálnímu nezdaru experimentu. PamČti jsou rozdílné z dĤvodĤ jejich dostupnosti v dobČ vývoje elektroniky záznamníku. Schéma zapojení pamČtí Flash uvedené na obr.: 6.2 koresponduje s popisem vývodĤ uvedeným na obr. 6.3.

Obr.: 6.2 Schéma zapojení pamČtí Flash

Tab.: 6-1 Formát ukládání dat do NAND Flash %\WH

9ë]QDP

%\WH

9ë]QDP

!;'DWD/RJJHU/6%

06%<'DWD/RJJHU/6%

06%=/6%

06%!

06%;/6%

06%</6%

%\WH

06%;/6%

06%=/6%

9ë]QDP

9ë]QDP

!</6%

%\WH

06%6\VWpPRYëÿDV/6%

&tYND

06%!

06%='DWD/RJJHU/6%

48


Tab.: 6-1 popisuje formát ukládaných dat pro DPS s pamČtí NAND Flash. Kapacita pamČti umožĖuje výše uvedená data z jednoho mČĜení ukládat s periodou 1 s po dobu nejménČ 6 týdnĤ. MČĜicí perioda je odvozena z externího krystalu 32,768 kHz. Tab.: 6−2 pĜedstavuje formát dat, který je z kapacitních dĤvodĤ pĜijímán a ukládán do Data Flash s periodou 5 s. Sudý poþet bajtĤ ukládaného rámce je v obou pĜípadech vhodný z dĤvodĤ adresování pamČĢového prostoru pĜi ukládání (stránky). Tab.: 6-2 Formát ukládání dat do DataFlash %\WH

9ë]QDP 06%6\VWpPRYëÿDV/6%

%3ĝLMDWiGDWD%

Mikrokontrolér ATmega1280 obsahuje Ĝadiþe þtyĜ sériových rozhraní UART, z nichž je pro komunikaci s testovanými systémy využit UART1, UART2 resp. UART2 v pĜípadČ DPS s pamČtí DataFlash. Komunikaþní port UART0 je vždy využit pro terminálové pĜipojení k PC.

Obr.: 6.3 Schéma zapojení mikrokontroléru ATmega1280 (spoleþné pro NAND a Data Flash pamČĢ)

49


Vzdálené mČĜení analogových signálĤ z magnetometru obstarává 24−bitový Σ−Δ analogovČ digitální pĜevodník ADS1211 s integrovaným þtyĜvstupovým analogovým multiplexerem. Aby nedocházelo k zatČžování výstupĤ magnetometru je pĜevodníku pĜedĜazena trojice nízkošumových napČĢových sledovaþĤ OPA2277, napájených filtrovaným (R15−R18, C29−C36) napČtím ± 12 V s vymezením vstupního rozsahu pomocí ochranných diod D1−D6 doplnČných o omezovací rezistory R9−R11. Kmitoþtová základna AD pĜevodníku je Ĝízena krystalem 10 MHz zapojeným mezi piny JP3-1 a JP3-2. Komunikace (inicializace, start mČĜení, vyþítání namČĜených dat) probíhá prostĜednictvím sbČrnice SPI. Platná namČĜená data jsou signalizována signálem /DRDY. Po odmČĜení napČtí daného kanálu dojde k pĜepnutí multiplexeru na kanál následující. Celou trojici namČĜených dat doprovází pĜepnutí na první mČĜicí kanál (nabíjení vstupních kapacit pĜevodníku). PĜepínání kanálĤ pomocí multiplexeru doprovází dle kat. listu [44] potĜeba provedení nejménČ þtyĜ odmČrĤ. V praxi se ukázalo, že spolehlivČ jsou data získávána až s pátým odmČrem pro každý kanál. Nastavení AD pĜevodníku: interní reference 2,5 V, data ve formátu dvojk. doplĖku, Gain = 2, Turbo mode = 8, Decimation ratio = 5000.

Obr.: 6.4 Schéma zapojení digitalizaþní jednotky Data Loggeru

50


Další funkcí datového záznamníku je Ĝízené napájení budicí cívky, která vyvolává umČlé magnetické pole kolem senzorové hlavy magnetometru. Obvod je realizován pĜesným referenþním zdrojem napČtí REF5025, jehož filtrované výstupní napČtí je užito pro Ĝízení vstupu operaþního zesilovaþe OP1177 zapojeného jako zdroj proudu. Velikost proudu je dána rezistorem R2 = 1 kΩ, což pĜi vstupním napČtí 2,5 V þiní proud I = 2,5 mA. Výstup IC1 je nejprve zapojen do komutátorového obvodu realizovaného þtveĜicí analogových spínaþĤ ADG441. Druhý spínaþový obvod realizuje funkci pĜepínaþe mezi výstupními svorkami, urþenými pro Helmholtzovy cívky a zatČžovacím rezistorem pro konstantní tepelné zatížení obvodu. PĜepínání je Ĝízeno (piny PK4−PK7 viz obr.: 6.3) z DPS pro NAND Flash. Analogové signály jsou vedeny osmižilovým stínČným kabelem STP, kde jeho 3 páry obsahují zemní a signálový vodiþ. PĜipojeny jsou pomocí trojice BNC konektorĤ. ýtvrtý pár urþený pro proudovou smyþku, která napájí testovací cívku pĜipojen konektorem CANNON−9. StínČní je provedeno viz blokové schéma na obr.: 6.10.

Obr.: 6.5 Schéma zapojení proudového zdroje pro testovací Helmholtzovy cívky

Napájení datového záznamníku je zajišĢováno stabilizovaným zdrojem symetrického napČtí ± 15 V typu Tesla BK−125. Zdroj byl zvolen pro svou spolehlivost, nízkou hmotnost (pĜeprava) a dostupnost. K potlaþení eventuálního zvlnČní výstupu zdroje byly do vstupních symetrických vČtví zaĜazeny lineární stabilizátory 7812T a 7912T opatĜené ochrannými zenerovými diodami BZX85C22 (UZ = 22 V). Vstupními schottkyho diodami D11, D12 lze kladnou vČtev napájející zejména digitální obvody zálohovat externím olovČným akumulátorem 12 V. U napájecího kabelu k tomuto úþelu slouží dva barevnČ odlišené vodiþe osazené konektory Faston (rudá +, þerná -).

51


Kladná vČtev 12 V slouží jako zdroj pro 5V lineární stabilizátor 7805T viz obr.: 6.6, jehož pouzdro je galvanicky spojené se zadní stranou plechového boxu záznamníku sloužící jako chladiþ.

Obr.: 6.6 Schéma zapojení napájecích obvodĤ

Konverzi rozhraní RS-422/TTL provádí þtyĜnásobný vysílaþ 26LS31 a pĜijímaþ 26LS32. DPS s obvodem DataFlash je ke vzdálenému systému propojena obvodem MAX13081E (budiþ sbČrnic RS−422, 485) viz obr.: 6.7.

Obr.: 6.7 Schéma zapojení datového konektoru CANNON-25 a budiþĤ RS-422

52


K propojení s komunikaþním portem RS−232 je zapotĜebí pĜevodník LVTTL/RS−232. Ideálním Ĝešením se však ukázal být produkt fy. FTDI s názvem TTL-232R-3V3, osazený dutinkovou lištou SIL−6. Jedná se o konvertor rozhraní USB/LVTTL, realizující emulátor sériového rozhraní typu COM v PC. Elektronické rozhraní je integrováno do konektoru USB. Vzhled kabelu ilustruje obr.: 6.8, zapojení pinové lámací lišty pĜímo k pinĤm konektoru CANNON-25, realizující redukci CANNON−25/SIL−6 je uvedeno na obr.: 6.9. Kabel umožĖuje plnČ duplexní sériový pĜenos v rozsahu rychlostí 300−921600 bps, s podporou ovladaþĤ pro systémy platformy MS Windows 98−7 64-bit, MAC OS 8−X, Linux.

Obr.: 6.8 FTDI kabel TTL-RS-232R-3V3 (pĜevzato z [45])

Obr.: 6.9 Zapojení redukce CANNON-25/FTDI SIL-6, þíslování vývodĤ se shoduje s þíslováním konektoru SIL-6

Dle schématu na obr.: 6.7 je zĜejmé, že digitální obvody Data Loggeru je možné napájet pĜímo z USB portu prostĜednictvím napájecího vodiþe 5 V v konektoru SIL−6. Dioda D9 umožĖuje zapnout proces vyþítání/mazání dat ze záznamníku i v mobilním prostĜedí za pomocí notebooku napájeného z baterií (bez nutnosti síĢového zdroje/tČžkého olovČného akumulátoru). Propojení jednotlivých modulĤ systému, vþetnČ záznamníku, napájecích zdrojĤ, zemnČní a ochranných pojistek v konfiguraci bČhem testu ilustruje blokové schéma na obr.: 6.10. Reálná konfigurace je uvedena na fotografii viz obr.: 6.11, resp. obr.: 6.12.

53


Obr.: 6.10 Blokové schéma ilustrující propojení a zaĜazení Data Loggeru do systému testovaných DPS

54


Obr.: 6.11 Sestava napájecích zdrojĤ a Data Loggeru s pĜipojenými periferiemi a zálohovacím akumulátorem

Obr.: 6.12 Pertinaxová základna s rozmístČnými systémy pĜipravenými k ozaĜování (stínČní 3 mm Al plech)

55


6.2. DPS Data Loggeru Digitalizaþní jednotka s analogovými obvody je realizována na dvouvrstvém plošném spoji s plátováním 35 μm, tloušĢkou 1,2 mm, ruþnČ provedenými prokovy, rozmČrem 120×50 mm a ošetĜením povrchu kalafunovým lakem. Signálové konektory BNC jsou k DPS pĜipájeny pomocí kolíkĤ z lámacích lišt resp. stínČného koaxiálního kabelu, podobnČ jako pĜívodní vodiþe. Návrh DPS (obr.: 6.13) byl proveden v programu EAGLE 5.1.0. DPS s mikrokontroléry jsou pĜipevnČny nad sebou (obr.: 6.14 vlevo). Budiþe sbČrnic RS−422 spoleþnČ se stabilizátory jsou umístČny na univerzální DPS (obr.: 6.14 vpravo).

Obr.: 6.13 Rozvržení souþástek na DPS digitalizaþní jednotky Data Loggeru

Obr.: 6.14 Celkový pohled na vnitĜní uspoĜádání Data Loggeru (nahoĜe digitalizaþní jednotka, vlevo dole DPS s MCU, vpravo dole obvody stabilizátorĤ a budiþe RS-422)

56


6.3. ěídicí firmware Data Logger je pro jednoduchost pĜístupu k uloženému záznamu koncipován jako terminálové zaĜízení. Z elektrického schématu na obr. 6.7 vyplývá, že Ĝídicí mikrokontroléry jsou vybaveny vždy jedním terminálovým sériovým portem. Vzhledem k rozdílným kmitoþtĤm krystalĤ je rozdílná i komunikaþní rychlost, se kterou se k datĤm pĜistupuje (NAND DPS 921600 bps, DataFlash DPS 115200 bps). Po restartu NAND DPS se uživateli odešle nabídka v následujícím znČní: ↵ Data Logger v1.1 - UART0 921600bps↵ ---------------------------------- ↵ (d) Download data to PC↵ (e) Erase FLASH↵ (s) Start logging to FLASH↵ (i) Info↵ ---------------------------------- ↵

DPS s DataFlash vypíše: ↵ Data Logger v1.1 - UART0 115200bps↵ ---------------------------------- ↵ (d) Download data to PC↵ (e) Erase FLASH↵ (s) Start logging to FLASH↵ (i) Info↵ ---------------------------------- ↵

PĜíjem znaku „d“ iniciuje „stahování“ záznamu z Data loggeru do PC. Velký objem dat je pĜerušován þekáním na potvrzovací znak „d“ vždy po odeslání 2112 bajtĤ. Potvrzovací znak plní funkci nástroje Ĝízení toku, což je vhodné pro menší zatížení PC. Bez Ĝízení (pĜerušování dávek dat) docházelo ke ztrátČ (výpadku) nebo þásteþnému „zamrzání“ PC. PĜíkaz „e“ zámČrnČ není implementován do ovládacího PC programu, jako pojistka proti nechtČnému smazání dat. Uživatel mĤže pamČĢ vymazat pouze prostĜednictvím odeslání pĜíkazu v programu typu Hyperterminal.

57


PĜíkaz „s“ (start „nahrávání“) se zpravidla neuplatní v praxi kvĤli obsazenosti konektoru velkým množstvím komunikaþních vodiþĤ. Ponechán je z testovacích dĤvodĤ a netvoĜí plnohodnotnou náhradou spouštČcího tlaþítka, které spouští záznam na obou DPS souþasnČ. PĜíkaz „i“ vyvolá opČtovný výpis nabídky.

Pozn.: Program Hyperterminal v režimu „Zachytávání textu“ není ke stahování dat vhodný, neboĢ do neukládá tzv. netisknutelné znaky (namČĜená data jsou v binárním tvaru).

Stisk tlaþítka „Start“ nebo pĜíjem znaku „s“ pĜes terminálový port spustí interní þítaþe/þasovaþe Ĝízené krystaly 32,768 kHz viz kap.: 6.1, s. 42. Rozdílný výbrus krystalĤ má pĜi souþasném startu za následek postupné rozcházení intervalĤ, které je díky SMD LED patrné již po nČkolika minutách provozu. Rozdíl kmitoþtĤ zpĤsobil odstup cca 100 s/týden. PĜerušení od þítaþe/þasovaþe 2 spustí odeslání znaku „M“ pĜes komunikaþní porty testovaných zaĜízení a v pĜípadČ NAND DPS spustí odmČr analogových napČtí prostĜednictvím analogovČ-digitálního pĜevodníku ADS1211. Interval odmČrĤ je indikován zhasnutím/rozsvícením þervené LED na þelním panelu pĜístroje. Obsluha pĜerušení také inkrementuje a zpracovává poþítadlo (promČnná „coil_time“) jehož aktuální stav je rozhodující pro Ĝízení proudového zdroje napájejícího testovací helmholtzovy cívky. Perioda zmČn testovacího proudu je 600 s (10 min). Výsledný prĤbČh je ilustrován na obr.: 6.15. Grafické znázornČní funkce Ĝídicího programu NAND DPS ilustruje vývojový diagram na obr.: 6.16.

Obr.: 6.15 PrĤbČh periody testovacího proudu bČhem spuštČného záznamu

Program DPS s DataFlash neobsahuje z výše uvedeného pouze Ĝízení proudového zdroje a digitalizaþní jednotky s ADC1211. Odpovídající vývojový diagram je uveden na obr.: 6.17.

58


Obr.: 6.16 Vývojový diagram programu pro NAND Flash DPS

59


Obr.: 6.17 Vývojový diagram programu pro DataFlash DPS

60


6.4. Software pro PC Kompletní systém vyþtení a konverze binárních dat na seznam napČĢových úrovní vhodný pro import do softwaru typu MATLAB, Excel byl vytvoĜen v prostĜedí MS Visual Basic 6.0. Uživatel mĤže pomocí programu (obr.: 6.18) s názvem „Data Logger v1.0 download software“ realizovat:

-

nastavení komunikaþního rozhraní (výbČr portu)

-

výbČr zdrojového datového úložištČ (komunikaþní rychlost, maximální objem dat)

-

iniciaci a sestavení komunikace s Data Loggerem (spuštČní vyþítání)

K softwarovému „otevĜení“ komunikaþního portu slouží tlaþítko „Open COM port“, které obslouží komunikaþní komponentu portu þísla definovaného v poli „Port“ a nastaví komunikaþní

rychlost

odpovídající

datovému

úložišti

zvoleného

pĜepínaþem

NAND/DataFlash. Proces vyþítání dat lze zahájit pouze s restartovaným Data Loggerem, správnČ nastaveným þíslem komunikaþního portu a stiskem tlaþítka „Download & Convert records from FLASH”, který je následován výzvou vybrat název cílového souboru s tím, že je uživateli nabídnut název uvozený typem zvoleného datového úložištČ: “NAND DataLog” nebo “DataFlash DataLog” doplnČný o aktuální þas ve formátu HHMMSS, tj. napĜ.: NAND DataLog 092704.txt

Start procesu oznámí program výpisem informace:

Downloading data from FLASH started at HH:MM:SS↵

Aktivitu pĜenosu lze kontrolovat pomocí poþítadla pĜenesených bajtĤ v poli „COM port info“. Vyþtení dat trvá cca 15 minut (v obou pĜípadech). Program na disk uloží binární obsah pamČti s názvem souboru (výše) o velikosti 37,0 resp. 4,12 MB a úspČšné ukonþení vyþítání oznámí v textovém poli výpisem:

Downloading done at HH:MM:SS↵

61


Ihned poté se spustí proces pĜevodu binárních hodnot na napČtí – cca 10 minut (závislé na výkonu PC) uvozený informací: Converting log file started at HH:MM:SS↵

PĜevod je spojen s vytvoĜením nového souboru, jehož název vychází z pĜedchozího binárního souboru a je doplnČn o pĜíponu „.converted.txt“. Jeho výsledná velikost dosahuje pĜibližnČ trojnásobku (doplĖující znaky, ukonþení ĜádkĤ) tj. cca 120 MB resp. 12 MB. Formát konvertovaného souboru shrnuje tab.: 6-3, 6-4; oddČlovaþem sloupcĤ je „mezera“. Tab.: 6-3 Formát konvertovaných dat pro NAND Flash 7LPHB>V@ 0*0B; 0*0B< 0*0B= 0*0B; 0*0B< 0*0B= &RLOB6WDWXV '$4B; '$4B< '$4B=

Tab.: 6-4 Formát konvertovaných dat pro DataFlash 7LPHB>V@

8287

3DFNHW&RXQWHU

Celá úspČšnČ provedená procedura je ukonþena výpisem: Converting done at HH:MM:SS↵ -------------------------------↵ Log files created SUCCESSFULLY!↵

Obr.: 6.18 Screenshot bČžící aplikace "Data Logger v1.0 download software"

62


5DGLDĀQtWHVW

7.1. Zdroje pro testování Interakce elektronických systémĤ a elektronických souþástek s kosmickým prostĜedím je zapotĜebí chápat jako komplexní problém. Na rozdíl od systémĤ využívaných ve vojenství, jaderné energetice nebo jaderném výzkumu, kde lze spektrum a typ zdroje potenciálnČ nebezpeþného záĜení lokalizovat a kvantifikovat jde v pĜípadČ kosmického prostĜedí o náhodné a mnohdy ani v pozemských laboratoĜích nedosažitelné energie þástic a smČrĤ odkud pĜicházejí. Následující výþet zdrojĤ a jejich vlastností pĜibližuje souþasné metody radiaþního testování elektronických systémĤ.

7.1.1. ZáĜení γ NejrozšíĜenČjším [2, s. 439] zdrojem ionizujícího záĜení γ je

60

Co emitující fotony

o energiích 1,173 a 1,332 MeV. Zdroj s poloþasem rozpadu 5,27 let vznikne neutronovým bombardováním neaktivního 59Co v prostĜedí reaktoru. StĜednČ silný zdroj vykazuje aktivitu okolo 37 TBq. Evropská kosmická agentura (ESA) provozuje vlastní kobaltovou ozaĜovnu viz obr.: 7.1 v technologickém centru ESTEC v holandském Noordwijku. Aktuální aktivita zdroje ([46], duben 2011) je 45 TBq, tj. dávková rychlost ve vzdálenosti 1 m þiní 0,391 rad/s.

Obr.: 7.1 PĤdorys kobaltové ozaĜovny v technologickém centru ESA-ESTEC (pĜevzato, upraveno z [46])

Kobaltové záĜiþe menších rozmČrĤ (ve formČ tablet nebo tyþinek) se uplatĖují také ke sterilizaci ve zdravotnictví. Dalším hojnČ využívaným zdrojem je

137

Cs, s energií fotonĤ

0,662 MeV a poloþasem rozpadu 30,17 let.

63


7.1.2. Rentgenové záĜení Ionizaþní úþinky kosmického prostĜedí na elektronické systémy lze simulovat také rentgenovým záĜením. Typickým zdrojem je tzv. rentgenka, tj. sklenČná baĖka s dvČma elektrodami a vysokým (ĜádovČ desítky až stovky kV) anodovým napČtím. PĜi dopadu elektronĤ ze žhavené katody na anodový povrch dochází k jejich zabrzdČní. Pouze 1 % uvolnČné energie se pĜemČní na záĜení a to: 1) brzdné, jehož spektrum je spojité a 2) charakteristické, jehož spektrum je þárové a odpovídá materiálu, ze kterého je vytvoĜen povrch anody. Intenzita záĜení se reguluje žhavicím proudem katody (poþtem vyletujících elektronĤ), zatímco pronikavost se mČní v závislosti na pĜiloženém anodovém napČtí. Dle [2, s. 442] dávková rychlost pĜi proudu IAK = 10 mA a UAK = 150 kV (PPĜík = 1,5 kW!) þiní 3 rad/s ve vzdálenosti 0,86 m. Princip rentgenové elektronky ilustruje obr.: 7.2.

Obr.: 7.2 Ilustrace principu rentgenového zdroje (pĜevzato z [47])

7.1.3. Elektrony K ionizaþnímu testování se dále využívá elektronového svazku o energiích > 0,1 MeV. Typická sestava, jejímž zdrojem je Van de GraafĤv generátor je na obr.: 7.3. PĜibližnČ platí, že 3⋅107 cm−2 dopadlých elektronĤ o energii 1 MeV je rovno dávce 1 rad(Si).

Obr.: 7.3 Sestava pro test elektronovým svazkem o energii ~1 MeV (pĜevzato, upraveno z [2, s. 445])

64


7.1.4. Protony OzaĜování kĜemíkových struktur protony [2, s. 447] o energiích > 15 MeV má za následek pĜedevším atomární dislokaci. Testovací sestava principielnČ odpovídá obr.: 7.3. Typickým zdrojem vysoce energetických protonĤ jsou cyklotron (∼10−800 MeV), lineární urychlovaþ (10−100 MeV), pĜípadnČ Van de GraafĤv generátor s opaþnou polaritou (0,5−3 MeV). Vysokými energiemi þástic lze simulovat SEE (Single Event Effects = SEL + SEU).

7.1.5. Neutrony Bombardování neutrony má podobné dĤsledky jako vysoce energetickými protony a elektrony - vyvolává poruchy v krystalové mĜíži. Typickým zdrojem neutronĤ pro testovací úþely je jaderná reakce (štČpení) izotopu

235

U v jaderném reaktoru. Spektrum energií se

pohybuje v rozsahu 0,1−10 MeV [2, s. 450]. PĜibližnČ platí, že fluence 3,8ԫ108 n cm−2 je ekvivalentní cca 1 rad. Ilustrace výzkumného reaktoru viz obr.: 7.4.

Obr.: 7.4 ěez výzkumným jaderným reaktorem typu TRIGA (pĜevzato, upraveno z [48])

7.1.6. Ultrafialové záĜení Dle [2, s. 450−451] má v kĜemíkových strukturách ultrafialové záĜení témČĜ identické ionizaþní úþinky jako vysoce energetické záĜení (γ, rentgenové,…), nicménČ ke své vlnové délce lze UV zdroj pro testování použít jen pro nezapouzdĜené þipy (pĜípadnČ obvody s okénkem). Zdrojem záĜení mĤže být UV vakuová výbojka nebo i obloukový výboj, ovšem z hlediska kvantifikace dávky jsou tyto zdroje obtížnČji Ĝiditelné a interpretovatelné.

65


7.2. Kobaltový zdroj v ÚJV ěež, a.s. Testovaná elektronika byl vystavena kobaltovému ozaĜovaþi „Prazdroj“ v objektu þ. 250 ÚJV ěež, a.s. Jedná se o studnový ozaĜovaþ se dvČma tyþovými zdroji

60

Co o aktivitČ

315 TBq (tj. 3,15⋅1014 rozpadĤ atomových jader/s, stav k 29. 10. 2008). OzaĜovací prostor (obr.: 7.1) tvaru válcové šachty má prĤmČr 100 cm a výšku 205 cm. Zdroj je urþen pro ozaĜování vČtších pĜedmČtĤ s možností provádČní mČĜení a experimentálních zásahĤ bČhem ozaĜování. Aplikovatelný rozsah dávkových rychlostí je cca 0,30−9 kGy/h (citováno z [43]). Kobaltové tyþe jsou umístČny suvnČ v olovČném krytu (obr.: 7.5 - žlutČ) umožĖující svislý výsuv do hloubky šachty. Celek je umístČn na masivním pohyblivém loži, k jehož horizontálnímu posuvu z výchozí pozice do pozice nad šachtu slouží elektrické pohony ovládané z oddČleného velína (obr.: 7.6). BČhem posuvu lože je pĜítomnost osob v místnosti zakázána. Pro úþely testování elektroniky magnetometru (nízká dávková rychlost) byl záĜiþ zcela zasunut do stínicího krytu a do šachty vystaven pouze svou þelní plochou.

Obr.: 7.5 ZapouzdĜený tyþový zdroj 60Co s dodateþným olovČným krytím; odkrytá šachta vpravo od zdroje

66


Obr.: 7.6 Velín kobaltové ozaĜovny v ÚJV ěež, a.s. (v pozadí prĤzor do ozaĜovny olovnatým sklem)

Obr.: 7.7 Detail šachty ozaĜovaþe Prazdroj s instalovaným testovaným zaĜízením (olovČný monoblok

− oranžovČ − slouží k dodateþnému stínČní mezery pod pojezdem posuvného lože - vlevo od fotografie)

67


7.3. Dozimetrie BČhem radiaþního testu byl k urþení dávky absorbovaného záĜení použit systém Alanin/EPR. Dále citováno z [43]: “Celý dozimetrický systém (obr.: 7.9) je založený na stanovení koncentrace stabilních volných radikálĤ v ozáĜeném krystalickém alaninu (kyselina

α-amino-propionová) pomocí EPR. Mezi množstvím vzniklého radikálu a dávkou záĜení existuje pĜímá úmČra. Tzn., že þím je vyšší celková absorbovaná dávka, tím má EPR spektrum vČtší intenzitu. Dozimetrický systém Alanin/EPR se vyznaþuje následujícími unikátními vlastnostmi, které ale zároveĖ upravují rozsah použití tČchto dozimetrĤ: •

možno využívat v širokém dávkovém rozsahu (100 až 2⋅105 Gy)

•

nevýrazná energetická závislost pro fotony o energiích 0,1 až 50 MeV a elektrony o energiích 0,3 až 50 MeV“

Obr.: 7.8 Dozimetrický alaninový váleþek (tableta) po radiaþním testu

Obr.: 7.9 Alanin/EPR dozimetrické pracovištČ s mČĜeným vzorkem v ÚJV ěež, a.s.

68


7.4. NamČĜené výsledky PrĤbČh teploty bČhem ozaĜování je uveden na obr.: 7.10. Špiþky v prĤbČhu jsou patrnČ dĤsledkem otevírání vstupních dveĜí ozaĜovny. TémČĜ nemČnný namČĜený rozsah teplot výbornČ vyhovuje z hlediska testování elektroniky i alaninové dozimetrie.

Obr.: 7.10 PrĤbČh teploty bČhem ozaĜování

69


Test byl spuštČn 12.1. 2011 v 9:20 a ukonþen 19. 1. 2011 v 10:30, tj. ozaĜování probíhalo po dobu 169 hodin 10 minut. Celková absorbovaná dávka þiní D = 3,63 kGy = 363 krad , dávková rychlost potom D = 21,5 Gy / h = 0,597 rad / s , tj. elektronika byla vystavena tzv. „low-dose rate“ testu. Následující kapitoly obsahují namČĜené hodnoty a diskusi výsledkĤ.

7.4.1. Elektronika magnetometru Za referenþní hodnoty analogových napČtí z magnetometru 0 (X0, Y0, Z0) jsou uvažovány napČtí namČĜená pomocí digitalizaþní jednotky Data Loggeru. Celý záznam s vyznaþenou pĜíslušnou pĜijatou dávkou je uveden na obr.: 7.11, detail „funkþní“ oblasti poté na obr.: 7.12.

Pozn.: Kanál X nevykazuje v signálu pozorovatelné testovací špiþky neboĢ osa senzoru X byla umístČna kolmo na smČr vektoru testovacího pole. Dle výstupních napČtí (~ 2,5 V ≈ 0 T) je patrné, že uvnitĜ prostoru ozaĜovaþe je zemské magnetické pole témČĜ dokonale odstínČno. Sledováním posledního testovacího cyklu (špiþky v signálu) lze usuzovat, že obvod oscilátoru excitaþní jednotky (kap.: 3.2.1, obr.: 3.11) vykazoval použitelnou funkci až do dávky 52,0 krad. ZmČny stejnosmČrného offsetu J-FET operaþních zesilovaþĤ mající pĜi bližším pozorování stejnou tendenci na všech tĜech kanálech nastaly již od dávky 5,8 krad. Dávka pĜi které je analogový výstup magnetometru ještČ použitelný þiní 20,9 krad. Analogová napČtí (kap.: 3.2.2, obr.: 3.17 - výstupy J-FET OZ TLC2262A) se od poþátku degradace souþástek až do závČru testu ustálila na úrovni 0,155 V. Na obr.: 7.13, 7.14 jsou vynesena digitalizovaná data magnetometrem 0 resp. 1 konvertovaná na úrovnČ napČtí pomocí PC SW (kap.: 6.4). Za platná data lze považovat pouze hodnoty nepĜekraþující 5 V. Vysoké úrovnČ jsou zpĤsobeny pĜíjmem jiných než platných dat (pĜíjem: 0xC0, 0x00, 0x00,… – pĜednaplnČní vysílacího zásobníku, úvodního informaþního textu zpĤsobený restartem mikrokontroléru, chybnČ digitalizovaných napČtí, chybnČ naþteného úvodního textového ĜetČzce). Podrobným rozborem dat jednotlivých vysokých úrovní byly urþeny jednotlivé události, které shrnuje tab.: 7-1. Tab.: 7-1 Události v závislosti na pĜijaté dávce záĜení 8GiORVW

'iYND>NUDG@

0*0SUYQtDNWLYDFH0&8:'7SUYQtYëSDGHNGDWY(3520 0*0SUYQtDNWLYDFH0&8:'7SUYQtYëSDGHNGDWY(3520 0*0²VHOKiQt$'&; 0*0²VHOKiQt$'&< 0*0²VHOKiQt$'&= 0*0²VHOKiQt$'&; 0*0²VHOKiQt$'&< 0*0²VHOKiQt$'&=

70


Obr.: 7.11 Kompletní prĤbČh analogových napČtí magnetometru z digitalizaþní jednotky Data Loggeru

71


Obr.: 7.12 Detail analogových napČtí z obr.: 7.11

72


Obr.: 7.13 PĜijatá data z magnetometru 0 po konverzi na napČtí (vysoké úrovnČ viz text)

73


Obr.: 7.14 PĜijatá data z magnetometru 1 po konverzi na napČtí (vysoké úrovnČ viz text)

74


Obr.: 7.15 Detail dat "funkþní oblasti" digitalizovaný magnetometrem 0

Obr.: 7.16 Detail dat "funkþní oblasti" digitalizovaný magnetometrem 1

ZmČna magnetického pole pozorovatelná v první periodČ testovacího signálu je zpĤsobena velmi pomalým pohybem pojízdného lože se záĜiþem po spuštČní testu. Krátkodobá výchylka (první vysoká špiþka) je nejspíše zpĤsobena restartem mikrokontroléru (pĜíjem info textu) v dĤsledku vypínání pohonu pojezdu (poloha þasovČ odpovídá ukonþení zmČn a událost je navíc pouze jednorázová).

75


Obr.: 7.17 Detail prĤbČhĤ složek magnetického pole X, Y, Z, (totální vektor dopoþítán) digitalizovaných magnetometrem 0

Moment prvního samovolného restartu mikrokontroléru pomocí WDT je patrnČ zpĤsoben prvním výpadkem dat z pamČti EPROM neboĢ pozdČjší opakování pĜíjmu úvodního informaþního ĜetČzce má zprvu správnou souslednost znakĤ, pozdČji se text více a více „rozpadá“ a k restartu dochází po dobu cca 15 minut vždy po každé výzvČ Data Loggeru k zaslání dat. Lze z toho také usuzovat na správnou funkci obvodĤ latch (HCF4013B) minimálnČ do dávky 37,1 resp. 28,2 krad. Po testu je EPROM neþitelná (UDB0−7 = 0 V). Aþkoliv s nárĤstem pĜijaté dávky záĜení docházelo ke zvyšování odbČru mikrokontrolérĤ a tím i snižování napČtí logické úrovnČ „1“, nelze dysfunkci analogovČ digitálních pĜevodníkĤ jednoduše pĜisoudit chybČ vstupnČ/výstupních pinĤ mikrokontrolérĤ, neboĢ komunikaþní rozhraní pĜevodníkĤ je propojeno paralelnČ a proto by se porucha výstupní brány projevila souþasnČ. Možným vysvČtlením je zastavení kmitĤ oscilátorĤ s krystaly 32,768 kHz (obr.: 3.19), který nebyl vhodný pro obvod excitaþní jednotky, ale s pĜevodníky vykazoval funkci správnou nebo zvýšení rozhodovací úrovnČ (reakce na log. „1“) vstupní logiky pĜevodníkĤ.

76


Po uplynutí 111,5 hodin (elektronika umístČna v prostĜedí s teplotou ~ 23°C) od ukonþení testu byly z DPS vypájeny tranzistory, jímž byly pĜemČĜeny proudové zesilovací þinitele (pĤvodní hFE ≈ 220). Hodnoty shrnuje tab.: 7-2, ve které souhlasí þíselné oznaþení tranzistorĤ se schématy na obr.: 3.11, 3.22. Tab.: 7-2 Proudové zesilovací þinitel hFE tranzistorĤ po provedení testu 7UDQ]LVWRU\1$

QHNU\Wi'360*0 K)(

NU\Wi'360*0 K)(

7 7 7 7 7 7 7 7 7

Shoda degradace parametrĤ tak velkého poþtu tranzistorĤ opravĖuje tvrzení, že pro degradaci je významný celkový ztrátový výkon (T5 po vČtšinu doby sepnut, s kolektorovou zátČží 680 Ω). VČtší tepelné zatížení je pro životnost bipolárních tranzistorĤ pĜíznivým faktorem, patrnČ z dĤvodĤ lepší (rychlejší) migrace naindukovaného náboje. Zdroj referenþního napČtí AD584SH nevykázal žádnou mČĜitelnou zmČnu parametrĤ (TID = 363 krad!), stejnČ jako tantalové kondenzátory Ĝady AVX, keramické kondenzátory a rezistory. „Hodinkový“ krystal 32,768 kHz z excitaþní jednotky nebylo možné opČtovnČ použít k nasazení oscilací. Bližší výzkum nebyl proveden.

7.4.2. Spínaný zdroj Výstupní napČtí spínaného zdroje bylo mČĜeno (viz obr.: 7.18) 10-bitovým interním analogovČ digitálním pĜevodníkem modulu s mikrokontrolérem MC9S12XDT512MAA.

Obr.: 7.18 PrĤbČh napČtí spínaného zdroje digitalizovaný 10-bitovým AD pĜevodníkem

77


Z DPS zdroje byly rovnČž vypájeny polovodiþové souþástky. Rad-hard schottkyho dioda 1N5806D2A mČla pĤvodnČ pĜechodové napČtí velikosti UAK = 0,520 V, nyní 0,443 V. Proudové zesilovací þinitele tranzistorĤ vþetnČ oþíslování odpovídající obr.: 5.3 viz tab.: 7-3. Tab.: 7-3 Proudové zesilovací þinitele tranzistorĤ ve spínaném zdroji 7UDQ]LVWRU

K)(

71$ 71$ 71$ 71$

Po opČtovném pĜipojení k napájení zdroj nasadil oscilace a stabilizoval výstupní napČtí bez znatelného nárĤstu odbČru (UIN = 30 V, IIN = 16,0 mA, UOUT = 5,20 V, IOUT = 52 mA). Dle tab.: 7-3 lze konstatovat, že vyšší pĜiložené napČtí UCE pĤsobí zrychlenou degradaci parametrĤ (malá kolektorová ztráta, vysoké UCE Ĝádu desítek V). Tranzistor T4 byl v obvodu trvale namáhán nejvyšší výkonovou ztrátou (cca Ptot = 0,3 W), neboĢ nepracoval pouze ve spínacím, ale þásteþnČ i lineárním režimu (s teplotou pouzdra pĜibližnČ 50°C).

7.4.3. Testovací kit s mikrokontrolérem moderní koncepce Úlohou kitu [51] bylo provádČt odmČr analogového napČtí z výstupního dČliþe spínaného zdroje (obr.: 7.18), inkrementovat poþítadlo pĜijatých paketĤ (obr.: 7.19) a odesílat souhrnnČ tyto informace na dotaz Data Loggeru prostĜednictvím sbČrnice RS−422. Obvod byl jištČn rychlou pojistkou 160 mA, která se jako jediná v dĤsledku rĤstu napájecího proudu bČhem testu pĜetavila. Zlom v poþtu pĜijatých paketĤ je zpĤsoben pĜíjmem neplatných dat pĜes sbČrnici RS−422 po pĜerušení napájení. Správnou funkci kit vykazoval do dávky 57,9 krad. NárĤst mČĜeného napČtí lze pouze považovat za degradaci parametrĤ interního zdroje referenþního napČtí, kvĤli stabilitČ výstupního napČtí spínaného zdroje i po ukonþení testu.

Obr.: 7.19 Lineární rĤst poþtu pĜijatých paketĤ se zlomem v bodČ pĜetavení ochranné pojistky

78


6KUQXWtGRVDçHQìFKYìVOHGNĪ Týdenním radiaþním testováním byl navrženým pĜístrojovým vybavením nashromáždČn

soubor dat z tĜíosého magnetometru s rozsahem ± 60 μT, pĜíkonem 230 mW pĜi 5 V, šumem < 43 nTRMS a vlastní digitalizaþní jednotkou se sériovým rozhraním sbČrnice RS−422. Data byla posléze zpracována a podrobnČ analyzována. Na základČ známé celkové pĜijaté dávky záĜení bylo možné záznam rozdČlený þasovými znaþkami pĜevést do domény pĜedstavující lineární nárĤst pĜijaté dávky a vytvoĜit si tak pĜedstavu o prahu odolnosti jednotlivých polovodiþových souþástek, jenž byly vybrány primárnČ ze seznamu preferovaných komponent Evropské kosmické agentury (ESA). Pasivní souþástky (rezistory, kondenzátory) dle oþekávání nevykazovaly žádnou mČĜitelnou zmČnu jmenovitých hodnot. Poþátky selhávání polovodiþových komponent pĜípadnČ namČĜené proudové zesilovací þinitele bipolárních tranzistorĤ vþetnČ pĜiložených napČtí v jednotlivých þástech systémĤ shrnuje tabulka uvedená níže. 7\S 0&8 89(3520 GYRMLWë.2' ÿW\ĝQiVREQë.2' ÿW\ĝQiVREQë DQDORJRYëVStQDÿ GYRMLWë-)(7 RSHUDÿQt]HVLORYDÿ ELWRYëΣ−Δ$' SĝHYRGQtN ELSROiUQt WUDQ]LVWRU\ WDQWDORYp NRQGHQ]iWRU\ NHUDPLFNp NRQGHQ]iWRU\ 6FKRWWN\KR GLRGD 1DSčģRYi UHIHUHQFH 0&8 GULYHU56

9ëUREFH

'6& 0&%) +&)%(< +&)%(<

3RX]GUR 1DSčWt

0D[LP'DOODV

74)3 9 &',3 9 670LFURHOHFWURQLFV ',3 9 ',3 9

'iYND NU\W >NUDG@

'iYND EH]NU\WX >NUDG@

$'*%5=

$QDORJ'HYLFHV

62,&

9

7/&$,'

7H[DV,QVWUXPHQWV

62,&

9

&6

&LUUXV/RJLF

62,&

9

72

9

K)(!

72 72

9 9

K)( ! K)(! K)(

1$131 1$313 1$313

670LFURHOHFWURQLFV

7$-[[[[

$9;

60'&'

9

EH]GHJUDGDFH

EH]GHJUDGDFH

$9;

9

EH]GHJUDGDFH

EH]GHJUDGDFH

1'$

6HPHODE

'/&&

9

VQtæHQt8$. RP9

$'6+

$QDORJ'HYLFHV

72

9

EH]GHJUDGDFH

EH]GHJUDGDFH

4)3 ',3

9 9

0&6;'70$$ )UHHVFDOH 67%1 670LFURHOHFWURQLFV

Aþkoliv prahy degradace digitálních obvodĤ magnetometru jsou pĜibližnČ poloviþní oproti prahu dosaženého mikrokontrolérem Ĝady HC12, je výsledná hodnota v porovnání s komerþními magnetometry témČĜ dvojnásobná. Elektronika byla navíc navržena tak, že nepĜekroþila limit napájecího proudu (160 mA), což je pro napájecí systém satelitu podstatné.

79


=iYďU BČhem devíti mČsícĤ se podaĜilo nastudovat souþasná Ĝešení v konstrukcích radiaþnČ

odolné elektroniky, úskalí provozu polovodiþových souþástek v kosmickém prostĜedí, postupy radiaþního testování, základní teorii nutnou k realizaci pĜístroje pro vektorová magnetická mČĜení, realizovat testovací postupy a zaĜízení vþetnČ veškerého obslužného software a firmware pro tĜíkanálový fluxgate magnetometr s vlastní digitalizaþní jednotkou, mikrokontrolérem Ĝady 8051 s externí pamČtí programu EPROM a sériovým rozhraním, vþetnČ ruþního navinutí tripletu racetrack fluxgate senzorĤ. Nad rámec práce byl realizován jednoduchý snižující stejnosmČrný mČniþ 28/5 V navrhovaný pro napájení magnetometru a urþený pro provoz na stejnosmČrné palubní avionické síti 28 VDC. Touto experimentální konstrukcí byly dále ovČĜovány poznatky ohlednČ vlivĤ velikosti pĜiloženého napČtí a výkonové kolektorové zátČže bipolárních tranzistorĤ na degradaci jejich proudových zesilovacích þinitelĤ. Výstupní napČtí mČniþe bylo experimentálnČ mČĜeno kitem mikrokontroléru moderní koncepce s interní Flash pamČtí a interním analogovČ digitálním pĜevodníkem. Funkþnost a radiaþní odolnost zkonstruovaných systémĤ vĤþi pĤsobícímu záĜení gama byla otestována v prostĜedí s aktivním kobaltovým zdrojem

60

Co v Ústavu jaderného

výzkumu ěež, a.s. Celková absorbovaná dávka, které byly systémy vystaveny je ekvivalentní pĜibližnČ 10 rokĤm provozu na obČžné dráze ZemČ ve výšce cca 10 000 km. Práce byla motivována potĜebou vyšetĜení aktuálních trendĤ v možnostech snižování nákladĤ na elektroniku pro kosmické úþely, technického povČdomí ve „Space Related Electronics“ oblasti a pokraþováním aktivit Katedry mČĜení ýVUT FEL, jejíž laboratoĜ MAGLAB již v roce 1999 vyvinula, realizovala a dodala magnetometr pro þeskou družici MIMOSA, která byla v roce 2003 úspČšnČ navedena na obČžnou dráhu ZemČ. Vzhledem ke komplexnosti zadání a rannému termínu bezplatného umožnČní radiaþního testování (leden 2011) nebyly splnČny všechny body zadání (mČĜení linearity, ortogonality a teplotní stability). Elektronika magnetometru poté pro svou silnou degradaci parametrĤ nebyla schopna dalších funkþních testĤ. NicménČ pĜístroj byl kompletnČ navržen, realizován a otestován s pĜijatelnČ úspČšnými výsledky, které poukazují na správnČ aplikované teoretické znalosti návrhu nízkonákladové (COTS) elektroniky pro kosmické aplikace. Výsledky a nabyté zkušenosti se pĜedpokládají využít pĜi realizaci elektroniky modulu AIM (AOCS Interface Module) v projektu ESA ESMO (European Student Moon Orbiter).

80


6H]QDPSRXçLWpOLWHUDWXU\ [1] Draxler, K., Kašpar, P., Ripka, P.: Magnetické prvky a mČĜení. Skripta ýVUT, Praha 1999 [2] Holmes-Siedle A., Adams L.: Handbook of radiation effects, Oxford University Press, 2010 [3] Ripka, P. (ed.): Magnetic sensors and magnetometers. Artech, 2001 [4] Kubík, J., Pavel, L., Ripka, P.: PCB fluxgate sensor with improved temperature stability. Sensors and Actuators A, 2006, In press. [5] Kubík, J., Pavel, L., Ripka, P., Kašpar, P.: Low-power PCB fluxgate sensor. IEEE Sensors 2005, Irvine, 11/2005. [6] Black Arrow R2 Gyroskop [online]. c2011 [cit. 2011-02-26]. Dostupný z www: [7] Optovláknové gyroskopy ASTRIX [online]. c2011 [cit. 2011-02-26]. Dostupný z www: [8] RLG gyroskop [online]. c2011 [cit. 2011-02-26]. Dostupný z www: [9] RLG inerciální systém Marconi FIN3060 [online]. c2011 [cit. 2011-02-26]. Dostupný z www: [10] Struktura MEMS gyroskopu [online]. c2011 [cit. 2011-02-26]. Dostupný z www: [11] ESA MEMS rate gyro sensor [online]. c2011 [cit. 2011-02-26]. Dostupný z www: [12] Star tracker SED 26, Sodern [online]. c2008 [cit. 2011-02-27]. Dostupný z www: [13] Magnetometr Billingsley TFM100S [online]. c2005 [cit. 2011-02-28]. Dostupný z www: < http://www.magnetometer.com/magnetometer.php?id=4> [14] GPS receiver GPS-12

[online]. c2006 [cit. 2011-02-28]. Dostupný z www:

[15] Sun sensor FSS-05 [online]. c2006 [cit. 2011-02-28]. Dostupný z www: < http://www.satreci.com/products/products_04.htm>

81


[16] Earth horizon sensor [online]. c2010 [cit. 2011-03-03]. Dostupný z www: < http://www.satserv.co.uk/Earth%20Horizon%20Sensor.pdf > [17] Earth’s Inconstant Magnetic Field [online]. c2007 [cit. 2011-03-05]. Dostupný z www: [18] The Earth’s on tilt [online]. c2010 [cit. 2011-03-06]. Dostupný z www: [19] Magnetosféra ZemČ [online]. c2007 [cit. 2011-03-06]. Dostupný z www: [20] Jevy v plazmatu: Drift [online]. c2007 [cit. 2011-03-06]. Dostupný z www: [21] Radiation Belt Modeling for Living with a Star [online]. c2010 [cit. 2011-03-07]. Dostupný z www: < http://radbelts.gsfc.nasa.gov/outreach/Radbelts2.html> [22] The Van Allen Belts and Outer Space Plasmas: South Atlantic Anomaly [online]. c2010 [cit. 2011-03-07]. Dostupný z www: [23] Magnetics Surveying: Inclination, declination [online]. c2002 [cit. 2011-03-07]. Dostupný z www: [24] The Earth’s Magnetic Field: An Overview [online]. c2011 [cit. 2011-03-05]. Dostupný z www: < http://www.geomag.bgs.ac.uk/education/earthmag.html > [25] World Magnetic Model – Geomagnetic Online Calculator [online]. c2010 [cit. 201103-07]. Dostupný z www: < http://www.ngdc.noaa.gov/geomagmodels/IGRFWMM.jsp?defaultModel=WMM> [26] Introduction to Radiation-Resistant Semiconductor Devices and Circuits [online]. c1996 [cit. 2011-03-09]. Dostupný z www: [27] CMOS Inverter [online]. c2000 [cit. 2011-03-12]. Dostupný z www: [28] European space components information exchange system [online]. c2011 [cit. 201103-12]. Dostupný z www: [29] Radiation Effects & Analysis Home Page [online]. c2009 [cit. 2011-03-12]. Dostupný z www: < http://radhome.gsfc.nasa.gov/top.htm > [30] Ultra low power crystal oscillator [online]. c2004 [cit. 2011-03-13]. Dostupný z www:

82


[31] 2N2222A TID Test report [online]. c1997 [cit. 2011-03-13]. Dostupný z www: [32] TID and SEE evaluation of EEE parts for COROT DPU and STEREO SEPT/IMPACT [online]. c2004 [cit. 2011-03-13]. Dostupný z www: [33] EPPL: 08 Microcircuits list [online]. c2010 [cit. 2011-03-13]. Dostupný z www: [34] CMOS 4000B series [online]. c2004 [cit. 2011-03-13]. Dostupný z www: [35] Výkres izolaþní prĤchodky pro pouzdra TO-3 [online]. c2004 [cit. 2011-03-13]. Dostupný z www: [36] TLC226x, TLC226xA Operational Amplifiers [online]. c1997 [cit. 2011-03-15]. Dostupný z www: [37] Alloys: Sekels GmbH [online]. c2011 [cit. 2011-03-15]. Dostupný z www: [38] Pin Programmable Precision Voltage Reference AD584 [online]. c2001 [cit. 2011-0315]. Dostupný z www: [39] In-Orbit Attitude Performance of the 3-Axis Stabilised SNAP-1 Nanosatellite [online]. c2000 [cit. 2011-03-20]. Dostupný z www: [40] DS80C320/DS80C323 High-Speed/Low-Power Microcontrollers [online]. c2006 [cit. 2011-03-20]. Dostupný z www: [41] 2N6845 P-MOSFET datasheet [online]. c2006 [cit. 2011-03-20]. Dostupný z www: [43] Ing. Dr. Plaþek V.: Kobaltový ozaĜovaþ, Interní materiál ÚJV ěež, a.s., c2011 [44] ADS1211 Analog-to-Digital converter [online]. c2005 [cit. 2011-04-1]. Dostupný z www: [45] FTDI TTL-232R, TTL to USB Serial Converter [online]. c2010 [cit. 2011-04-1]. Dostupný z www:

83


[46] Kobaltová ozaĜovna v ESA-ESTEC [online]. c2011 [cit. 2011-04-9]. Dostupný z www: [47] Princip rentgenové elektronky [online]. c2011 [cit. 2011-04-9]. Dostupný z www: [48] Description of TRIGA reactor [online]. c1999 [cit. 2011-05-1]. Dostupný z www: [49] Very Low Power, 16-bit & 20-bit A/D Converters, Cirrus Logic [online]. c2009 [cit. 2011-05-1]. Dostupný z www: [50] The 2-transistor Black Regulator, Roman Black [online]. c2011 [cit. 2011-05-4]. Dostupný z www: [51] Paþes, P.: Freescale HC12 demo board - schéma zapojení [online]. c2009, Pavel Paþes [cit. 2011-05-05]. Dostupný z WWW: <www.pacespavel.net/Download/index.php?soubor=Paces_schUniversalModule> [52] Kirschvink, Joseph L.: Uniform Magnetic Fields and Double-Wrapped Coil Systems [online]. c1992 [cit. 2011-05-05]. Dostupný z WWW:

84


6H]QDPSĢtORK PĜílohy obsažené na CD-ROM: þtVORSĝtORK\

1i]HYDGUHViĝH 'DWD/RJJHU '3 )OX[JDWHVHQVRU 0DJQHWRPHWU+: 0DJQHWRPHWU6: 0$7/$% 3') 3UH]HQWDFH

2EVDK +:'36GDWDVKHHW\3&6:D):'DWD/RJJHUX GLSORPRYiSUiFHYHIRUPiWX06:RUG3') SRGNODG\SURYëUREXVHQ]RUĥ$XWRGHVN,QYHQWRU VFKpPD'36SRGNODG\SURYëUREX ):PDJQHWRPHWUX.HLO&SUR0&8 PVNULSW\SURJUDILFNp]SUDFRYiQtNRQYHUWRYDQëFKGDW GDWDVKHHW\NRPSRQHQWSRXæLWëFKYPDJQHWRPHWUX SUH]HQWDFHSURMHNWXYHIRUPiWX063RZHU3RLQW

85

Magnetometr pro ízení polohy satelitu. Magnetometer for satellite attitude control

Recommend Documents