小型電離層探測儀類比前端處理單元

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姓名

林宗琪(Tsung-Chi Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

小型電離層探測儀類比前端處理單元
(Analog Preprocessing Unit of Compact Ionosphere Probe)

相關論文

★ 動態視星等之星象辨識演算法	★ 太空電漿探針系統
★ 太空離子探測系統	★ 微衛星離子探測系統
★ 電子溫度儀在太空電漿模擬艙之量測	★ 先進電離層探測儀之機構設計與分析
★ 先進電離層探測儀離子流向推導與校正	★ 探空火箭姿態計
★ 先進電離層探測儀地面電子測試設備	★ 熱真空測試系統
★ 太空電漿模擬艙自動化監控系統	★ 數位式探空火箭姿態量測模組
★ 先進電離層探測儀整合測試系統	★ 先進電離層探測儀數位控制單元之研製
★ 探空十號火箭的姿態重建與分析	★ 先進電離層雙生儀地面電子測試設備

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摘要(中)

小型電離層探測儀（Compact Ionosphre Probe, CIP）是多合一電離層電漿量測科學酬載，為先進電離層探測儀（Advanced Ionospheric Probe, AIP）的改良版。CIP與AIP最大的差異在將AIP上的科學酬載電子系統（Science Payload Electronics Unit, SPEU）整合至探測器內部，不但降低功耗，也大大節省科學酬載的空間，使其更適合放置在立方衛星（CubeSat）上，如於由美國、印度、與台灣所合作的3U立方衛星－International Satellite Program in Research and Education Satellite-1（INSPIRESat-1），和未來太空中心所設計之3U立方衛星－Ionospheric Dynamics Explorer and Attitude Subsystem Satellite（IDEASSat），作為主要科學酬載。
作為科學酬載，CIP主要是以不同模式下所量測到的電流量，判斷該區域的電漿特性。為了使量測範圍更加符合任務操作的環境需求，本文分析了CIP所能收集到的離子及電子電流，並以此設定優化了電路的放大倍率。而所執行的科學任務之一，就是量測電離層F層中的電漿不規則體（Plasma Irregularities）。F層的電漿不規則體通常為電漿密度較低的電漿泡（Plasma Bubble），而密度低直接影響到科學酬載所能量測到的電流值下限，因此在CIP的設計上，更注重在提升儀器類比前端處理單元的系統靈敏度（system sensitivity）。即使在微小電流訊號的情況下，也能準確量測的電漿特性。CIP使用過取樣（oversampling）的方式，不僅簡化前置抗混疊低通濾波器的設計，也大大提升整體訊噪比。再以濾波器動態範圍（Filter System Dynamic Range）來判斷系統靈敏度。本文也為CIP的類比前端處理單元電路部分作詳盡的介紹，並對目前設計的原型體（Prototype）做功能測試，以驗證所設計的電路之功能性。

摘要(英)

Compact Ionoshpere Probe (CIP) is an all-in-one plasma sensor which could perform multiple sensor functions with single instrument, and an improved version of Advanced Ionospheric Probe (AIP). The most significant difference is that CIP integrates the Science Payload Electronics Unit (SPEU) into the sensor so that it could reduce power consumption and make sensor size fit in 1U. It is more suitable for cubesat and CIP would be the major science payload of INSPIRESat-1, which is a 6U cubesat.
As the science payload, CIP measures the current in different modes to diagnosis the characteristic of plasma. In this research, we will analyze the current flux of ion and electron and determine the gain of our current meter to ensure the range of measurement to match the requirement. One of the science missions is to measure Plasma Irregularities in F-layer. That the density of plasma irregularities is lower than that of environment generally would affect the current minimum which we can measure. When we design this instrument, we focus on improving the system sensitivity of CIP, including increasing the dynamic range of filter system, which represents the current minimum value distinguished by CIP, with oversampling and 2nd order filter. We would introduce the design of Analog Preprocessing Unit (APU), and examine some functional tests for CIP prototype to verify the design and function reasonably.

關鍵字(中)

★ 小型電離層探測儀
★ 類比前端處理單元
★ 動態範圍
★ 電流計放大倍率

關鍵字(英)

★ CIP
★ Compact Ionosphere Probe
★ Analog Preprocessing Unit
★ Dynamic range
★ plasma diagnostics
★ INSPIRESat-1

論文目次

中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 ix
1 簡介 1
1.1 電離層 1
1.2 INSPIRESat-1 2
1.3 先進電離層探測儀 3
1.4 小型電離層探測儀 5
1.4.1 硬體架構 5
1.4.1.1 AMM 6
1.4.1.2 CBS 8
1.4.2 量測模式 9
1.5 章節說明 10
2 類比前端處理單元設計 11
2.1 電路架構 11
2.2 電路設計 12
2.2.1 前置放大電路 12
2.2.1.1 SPDT 類比切換器 13
2.2.1.2 電流至電壓放大器 14
2.2.1.3 電壓隨耦器 15
2.2.1.4 差值放大器 16
2.2.2 類比至數位轉換電路 19
2.2.2.1 LTC1867 19
2.2.2.2 ADS8688 22
2.2.3 數位至類比轉換電路 24
2.2.3.1 數位至類比轉換器 24
2.2.3.2 非反向放大器 25
2.3 電路佈局 26
2.3.1 電源電容選擇 27
2.3.2 電路板疊構 28
3 電流流量與系統靈敏度分析方法 34
3.1 離子流量評估 34
3.2 電子流量評估 37
3.3 濾波器動態範圍 38
3.3.1 取樣定理 38
3.3.2 抗混疊濾波器 39
3.3.3 取樣慮設定 42
3.3.4 動態範圍 43
4 結果分析與原型體測試 47
4.1 APU 原型體放大倍率 47
4.2 系統靈敏度分析結果 48
4.2.1 動態範圍分析 48
4.3 放大倍率設定 51
4.4 原型體測試 52
4.4.1 電流注入測試 53
4.4.1.1 偏移電壓校正 54
4.4.1.2 直流測試 55
4.4.2 DAC 測試 56
5 結論與未來發展 58
參考文獻 59
A 相關資料 61
A.1 三電阻整流器計算 61
A.2 APU 原型體接頭腳位定義 62

參考文獻

Analog Devices, AD822, Single-Supply, Rail-to-Rail Low Power FET-Input Op Amp.
Analog Devices, ADG5434, High Voltage Latch-up Proof, Triple/Quad SPDT Switches.
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Texas Instruments, DAC121, DAC121S101/-Q1 12-Bit Micro Power, RRO Digirtal-to-Analog Converter.
Linear Technology, LTC1867, 12-/16-Bit, 8-Channel 200ksps ADCs.
Analog Devices, OP97, Low Power, High Precision Operational Amplifier.
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林再文, 太空離子探測系統, Master’s thesis, 國立中央大學, 2010.
朱宴達, 微衛星離子探測系統, Master’s thesis, 國立中央大學, 2011.
林再文, 先進電離層探測儀, Ph.D. thesis, 國立中央大學, 2016.
曾從恩, 小型電離層探測儀電源管理單元, Master’s thesis, 國立中央大學, 2017.
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Kester, W., Mixed-signal and dsp design techniques, 2003.
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Team-X, Inspiresat-1 phase a proposal for a satellite carrying the compact ionosphere probe(cip), 2017.
Woodman, R., Spread F - an old equatorial aeronomy problem finally resolved?

指導教授

趙吉光(Chi-Kuang Chao)

審核日期

2017-8-14

推文