摘 要： 針對航天領(lǐng)域星載電子設(shè)備的特點，通過多種隔離技術(shù)性能特點的比較，提出了基于iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)的ADuM440X系列芯片實現(xiàn)視頻匹配器的機理和應(yīng)用情況。經(jīng)測試，該電路不同通道間隔離性能優(yōu)良，本底噪聲極低，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞： iCoupler；測試系統(tǒng)
0 引言
在航天領(lǐng)域，為了確認航天器的各項性能和功能是否滿足設(shè)計要求，以及在試驗中獲取定性、定量參數(shù)并進行處理和評定，需要在航天器發(fā)射前的各個階段對航天器進行測試。航天器綜合測試通常指的是航天器電氣性能的測試，簡稱航天器電測。
航天器電測工作主要發(fā)生在航天器全壽命期和總裝試驗（Assembly Integration & Test，AI&T）階段。支持航天器電測的設(shè)備稱為電氣地面支持設(shè)備（Electrical Ground Support Equipment，EGSE）[1]。由于電測的對象為星載電子產(chǎn)品，一般價格較為高昂，如果在電測過程中由于一些不可預(yù)見的因素造成星載電子產(chǎn)品受損，后果將十分嚴重，不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，更重要的是星載電子產(chǎn)品中受損的元器件往往需要重新采購，從而嚴重影響項目的研制進度。因此，電測過程中星載電子產(chǎn)品的安全對項目是至關(guān)重要的，最好采用隔離技術(shù)提高星載電子產(chǎn)品的安全裕度，從而保證EGSE發(fā)生故障時對星載電子產(chǎn)品不會造成影響。
1 傳統(tǒng)隔離技術(shù)特點
隔離是防止通信節(jié)點間電流流動的有效手段。通常在兩種情況下需要用到隔離技術(shù)：一是存在大電流沖擊對器件或人造成傷害；二是需要避免連接中不同的地電位形成的環(huán)路，消除噪聲。在以上兩種情況下，隔離防止了通信節(jié)點間電流的流動而保證數(shù)據(jù)或者能量正常通過。對模擬信號進行隔離通常采用直接隔離的方式，主要包括線性光電耦合隔離、變壓器耦合隔離等[2]。
?。?）線性光電耦合
基于高精度線性光電耦合器和寬帶線性光電耦合器的信號隔離耦合電路基本形式分別如圖1和圖2所示。
高精度線性光電耦合方案具有如下優(yōu)點：①帶寬較小時可獲得良好線性；②帶寬較小時噪聲較小。同時也有不足：①需要精確調(diào)節(jié)偏置；②難以在較寬的頻帶范圍獲得較好的性能。
基于寬帶線性光耦的隔離耦合方案的主要特點為：①可在較大帶寬內(nèi)獲得一致的增益；②需要精確調(diào)節(jié)偏置；③耦合系數(shù)太小，導致噪聲較大?；趯拵Ь€性光耦的隔離耦合方案可實現(xiàn)比高精度線性光耦更寬的信號帶寬，但是在噪聲特性、線性度上性能比高精度線性光耦差。
?。?）變壓器耦合
基于變壓器的信號隔離耦合電路如圖3所示。
變壓器耦合方案具有如下特點：①電路非常簡單；②耦合系數(shù)大，噪聲低；③高頻特性好；④低頻特性差。
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上對于能夠替代傳統(tǒng)直接隔離方式并且具有改善性能、高集成度和低成本解決方案的需求十分強烈，基于上述原因，數(shù)字隔離方式（首先將模擬信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)變，經(jīng)過數(shù)字隔離后，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化還原為模擬信號）應(yīng)運而生。其中美國ADI公司生產(chǎn)的數(shù)字隔離器最具代表性，ADI公司開發(fā)出的多款適合高電壓環(huán)境的有效隔離電路、基于iCoupler的數(shù)字隔離技術(shù)解決方案，在各項隔離指標性能上都超越了傳統(tǒng)隔離方式，使其能夠在要求高速、精確的領(lǐng)域中得到充分的應(yīng)用。
2 ADuM440x系列芯片簡介
iCoupler隔離技術(shù)由ADI公司的陳寶興博士及其研發(fā)團隊提出，陳寶興博士由于開創(chuàng)性地應(yīng)用微型變壓器進行隔離信號的傳輸，獲得了ADI公司院士（Fellow）這一榮譽稱號，且也是目前唯一獲得這一榮譽的中國人[3]。ADuM440x系列芯片是基于ADI公司iCoupler技術(shù)，采用高速CMOS電路和微型變壓器的數(shù)字隔離器。該系列芯片具有4個通信通道，可通過實際需要對子系列進行選型：ADuM4400中有4路正向通道、無反向通道；ADuM4401中有3路正向通道、1路反向通道；ADuM4402中有2路正向通道、2路反向通道。
ADuM440x工作電壓范圍為2.7 V～5.5 V，額定隔離電壓為5.0 kVrms，靜態(tài)電流小于0.8 mA，數(shù)據(jù)傳輸時消耗的動態(tài)電流小于0.26 mA/（Mb/s）。ADuM440x有ADuM440xAR、ADuM440xBR、ADuM440xCR三種不同的規(guī)格，芯片的最高工作溫度均為105℃，支持最高傳輸速率分別為1 Mb/s、10 Mb/s、90 Mb/s，傳輸延遲分別為100 ns、50 ns、32 ns。ADuM440x功耗極低，封裝形式均為SOIC-16[4]。由于ADuM440x的性能優(yōu)良，且具有反向通信通道，被廣泛地應(yīng)用于數(shù)字現(xiàn)場總線的隔離，并在數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口方面也有廣泛的應(yīng)用。
ADuM440x系列芯片邏輯接口不需要任何外部接口電路，使用時最好在輸入端和輸出端的供電引腳處均增加一個旁路電容進行濾波，以降低印制板上的EMI輻射。輸入端的旁路電容可以加在1、2引腳之間或1、8引腳之間，輸出端的旁路電容可以加在9、16引腳之間或15、16引腳之間，如圖4所示。電容值應(yīng)在0.01 F～0.1 F之間。一般情況下，電容管腳與器件電源引腳之間的距離不超過20 mm，此時濾波性能更優(yōu)異。
3 基于ADuM440x的測試系統(tǒng)
3.1 測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)由眾多的EGSE組成，視頻匹配器作為EGSE中遙測遙控通道重要的測試設(shè)備，用于實現(xiàn)星載電子產(chǎn)品與地面測試系統(tǒng)之間視頻信號的匹配、隔離、通道切換、輸出信號調(diào)節(jié)等功能，從而保證前、返向數(shù)據(jù)流安全傳輸。
視頻匹配器按照項目設(shè)計要求，高度為2U，寬為19英寸，機箱深度為500 mm，每臺匹配器中存在3路輸入通道、6路輸出通道，設(shè)計要求輸入通道之間、輸出通道之間、輸入通道與輸出通道之間均隔離，且通道的本底噪聲≤200 mVp-p。由于設(shè)備內(nèi)部通道較多，一般的模擬隔離方式需占用較大空間、功耗也較大，且不能保證本底噪聲滿足指標要求。而iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)具有時序精度高、瞬態(tài)共模抑制力強、噪聲低、功耗低、器件集成度高、應(yīng)用更靈活（存在正向、反向通道）等優(yōu)點，故選用ADuM4400和ADuM4401芯片用于通道間的隔離設(shè)計。整個視頻匹配器還包括：ADC、電源模塊、運算放大器、FPGA、DAC、CPU等。
（1）ADC：ADS850Y，14 bit，10 Msps，差分輸入；
?。?）電源模塊：WRA1205ZP，+12 V電壓轉(zhuǎn)換為±5 V；
（3）運算放大器：OPA2822U、AD8138AR，低功耗、低噪聲；
?。?）DAC：AD768AR，16 bit，30 Msps；
?。?）FPGA：Cyclone I EP1C12Q240，最多可使用249個I/O管腳；
?。?）CPU：LPC2378，具有豐富的外圍接口。
整個視頻匹配器的原理框圖如圖5所示。
3.2 原理設(shè)計
每一路輸入視頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?4 bit的數(shù)字量，同時輸出OVR信號（溢出指示），共15 bit，這些數(shù)字量均需通過隔離器件輸入到FPGA中進行算法處理。同時FPGA輸出1路時鐘信號作為A/D的采樣時鐘，同樣也需通過隔離器件。選用3片ADuM4400和1片ADuM4401數(shù)字隔離芯片正好完成15 bit數(shù)字量正向傳輸、1路數(shù)字量反向傳輸。
FPGA內(nèi)部經(jīng)過相關(guān)的算法處理后，輸出16 bit數(shù)字量，外加1路時鐘信號送DA，由于實際中數(shù)字量的最高位對視頻模擬信號的恢復(fù)無太大影響（即FPGA輸出的15 bit數(shù)字量也能最終恢復(fù)波形良好的視頻信號），因此實際設(shè)計時令FPGA輸出15 bit數(shù)字量和1路時鐘信號送DA。由于均為正向傳輸，因此選用4片ADuM4400完成FPGA與DA之間的信號隔離。圖6、圖7為單路輸入通道、輸出通道ADuM440x系列隔離芯片的原理圖。
3.3 PCB板設(shè)計
由于視頻匹配器具有3路輸入通道、6路輸出通道，每一通道內(nèi)涉及的器件雖然較多，但基本一致。在設(shè)計PCB板時，按照通道間的電氣性能進行合理分區(qū)，同一功能的電路盡量靠近放置，并調(diào)整各元器件以保證連線最為簡潔，同時，調(diào)整各功能塊間的相對位置使功能塊間的連線最簡潔；對于質(zhì)量大的元器件（如WRA1205ZP），充分考慮安裝位置和安裝強度，保證電源模塊良好的散熱；在每個集成電路的電源輸入腳和地之間，增加一個去耦電容（采用高頻性能好的獨石電容）以降低PCB板上的EMI輻射。在設(shè)計PCB板過程中增加蜂鳴器，當信號輸入幅度過大或輸出信號幅度超限時產(chǎn)生報警聲，起到一定的警示作用。
圖8顯示了最終的PCB板設(shè)計情況，其中黑色框內(nèi)的器件即為ADuM440x系列芯片?；谄骷己玫男阅芴匦?、合理的濾波器設(shè)計以及印制板布局布線設(shè)計，產(chǎn)品的本底噪聲實測約為11 mVp-p，如圖9所示，遠小于技術(shù)指標要求200 mVp-p，噪聲抑制特性良好。對所有技術(shù)指標進行測試后，均滿足項目要求，隔離效果優(yōu)良，不同通道間的靜態(tài)阻抗達到了500 M?贅以上，到達了預(yù)期的設(shè)計結(jié)果。
4 結(jié)論
本文結(jié)合航天星載電子設(shè)備的測試系統(tǒng)開發(fā)，提出了基于ADuM440x系列芯片的視頻匹配器的設(shè)計，依據(jù)現(xiàn)場測試的結(jié)果和波形可以得出：設(shè)備工作性能良好，可以進行穩(wěn)定、可靠的前、返向數(shù)據(jù)通信，隔離性能優(yōu)良，噪聲抑制有效，能夠完成所有的預(yù)期功能，完全符合設(shè)計要求。這種方法適用于現(xiàn)場環(huán)境惡劣的高電壓、強電場的測控環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)，同時也適用于其他類似的分布式工業(yè)測控系統(tǒng)。
參考文獻
[1] 譚維熾，胡金剛.航天器系統(tǒng)工程[M].北京：中國科學技術(shù)出版社，2009.
[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001.
[3] 王偉.ADI企業(yè)家文化氛圍成就創(chuàng)新型人才成長[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（8）：1.
[4] Analog Devices， Inc. ADuM4400_4401_4402 數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].[2012-7-24].http：//www.analog.com.