摘 要： 針對(duì)航天領(lǐng)域星載電子設(shè)備的特點(diǎn)，通過(guò)多種隔離技術(shù)性能特點(diǎn)的比較，提出了基于iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)的ADuM440X系列芯片實(shí)現(xiàn)視頻匹配器的機(jī)理和應(yīng)用情況。經(jīng)測(cè)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(yùn)行穩(wěn)定、可靠。
關(guān)鍵詞： iCoupler；測(cè)試系統(tǒng)
0 引言
在航天領(lǐng)域，為了確認(rèn)航天器的各項(xiàng)性能和功能是否滿足設(shè)計(jì)要求，以及在試驗(yàn)中獲取定性、定量參數(shù)并進(jìn)行處理和評(píng)定，需要在航天器發(fā)射前的各個(gè)階段對(duì)航天器進(jìn)行測(cè)試。航天器綜合測(cè)試通常指的是航天器電氣性能的測(cè)試，簡(jiǎn)稱航天器電測(cè)。
航天器電測(cè)工作主要發(fā)生在航天器全壽命期和總裝試驗(yàn)（Assembly Integration & Test，AI&T）階段。支持航天器電測(cè)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(cè)的對(duì)象為星載電子產(chǎn)品，一般價(jià)格較為高昂，如果在電測(cè)過(guò)程中由于一些不可預(yù)見(jiàn)的因素造成星載電子產(chǎn)品受損，后果將十分嚴(yán)重，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(gòu)，從而嚴(yán)重影響項(xiàng)目的研制進(jìn)度。因此，電測(cè)過(guò)程中星載電子產(chǎn)品的安全對(duì)項(xiàng)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(shí)對(duì)星載電子產(chǎn)品不會(huì)造成影響。
1 傳統(tǒng)隔離技術(shù)特點(diǎn)
隔離是防止通信節(jié)點(diǎn)間電流流動(dòng)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(duì)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(diǎn)間電流的流動(dòng)而保證數(shù)據(jù)或者能量正常通過(guò)。對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)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(hào)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(diǎn)：①帶寬較小時(shí)可獲得良好線性；②帶寬較小時(shí)噪聲較小。同時(shí)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(diǎn)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(dǎo)致噪聲較大。基于寬帶線性光耦的隔離耦合方案可實(shí)現(xiàn)比高精度線性光耦更寬的信號(hào)帶寬，但是在噪聲特性、線性度上性能比高精度線性光耦差。
（2）變壓器耦合
基于變壓器的信號(hào)隔離耦合電路如圖3所示。
變壓器耦合方案具有如下特點(diǎn)：①電路非常簡(jiǎn)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(chǎng)上對(duì)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(qiáng)烈，基于上述原因，數(shù)字隔離方式（首先將模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)變，經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離后，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化還原為模擬信號(hào)）應(yīng)運(yùn)而生。其中美國(guó)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(xiàng)隔離指標(biāo)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(jiǎn)介
iCoupler隔離技術(shù)由ADI公司的陳寶興博士及其研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出，陳寶興博士由于開創(chuàng)性地應(yīng)用微型變壓器進(jìn)行隔離信號(hào)的傳輸，獲得了ADI公司院士（Fellow）這一榮譽(yù)稱號(hào)，且也是目前唯一獲得這一榮譽(yù)的中國(guó)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(gè)通信通道，可通過(guò)實(shí)際需要對(duì)子系列進(jìn)行選型：ADuM4400中有4路正向通道、無(wú)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(shí)消耗的動(dòng)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(chǎng)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(shí)最好在輸入端和輸出端的供電引腳處均增加一個(gè)旁路電容進(jìn)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(guò)20 mm，此時(shí)濾波性能更優(yōu)異。
3 基于ADuM440x的測(cè)試系統(tǒng)
3.1 測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
衛(wèi)星地面測(cè)試系統(tǒng)由眾多的EGSE組成，視頻匹配器作為EGSE中遙測(cè)遙控通道重要的測(cè)試設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)星載電子產(chǎn)品與地面測(cè)試系統(tǒng)之間視頻信號(hào)的匹配、隔離、通道切換、輸出信號(hào)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(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，高度為2U，寬為19英寸，機(jī)箱深度為500 mm，每臺(tái)匹配器中存在3路輸入通道、6路輸出通道，設(shè)計(jì)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(biāo)要求。而iCoupler數(shù)字隔離技術(shù)具有時(shí)序精度高、瞬態(tài)共模抑制力強(qiáng)、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(diǎn)，故選用ADuM4400和ADuM4401芯片用于通道間的隔離設(shè)計(jì)。整個(gè)視頻匹配器還包括：ADC、電源模塊、運(yùn)算放大器、FPGA、DAC、CPU等。
?。?）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；
?。?）運(yùn)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(gè)I/O管腳；
?。?）CPU：LPC2378，具有豐富的外圍接口。
整個(gè)視頻匹配器的原理框圖如圖5所示。
3.2 原理設(shè)計(jì)
每一路輸入視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?4 bit的數(shù)字量，同時(shí)輸出OVR信號(hào)（溢出指示），共15 bit，這些數(shù)字量均需通過(guò)隔離器件輸入到FPGA中進(jìn)行算法處理。同時(shí)FPGA輸出1路時(shí)鐘信號(hào)作為A/D的采樣時(shí)鐘，同樣也需通過(guò)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(guò)相關(guān)的算法處理后，輸出16 bit數(shù)字量，外加1路時(shí)鐘信號(hào)送DA，由于實(shí)際中數(shù)字量的最高位對(duì)視頻模擬信號(hào)的恢復(fù)無(wú)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(hào)），因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)令FPGA輸出15 bit數(shù)字量和1路時(shí)鐘信號(hào)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(hào)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(jì)
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(jì)PCB板時(shí)，按照通道間的電氣性能進(jìn)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(jiǎn)潔，同時(shí)，調(diào)整各功能塊間的相對(duì)位置使功能塊間的連線最簡(jiǎn)潔；對(duì)于質(zhì)量大的元器件（如WRA1205ZP），充分考慮安裝位置和安裝強(qiáng)度，保證電源模塊良好的散熱；在每個(gè)集成電路的電源輸入腳和地之間，增加一個(gè)去耦電容（采用高頻性能好的獨(dú)石電容）以降低PCB板上的EMI輻射。在設(shè)計(jì)PCB板過(guò)程中增加蜂鳴器，當(dāng)信號(hào)輸入幅度過(guò)大或輸出信號(hào)幅度超限時(shí)產(chǎn)生報(bào)警聲，起到一定的警示作用。
圖8顯示了最終的PCB板設(shè)計(jì)情況，其中黑色框內(nèi)的器件即為ADuM440x系列芯片?；谄骷己玫男阅芴匦浴⒑侠淼臑V波器設(shè)計(jì)以及印制板布局布線設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的本底噪聲實(shí)測(cè)約為11 mVp-p，如圖9所示，遠(yuǎn)小于技術(shù)指標(biāo)要求200 mVp-p，噪聲抑制特性良好。對(duì)所有技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試后，均滿足項(xiàng)目要求，隔離效果優(yōu)良，不同通道間的靜態(tài)阻抗達(dá)到了500 M?贅以上，到達(dá)了預(yù)期的設(shè)計(jì)結(jié)果。
4 結(jié)論
本文結(jié)合航天星載電子設(shè)備的測(cè)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(jì)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果和波形可以得出：設(shè)備工作性能良好，可以進(jìn)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(jì)要求。這種方法適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣的高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)的測(cè)控環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也適用于其他類似的分布式工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)。
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