摘 要： 针对航天领域星载电子设备的特点，通过多种隔离技术性能特点的比较，提出了基于iCoupler数字隔离技术的ADuM440X系列芯片实现视频匹配器的机理和应用情况。经测试，该电路不同通道间隔离性能优良，本底噪声极低，系统运行稳定、可靠。
关键词： iCoupler；测试系统
0 引言
在航天领域，为了确认航天器的各项性能和功能是否满足设计要求，以及在试验中获取定性、定量参数并进行处理和评定，需要在航天器发射前的各个阶段对航天器进行测试。航天器综合测试通常指的是航天器电气性能的测试，简称航天器电测。
航天器电测工作主要发生在航天器全寿命期和总装试验（Assembly Integration & Test，AI&T）阶段。支持航天器电测的设备称为电气地面支持设备（Electrical Ground Support Equipment，EGSE）[1]。由于电测的对象为星载电子产品，一般价格较为高昂，如果在电测过程中由于一些不可预见的因素造成星载电子产品受损，后果将十分严重，不仅造成巨大的经济损失，更重要的是星载电子产品中受损的元器件往往需要重新采购，从而严重影响项目的研制进度。因此，电测过程中星载电子产品的安全对项目是至关重要的，最好采用隔离技术提高星载电子产品的安全裕度，从而保证EGSE发生故障时对星载电子产品不会造成影响。
1 传统隔离技术特点
隔离是防止通信节点间电流流动的有效手段。通常在两种情况下需要用到隔离技术：一是存在大电流冲击对器件或人造成伤害；二是需要避免连接中不同的地电位形成的环路，消除噪声。在以上两种情况下，隔离防止了通信节点间电流的流动而保证数据或者能量正常通过。对模拟信号进行隔离通常采用直接隔离的方式，主要包括线性光电耦合隔离、变压器耦合隔离等[2]。
（1）线性光电耦合
基于高精度线性光电耦合器和宽带线性光电耦合器的信号隔离耦合电路基本形式分别如图1和图2所示。
高精度线性光电耦合方案具有如下优点：①带宽较小时可获得良好线性；②带宽较小时噪声较小。同时也有不足：①需要精确调节偏置；②难以在较宽的频带范围获得较好的性能。
基于宽带线性光耦的隔离耦合方案的主要特点为：①可在较大带宽内获得一致的增益；②需要精确调节偏置；③耦合系数太小，导致噪声较大。基于宽带线性光耦的隔离耦合方案可实现比高精度线性光耦更宽的信号带宽，但是在噪声特性、线性度上性能比高精度线性光耦差。
（2）变压器耦合
基于变压器的信号隔离耦合电路如图3所示。
变压器耦合方案具有如下特点：①电路非常简单；②耦合系数大，噪声低；③高频特性好；④低频特性差。
随着电子技术的不断发展，市场上对于能够替代传统直接隔离方式并且具有改善性能、高集成度和低成本解决方案的需求十分强烈，基于上述原因，数字隔离方式（首先将模拟信号进行数字化转变，经过数字隔离后，再经过数模转化还原为模拟信号）应运而生。其中美国ADI公司生产的数字隔离器最具代表性，ADI公司开发出的多款适合高电压环境的有效隔离电路、基于iCoupler的数字隔离技术解决方案，在各项隔离指标性能上都超越了传统隔离方式，使其能够在要求高速、精确的领域中得到充分的应用。
2 ADuM440x系列芯片简介
iCoupler隔离技术由ADI公司的陈宝兴博士及其研发团队提出，陈宝兴博士由于开创性地应用微型变压器进行隔离信号的传输，获得了ADI公司院士（Fellow）这一荣誉称号，且也是目前唯一获得这一荣誉的中国人[3]。ADuM440x系列芯片是基于ADI公司iCoupler技术，采用高速CMOS电路和微型变压器的数字隔离器。该系列芯片具有4个通信通道，可通过实际需要对子系列进行选型：ADuM4400中有4路正向通道、无反向通道；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工作电压范围为2.7 V～5.5 V，额定隔离电压为5.0 kVrms，静态电流小于0.8 mA，数据传输时消耗的动态电流小于0.26 mA/（Mb/s）。ADuM440x有ADuM440xAR、ADuM440xBR、ADuM440xCR三种不同的规格，芯片的最高工作温度均为105℃，支持最高传输速率分别为1 Mb/s、10 Mb/s、90 Mb/s，传输延迟分别为100 ns、50 ns、32 ns。ADuM440x功耗极低，封装形式均为SOIC-16[4]。由于ADuM440x的性能优良，且具有反向通信通道，被广泛地应用于数字现场总线的隔离，并在数据通信及数据转换接口方面也有广泛的应用。
ADuM440x系列芯片逻辑接口不需要任何外部接口电路，使用时最好在输入端和输出端的供电引脚处均增加一个旁路电容进行滤波，以降低印制板上的EMI辐射。输入端的旁路电容可以加在1、2引脚之间或1、8引脚之间，输出端的旁路电容可以加在9、16引脚之间或15、16引脚之间，如图4所示。电容值应在0.01 F～0.1 F之间。一般情况下，电容管脚与器件电源引脚之间的距离不超过20 mm，此时滤波性能更优异。
3 基于ADuM440x的测试系统
3.1 测试系统的体系结构
卫星地面测试系统由众多的EGSE组成，视频匹配器作为EGSE中遥测遥控通道重要的测试设备，用于实现星载电子产品与地面测试系统之间视频信号的匹配、隔离、通道切换、输出信号调节等功能，从而保证前、返向数据流安全传输。
视频匹配器按照项目设计要求，高度为2U，宽为19英寸，机箱深度为500 mm，每台匹配器中存在3路输入通道、6路输出通道，设计要求输入通道之间、输出通道之间、输入通道与输出通道之间均隔离，且通道的本底噪声≤200 mVp-p。由于设备内部通道较多，一般的模拟隔离方式需占用较大空间、功耗也较大，且不能保证本底噪声满足指标要求。而iCoupler数字隔离技术具有时序精度高、瞬态共模抑制力强、噪声低、功耗低、器件集成度高、应用更灵活（存在正向、反向通道）等优点，故选用ADuM4400和ADuM4401芯片用于通道间的隔离设计。整个视频匹配器还包括：ADC、电源模块、运算放大器、FPGA、DAC、CPU等。
（1）ADC：ADS850Y，14 bit，10 Msps，差分输入；
（2）电源模块：WRA1205ZP，+12 V电压转换为±5 V；
（3）运算放大器：OPA2822U、AD8138AR，低功耗、低噪声；
（4）DAC：AD768AR，16 bit，30 Msps；
（5）FPGA：Cyclone I EP1C12Q240，最多可使用249个I/O管脚；
（6）CPU：LPC2378，具有丰富的外围接口。
整个视频匹配器的原理框图如图5所示。
3.2 原理设计
每一路输入视频信号经过A/D转换后，变为14 bit的数字量，同时输出OVR信号（溢出指示），共15 bit，这些数字量均需通过隔离器件输入到FPGA中进行算法处理。同时FPGA输出1路时钟信号作为A/D的采样时钟，同样也需通过隔离器件。选用3片ADuM4400和1片ADuM4401数字隔离芯片正好完成15 bit数字量正向传输、1路数字量反向传输。
FPGA内部经过相关的算法处理后，输出16 bit数字量，外加1路时钟信号送DA，由于实际中数字量的最高位对视频模拟信号的恢复无太大影响（即FPGA输出的15 bit数字量也能最终恢复波形良好的视频信号），因此实际设计时令FPGA输出15 bit数字量和1路时钟信号送DA。由于均为正向传输，因此选用4片ADuM4400完成FPGA与DA之间的信号隔离。图6、图7为单路输入通道、输出通道ADuM440x系列隔离芯片的原理图。
3.3 PCB板设计
由于视频匹配器具有3路输入通道、6路输出通道，每一通道内涉及的器件虽然较多，但基本一致。在设计PCB板时，按照通道间的电气性能进行合理分区，同一功能的电路尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁，同时，调整各功能块间的相对位置使功能块间的连线最简洁；对于质量大的元器件（如WRA1205ZP），充分考虑安装位置和安装强度，保证电源模块良好的散热；在每个集成电路的电源输入脚和地之间，增加一个去耦电容（采用高频性能好的独石电容）以降低PCB板上的EMI辐射。在设计PCB板过程中增加蜂鸣器，当信号输入幅度过大或输出信号幅度超限时产生报警声，起到一定的警示作用。
图8显示了最终的PCB板设计情况，其中黑色框内的器件即为ADuM440x系列芯片。基于器件良好的性能特性、合理的滤波器设计以及印制板布局布线设计，产品的本底噪声实测约为11 mVp-p，如图9所示，远小于技术指标要求200 mVp-p，噪声抑制特性良好。对所有技术指标进行测试后，均满足项目要求，隔离效果优良，不同通道间的静态阻抗达到了500 M?赘以上，到达了预期的设计结果。
4 结论
本文结合航天星载电子设备的测试系统开发，提出了基于ADuM440x系列芯片的视频匹配器的设计，依据现场测试的结果和波形可以得出：设备工作性能良好，可以进行稳定、可靠的前、返向数据通信，隔离性能优良，噪声抑制有效，能够完成所有的预期功能，完全符合设计要求。这种方法适用于现场环境恶劣的高电压、强电场的测控环境的监控系统，同时也适用于其他类似的分布式工业测控系统。
参考文献
[1] 谭维炽，胡金刚.航天器系统工程[M].北京：中国科学技术出版社，2009.
[2] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001.
[3] 王伟.ADI企业家文化氛围成就创新型人才成长[J].电子技术应用，2011，37（8）：1.
[4] Analog Devices， Inc. ADuM4400_4401_4402 数据手册[EB/OL].[2012-7-24].http：//www.analog.com.