基于自動測試系統(tǒng)的小信號模擬量測量方法研究

雷江妮，成鵬展，聶同攀

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計研究院，西安 710089)

0 引言

在航空裝備自動測試系統(tǒng)(自動測試系統(tǒng))領(lǐng)域，由于機(jī)載設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，受電源干擾和電磁干擾較大、測量線路冗長、開關(guān)級聯(lián)較多、自動測試系統(tǒng)輸出供電電源紋波較大等外在影響因素，準(zhǔn)確測量模擬量小信號是一個難點(diǎn)，采用自動測試系統(tǒng)基本配置測量機(jī)載設(shè)備小信號模擬量時，其測量準(zhǔn)確度無法滿足測試需求。本文基于組合接收機(jī)小信號測量誤差處理經(jīng)驗(yàn)，在分析多種因素對測量結(jié)果的影響的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)排除次要影響因素，提出了在自動測試系統(tǒng)中集成電源濾波器和軟件濾波的組合方法對模擬量小信號測量誤差進(jìn)行修正，并通過外場試驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)該方法可行。

1 問題描述

在某型自動測試系統(tǒng)研制過程中，采用自動測試系統(tǒng)直接檢測某組合接收機(jī)。通過測試結(jié)果顯示8項指標(biāo)不合格，與出廠測試偏差過大，超出測試合格范圍。具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 某組合接收機(jī)部分測試項目測試結(jié)果

通過表1可看出，采用自動測試系統(tǒng)測量該型組合接收機(jī)，存在8項測試結(jié)果不符合要求。結(jié)合產(chǎn)品電路特征，對以上測試結(jié)果進(jìn)行分析，可將問題歸類為以下3個方面：

1)下滑航道中心指示模擬量測量偏差；

2)航向航道中心指示模擬量測量偏差；

3)音頻輸出測量偏差。

針對這3個方面存在的測量偏差，測量原理進(jìn)行深度分析。

2 測量原理

組合接收機(jī)的下滑航道數(shù)據(jù)接收機(jī)輸出、航向數(shù)據(jù)接收機(jī)輸出、音頻輸出為獨(dú)立功能電路。針對以上特征，設(shè)計相應(yīng)的測量電路。

2.1 下滑航道電路測量原理

自動測試系統(tǒng)內(nèi)置航空無線電綜合測試設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)下滑載波射頻信號，通過射頻電纜直接加載到組合接收機(jī)下滑航道信號輸入接口，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部下滑航道解調(diào)電路，再經(jīng)信號調(diào)理電路后由CPU中央處理控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算和轉(zhuǎn)換，通過CPU數(shù)據(jù)口輸出并口數(shù)字量。

CPU輸出的并口數(shù)據(jù)同時發(fā)給3個通道：D/A轉(zhuǎn)換電路、1553B總線信號轉(zhuǎn)換電路、429總線信號轉(zhuǎn)換電路。本質(zhì)上講三路信號是同源信號，其輸出量應(yīng)是一致的。

自動測試系統(tǒng)采用34 401數(shù)字萬用表毫伏檔測量D/A轉(zhuǎn)換后輸出的模擬量直流電壓信號；

自動測試系統(tǒng)采用內(nèi)置1553B通信卡測量1553B總線信號輸出；

自動測試系統(tǒng)采用內(nèi)置429通信卡測量429總線信號輸出。

下滑航道電路測量原理見圖1所示。

圖1 下滑航道電路測量原理

2.2 航向航道電路測量原理

自動測試系統(tǒng)內(nèi)置航空無線電綜合測試設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)>航道載波射頻信號，通過射頻電纜直接加載到組合接收機(jī)航向航道信號輸入接口，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部航向航道解調(diào)電路，再經(jīng)信號調(diào)理電路后由CPU中央處理控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算和轉(zhuǎn)換，通過CPU數(shù)據(jù)口輸出并口數(shù)字量。

自動測試系統(tǒng)采用34 401數(shù)字萬用表毫伏檔測量D/A轉(zhuǎn)換后輸出的模擬量直流電壓信號；

自動測試系統(tǒng)采用內(nèi)置1553B通信卡測量1553B總線信號輸出；

自動測試系統(tǒng)采用內(nèi)置429通信卡測量429總線信號輸出。

航向航道電路測量原理見圖2所示。

圖2 航向航道電路測量原理

2.3 音頻電路測量原理

MLS音頻電路測量和ILS音頻信號測量方法是一樣的，只是輸出通道不一樣，輸入來源也不同。

自動測試系統(tǒng)內(nèi)置航空無線電綜合測試設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)音頻載波射頻信號，通過射頻電纜直接加載到某組合接收機(jī)相應(yīng)信號輸入接口，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部解調(diào)電路，再經(jīng)信號調(diào)理電路后，通過自反饋放大器輸出音頻信號，輸出音頻信號的大小由自反饋放大器偏置電路中的輸出調(diào)整電位器的位置決定。測量時一般輸出標(biāo)準(zhǔn)1 k正弦波信號，測量負(fù)載為600 Ω直流負(fù)載。

音頻電路測量原理見圖3所示。

圖3 音頻電路測量原理

組合接收機(jī)在出廠測量時，通過監(jiān)測負(fù)載電阻兩端電壓值反復(fù)調(diào)整“輸出調(diào)整電位器”，達(dá)到出廠設(shè)定輸出功率折算的電壓值時，用密封膠封固“輸出調(diào)整電位器”。

組合接收機(jī)在出廠測量時用某型交流數(shù)字毫伏表測量600 Ω負(fù)載兩端電壓。

自動測試系統(tǒng)通過內(nèi)置示波器采集600 Ω負(fù)載電阻兩端正弦波信號峰值，然后計算出端電壓。

3 問題分析

3.1 下滑航道電路測量偏差分析

理想情況下，不同調(diào)制度下，模擬量輸出應(yīng)和數(shù)字量輸出相同。結(jié)合圖1下滑航道電路測量原理圖和表1測量結(jié)果1、2、3，可知在同源輸入的情況下，模擬量測量值出現(xiàn)偏差。為了驗(yàn)證數(shù)字量輸出的正確性，首先驗(yàn)證了總線數(shù)據(jù)輸出與輸入數(shù)據(jù)一致，排除了總線問題。

分析模擬量測量出現(xiàn)偏差，一般有以下4種原因。

1)測量線路對模擬量小信號測量結(jié)果影響分析：

某組合接收機(jī)出廠測量直接在測量電纜引出端上測量，ATS測量時要通過測量電纜、適配器轉(zhuǎn)接、矩陣開關(guān)轉(zhuǎn)接、內(nèi)部電纜等連接到測量儀器的測量端。ATS測量相比出廠測量的線路要復(fù)雜。

但定量驗(yàn)證結(jié)果表明，測量線路對測量結(jié)果幾乎沒有影響。

2)不同測量儀器對模擬量小信號測量結(jié)果影響分析:

采用交、直流標(biāo)準(zhǔn)源，交流數(shù)字毫伏表和自動測試系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字萬用表對某組合接收機(jī)分別進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表2。

表2 模擬量測量

表2定量驗(yàn)證結(jié)果表明，測量儀器對模擬量測量無影響。

3)電磁環(huán)境對模擬量小信號測量結(jié)果影響分析:

小信號測量常常受電磁環(huán)境影響，特別是射頻信號測量和交流小信號測量時受電磁環(huán)境影響較大；但直流電壓信號測量受電磁環(huán)境影響相對較小，特別是電磁場功率不大的情況下可以忽略不計。

電磁環(huán)境影響測量結(jié)果還有一個顯著特征：測量數(shù)值變動，測量數(shù)值與某種電磁頻譜的發(fā)射關(guān)聯(lián)較大，測量結(jié)果偏離理論值也較大。但表1中，自動測試系統(tǒng)測量值比較穩(wěn)定，基本維持在7.1 ～7.2 mV之間。

基于以上分析，下滑航道模擬量測量結(jié)果受自動測試系統(tǒng)電磁環(huán)境影響較小，可以忽略不計。

4)輸出電路D/A轉(zhuǎn)換寄生電壓對模擬量小信號測量結(jié)果影響分析:

采用T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路大多存在寄生電壓。T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換寄生電壓存在機(jī)理：這種電路原理是基于一個標(biāo)準(zhǔn)電源VREF，二進(jìn)制數(shù)的每一位di(di=0,1,2)對應(yīng)一個電阻2 R，并由一個二進(jìn)制值di控制一個雙向電子開關(guān)ki，當(dāng)di=0，ki接地，當(dāng)di=1時k1接通運(yùn)算放大器求和點(diǎn)。當(dāng)D=d2d1d0=111時，相應(yīng)開關(guān)k2、k1、k0接通，3個運(yùn)算放大器求和點(diǎn)構(gòu)成虛地求和點(diǎn)。此時測量輸出電壓時，由于運(yùn)算放大器虛地求和點(diǎn)并不是真實(shí)接地，虛地和實(shí)地之間存在電壓差，通常稱為寄生電壓。

寄生電壓的明顯特征：所有測量的輸出電壓數(shù)值都比理論值增加恒定值。

此次測量偏差分析驗(yàn)證過程中，項目組通過輸入一組線性數(shù)據(jù)，測量的模擬量輸出基本都是在理論值基礎(chǔ)上有恒定偏差，基本可以判斷，寄生電壓可能影響模擬量小信號測量結(jié)果。

5)電源諧波對模擬量小信號測量結(jié)果的影響:

自動測試系統(tǒng)供電采用的是220 V/50 Hz的交流電源，給測試設(shè)備及儀器供電的直流電源是經(jīng)過220 V交流電源變換而來的二次電源，二次電源中含有100 Hz、150 Hz等50 Hz多次諧波疊加的紋波，諧波分量會對毫伏級測量產(chǎn)生較大影響。

3.2 航向航道電路測量偏差分析

航向航道電路原理與下滑航道電路原理相似，模擬量出現(xiàn)偏差的原因分析類似，此處不再贅述。

3.3 音頻電路測量結(jié)果偏差分析

按照GJ/T 9001-1998《聲頻放大器測量方法》和GJ/T 12060.3-2011《聲系統(tǒng)設(shè)備第三部分：聲頻放大器》等標(biāo)準(zhǔn)的描述，影響音頻量測量結(jié)果主要有以下5個方面，下面逐項分析。

1)電源不穩(wěn)定引起測量結(jié)果偏差分析：

產(chǎn)品出廠檢查設(shè)備，其測量特性應(yīng)符合量值傳遞規(guī)定，一般情況應(yīng)是線性電源，輸出穩(wěn)定，紋波小，指標(biāo)符合計量要求。

自動測試系統(tǒng)給設(shè)備供電采用可程控開關(guān)電源，輸出穩(wěn)定但紋波會大些，但信號源內(nèi)部電源有濾波電路，提供給恒流源的電源也應(yīng)是穩(wěn)定的、紋波小、指標(biāo)符合計量要求。

基于以上分析，雙方測量用電源應(yīng)該不會引起測量結(jié)果有較大差異。

2)輸出負(fù)載不同引起測量結(jié)果差異分析：

受檢組合接收機(jī)出廠檢測負(fù)載為600 Ω電阻，自動測試系統(tǒng)測試時所加負(fù)載也是600 Ω電阻，兩者一致，也符合GJ 9001-1998要求；

3)測試預(yù)熱時間不一致引起的測量結(jié)果差異分析：

產(chǎn)品出廠檢查記錄沒有標(biāo)注預(yù)熱時間，自動測試系統(tǒng)測試也沒有設(shè)定產(chǎn)品預(yù)熱時間，這方面雙方測試結(jié)果可能有差異，但用自動測試系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行過兩次測試，測量結(jié)果是一致的，因此可以判斷，受檢組合接收機(jī)產(chǎn)品預(yù)熱時間對測量結(jié)果影響不大，可以忽略。

4)測量方式不同引起的差異分析：

組合接收機(jī)出廠檢測采用交流數(shù)字毫伏表測量其音頻輸出；

自動測試系統(tǒng)采用示波器測量音頻正弦波峰峰值，通過計算得出音頻輸出電壓，間接完成對組合接收機(jī)的測量。

使用音頻信號源輸出1 020 Hz正弦信號作為標(biāo)準(zhǔn)源，分別使用組合接收機(jī)的出廠檢測設(shè)備和ATS測量，測量結(jié)果見表3。

表3 音頻測量結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可知，自動測試系統(tǒng)測量的結(jié)果相對毫伏表測量結(jié)果的相對誤差小于0.022 V，該誤差可通過算法得到修正。

5)音頻輸出特性變化引起差異分析:

分析圖3音頻測量原理圖，音頻輸出功率(或電壓)的大小由調(diào)整電位器決定，如果產(chǎn)品運(yùn)輸使用過程中，調(diào)整電位器內(nèi)部觸點(diǎn)有位移，其分壓偏置就發(fā)生變化，直接影響輸出功率或輸出電壓的大小。

由于無法驗(yàn)證受試件返廠后調(diào)整電位器是否有偏移，這個影響因數(shù)只能作為分析。

4 解決措施

音頻輸出功率或電壓測量偏差，主要是測量系統(tǒng)誤差引起，誤差分布均勻、方向一致，可通過算法減小誤差。具體方法：通過自動測試系統(tǒng)激勵發(fā)出一組線性航向信號或下滑信號，將模擬量信號和1553B總線測得的數(shù)字量信號分別做斜線，模擬量擬合的斜線和數(shù)字量擬合的斜線兩條直線之間的距離認(rèn)為是系統(tǒng)誤差。

航向航道電路和下滑航道電路模擬量測量偏差，主要原因可能是二次電源引入紋波造成的。解決方法分兩步：首先采用數(shù)字濾波方法，減小誤差；為了消除紋波的影響，可在自動測試系統(tǒng)直流28 V電源輸出端增加電源濾波器，徹底消除諧波影響。

采用以上措施對某組合接收機(jī)進(jìn)行復(fù)檢，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過對比表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動測試系統(tǒng)測量結(jié)果與出廠檢測結(jié)果接近。另外，在某型號外場保障中采用了該方法，外場試驗(yàn)結(jié)果同樣顯示該方法可行。

表4 某組合接收機(jī)復(fù)檢結(jié)果

5 結(jié)束語

音頻輸出功率測量偏差主要為系統(tǒng)誤差，可通過軟件算法修正測量結(jié)果，降低測量誤差。

航向航道電路測量和下滑航道電路測量誤差，主要由電源諧波引起，可采用通過數(shù)字濾波和在自動測試系統(tǒng)配置電源濾波器的方法降低測量誤差。