某型裝備校準(zhǔn)平臺研制

■ 夏冰 高佳 李慧 谷云雁/軍藍科技集團總公司

0 引言

某型武器裝備是國內(nèi)新研制的武器系統(tǒng)，其特點是高度標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，某型附屬裝備的設(shè)計也符合此特征。但是該裝備在部隊使用中，其計量校準(zhǔn)的方法和使用的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是分立的，各計量單位一般不具備此類設(shè)備的計量能力，少數(shù)能力較強的計量單位采用的計量方法是對系統(tǒng)中各測量設(shè)備單獨進行計量，計量時間長、效率低。

隨著各種戰(zhàn)訓(xùn)任務(wù)的激增，對設(shè)備的大修校準(zhǔn)保障和現(xiàn)場巡檢保障的需求日益突出。為確保裝備戰(zhàn)術(shù)性能準(zhǔn)確可靠，必須探索高效便捷地對這類設(shè)備實施校準(zhǔn)保障的解決方法[1]。當(dāng)前，國內(nèi)外武器裝備綜合服務(wù)保障管理正在向體系化、模型化、數(shù)字化、專業(yè)化、集成化方向發(fā)展，并貫穿武器裝備全生命周期[2]。為便于在部隊現(xiàn)場開展計量保障，實現(xiàn)該裝備校準(zhǔn)的數(shù)字化、智能化、自動化，提高部隊?wèi)?zhàn)訓(xùn)的技術(shù)保障時效，十分有必要開展該裝備現(xiàn)場校準(zhǔn)的研究工作。

1 總體方案設(shè)計思路

該裝備自動化測試校準(zhǔn)平臺是國內(nèi)自行搭建的專用測試系統(tǒng)，為裝備提供全面的測試保障。由于其特有的專用性、保密性，找不到針對該裝備的校準(zhǔn)設(shè)備。

該裝備校準(zhǔn)方法分為兩部分：通用設(shè)備的校準(zhǔn)方法和專用儀器的校準(zhǔn)方法。通用儀器的校準(zhǔn)溯源一般由計量機構(gòu)按現(xiàn)行有效公開發(fā)行的規(guī)程/規(guī)范進行檢定或校準(zhǔn)。該部分的改進措施，建議根據(jù)需求按測試點校準(zhǔn)，既可提高效率，又可縮減標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備指標(biāo)范圍。例如，該裝備中的函數(shù)發(fā)生器，在測試中只用到某些點的方波頻率和方波幅度，其余指標(biāo)均不關(guān)注。按函數(shù)發(fā)生器檢定規(guī)程檢定需要大量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，如果改為專測校準(zhǔn)方法，只校準(zhǔn)所需頻點的方波幅度和頻率，也可實現(xiàn)現(xiàn)場校準(zhǔn)。

該裝備校準(zhǔn)平臺的組成可參考兩種方式進行構(gòu)建。第一種采用現(xiàn)行的通用貨架產(chǎn)品進行系統(tǒng)集成，一般由微波信號源、頻譜儀、數(shù)字電壓表、標(biāo)準(zhǔn)電壓源、示波器校準(zhǔn)儀、數(shù)字示波器、功率計、標(biāo)準(zhǔn)電阻等組成，所用設(shè)備多，操作復(fù)雜，不利于攜帶，成本高，易造成資源浪費。另一種方法是研制專用的校準(zhǔn)模塊，使用相同通信協(xié)議，同時配備專用的輸入輸出接口，使測試設(shè)備的校準(zhǔn)連接方便，標(biāo)準(zhǔn)裝置攜帶方便，滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)要求。

如果校準(zhǔn)裝置全部采用現(xiàn)有的貨架產(chǎn)品，一方面會造成標(biāo)準(zhǔn)裝置體積大、不方便攜帶，另一方面會造成價格昂貴、資源浪費等問題。因此決定，對于技術(shù)指標(biāo)比較高的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀購買現(xiàn)有貨架產(chǎn)品，示波器采用現(xiàn)有的示波器；對于功能單一、使用環(huán)境沒有特殊要求的設(shè)備，根據(jù)該裝備專測設(shè)備的特殊性和專用性，研制適合現(xiàn)場測試環(huán)境的便攜式設(shè)備，共同組建標(biāo)準(zhǔn)裝置。

根據(jù)該裝備的具體技術(shù)要求，開展相關(guān)參數(shù)專用校準(zhǔn)方法研究，研制綜合的多參數(shù)現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置。一套完整的校準(zhǔn)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)電壓表、標(biāo)準(zhǔn)電阻箱、電壓產(chǎn)生模塊、穩(wěn)幅正弦波產(chǎn)生模塊、時標(biāo)輸出模塊、衰減測量系統(tǒng)、多普勒頻率測量系統(tǒng)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器等。

2 關(guān)鍵硬件設(shè)計

2.1 電壓模塊

電壓模塊輸出直流電壓和方波電壓，主要用于校準(zhǔn)示波器的垂直幅度、16路A/D采集模塊、數(shù)字電壓表模塊等。在-20～40℃溫度范圍內(nèi)，電壓準(zhǔn)確度優(yōu)于0.3%，電壓幅度達到±100V。

1）直流電壓電路

直流電壓電路由直流參考電壓、D/A、低通濾波器、放大器、衰減器和高壓放大器組成。直流參考電壓采用溫漂很小的精密參考電壓芯片，該芯片同時輸出給其他需要高準(zhǔn)確度直流電壓的模塊；在-20～40℃溫度范圍內(nèi)，電壓精度達到0.3%。D/A采用低溫漂精密低速14位D/A，用于控制輸出電壓大小。低通濾波器用于降低低頻1/f噪聲。放大器采用精密無偏移電壓的斬波運放，用于進一步提高電壓。衰減器提供小電壓。采用高壓放大器，輸出±100V電壓。

2）方波電壓電路

內(nèi)部采用高精度D/A、A/D、高壓放大器產(chǎn)生方波電壓，D/A產(chǎn)生方波信號，A/D對方波電壓進行監(jiān)控，將A/D輸出的方波電壓控制在預(yù)定的指標(biāo)范圍。A/D變換器為24bit高精度變換器，通過內(nèi)波的濾波算法，可以有效控制溫度漂移、電路非線性誤差。在-20～40℃溫度范圍內(nèi)，方波電壓精度達到0.5%。其主要特點為：由D/A、放大器、衰減器、高壓放大器組成；單片機控制14位D/A輸出幅度不同的方波；采用高壓放大器，提供100V的幅度。

2.2 穩(wěn)幅正弦波模塊

穩(wěn)幅正弦波模塊研制的技術(shù)難點是放大穩(wěn)幅電路，就是在很寬的范圍內(nèi)將幅度穩(wěn)定，對諧波有一定要求。穩(wěn)幅電路由檢波器、積分器、D/A、乘法器及功率放大衰減模塊構(gòu)成。由D/A給出標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，去控制檢波器、積分器及放大衰減模塊組成的反饋環(huán)路，正弦波輸出幅度能夠穩(wěn)定在4%。由于帶寬跨度非常寬，超越了元器件的極限，所以分成兩段進行穩(wěn)幅。

穩(wěn)幅正弦波模塊輸出正弦波信號，主要用于校準(zhǔn)示波器的帶寬[3]，頻率范圍50kHz～200MHz，信號幅度100mV～2V，在-20～40℃溫度范圍內(nèi)，信號平坦度要小于0.5dB。

采用DDS數(shù)字綜合產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生50kHz～200MHz的頻率，頻率產(chǎn)生原理圖如圖1所示。DDS采用時鐘頻率＞3000MHz的器件，輸出50kHz～200MHz的正弦波，低通濾波器降低DDS輸出雜散。

圖1 DDS頻率產(chǎn)生原理圖

2.3 衰減測量模塊

采用低中頻串聯(lián)替代的方法對衰減進行測量，通過頻率變換方式將射頻及微波信號線性地變換為中頻信號。利用高準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)衰減器的改變量替代被檢的射頻及微波衰減器的衰減量，從而達到準(zhǔn)確有效地測量衰減量的目的。它具有很高的靈敏度和超過80dB的動態(tài)范圍，在-20～40℃溫度范圍內(nèi)，測量誤差為±0.01dB/10dB。同時，引入相關(guān)檢測方法，使用鎖相放大器作為中頻接收和指示裝置，根據(jù)參考信號與測試信號相關(guān)而與噪聲不相關(guān)的原理，鎖相放大器采取相關(guān)檢測技術(shù)，最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲，使得系統(tǒng)的測量穩(wěn)定度和動態(tài)范圍都有大幅提升。

衰減校準(zhǔn)的工作原理：首先對經(jīng)過被測衰減器的射頻信號進行頻譜搬移，即通過混頻器和本振信號對被測射頻信號進行下變頻，使被測射頻信號變?yōu)槿菀滋幚淼闹蓄l信號，然后將混頻后的中頻信號進行低噪聲預(yù)放。經(jīng)高準(zhǔn)確度程控步進標(biāo)準(zhǔn)衰減器進行替代補償后，由鎖相放大器進行中頻放大濾波和相關(guān)檢波處理，并進行數(shù)據(jù)采集和處理，最終顯示。具體過程中，首先進行校準(zhǔn)，即衰減器衰減量為零或未接入衰減器時對系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，得到一平衡電平；然后改變衰減器的衰減量或插入被測衰減器，并改變系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)步進衰減器的衰減量，使系統(tǒng)達到二次平衡，此時的標(biāo)準(zhǔn)衰減器的改變量即為被測衰減器的衰減量。

3 軟件設(shè)計

為了提高校準(zhǔn)測試效率，需要開發(fā)自動化校準(zhǔn)測試程序。自動化校準(zhǔn)程序通過VC開發(fā)完成，通過VC工具將整個測試流程分為若干個測試項目，然后分析測試結(jié)果并生成報表。對于計算機控制的自動化測試，本質(zhì)上就是通過控制總線向儀器發(fā)送控制命令。所以，描述一個測試項目，就是要建立一種機制，能夠根據(jù)不同的情況相應(yīng)地生成并發(fā)送控制命令。這些控制命令可以分為兩種類型：一種是設(shè)置儀器的命令，另一種是從儀器讀取某種信息的命令?？刂泼羁赡馨瑓?shù)，這些參數(shù)同時又對應(yīng)不同測試項目的不同設(shè)置。對于專用測試設(shè)備，建立一個測試模板文件，包含測試過程需要的數(shù)據(jù)以及測試過程的所有命令。運行時，由測試軟件自動將測試命令發(fā)給對應(yīng)的測試設(shè)備，并讀取測試設(shè)備的測量結(jié)果。自動化測試程序框架如圖2所示。

圖2 自動化測試程序框架

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計量校準(zhǔn)呈現(xiàn)計量標(biāo)準(zhǔn)模塊化、自動化的發(fā)展趨勢。校準(zhǔn)平臺引入這些先進的計量技術(shù)，可以使新型裝備校準(zhǔn)使用的設(shè)備體積更小、重量更輕、精度更高、測試更方便。該校準(zhǔn)平臺目前已廣泛應(yīng)用于部隊現(xiàn)場計量巡檢工作中，大大提高了該裝備快速校準(zhǔn)測試能力，對保障某系列武器系統(tǒng)的可靠性和部隊的戰(zhàn)斗力具有重要意義。