王玉輝,辛傳禎,尚文明,趙海濤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

數(shù)字T/R組件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

王玉輝,辛傳禎,尚文明,趙海濤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：針對(duì)某種數(shù)字T/R組件的批量測(cè)試需求,提出了一種自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,簡(jiǎn)要介紹了其設(shè)計(jì)原理和組成,并綜合考慮測(cè)量精度和工作效率的因素,設(shè)計(jì)了較靈活的校準(zhǔn)策略及測(cè)試方式。設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)已用于組件的調(diào)測(cè),大大縮短了組件的調(diào)測(cè)周期,有效提高了組件的調(diào)測(cè)效率。

關(guān)鍵詞:數(shù)字陣列雷達(dá)；數(shù)字T/R組件；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

0引言

數(shù)字陣列雷達(dá)( Digital Array Radar ) 因具有大的動(dòng)態(tài)范圍、同時(shí)多波束、多功能、可編程副瓣及零點(diǎn)抑制等優(yōu)點(diǎn)成為相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前,數(shù)字陣列雷達(dá)已經(jīng)從概念研究、關(guān)鍵技術(shù)研究發(fā)展到了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究和工程化應(yīng)用階段[1]。作為核心部件,數(shù)字T/R組件在陣列雷達(dá)中的數(shù)量少則幾十上百,多則成千上萬(wàn),其性能指標(biāo)直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)組件相比,數(shù)字組件內(nèi)部除了包含移相、衰減、功放、限幅與低噪放、頻率轉(zhuǎn)換與濾波等模塊外還增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、信號(hào)產(chǎn)生、通道補(bǔ)償與幅相修正、波束合成及通訊控制等多種模塊。其頻率跨度從射頻到中頻乃至數(shù)字基帶,組成和控制更復(fù)雜,模擬通道特性和數(shù)字處理性能交織在一起,待測(cè)試指標(biāo)更多,難度更大[2-3]。面對(duì)這種情況,研究對(duì)應(yīng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,對(duì)降低設(shè)計(jì)、調(diào)試、測(cè)試人員的工作強(qiáng)度,縮短研制、調(diào)試、測(cè)試周期,提高測(cè)試精度,提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

本文結(jié)合某型數(shù)字T/R組件的調(diào)測(cè)需求,提出了一種數(shù)字T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,并通過(guò)軟硬件構(gòu)架完成了對(duì)應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方法主要是利用計(jì)算機(jī)通過(guò)采集控制卡實(shí)現(xiàn)與數(shù)字T/R組件的交互控制,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試儀表、信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞(開關(guān)矩陣)的控制,將儀表設(shè)備集成為一體,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)通路的自動(dòng)切換、儀表測(cè)試參數(shù)的自動(dòng)設(shè)置。同時(shí),利用采集控制卡和網(wǎng)絡(luò)接口分別讀取組件數(shù)字中頻采樣數(shù)據(jù)、儀表測(cè)試數(shù)據(jù)并通過(guò)自動(dòng)分析和處理得到最終測(cè)試結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了接收增益、收發(fā)隔離度、動(dòng)態(tài)范圍、輸入輸出駐波、移相精度、衰減精度、噪聲系數(shù)、帶外抑制、發(fā)射輸出功率、發(fā)射波形參數(shù)、發(fā)射頻譜質(zhì)量、收發(fā)各狀態(tài)組件工作電流、通道間幅相一致性等參數(shù)的組件通道全功能指標(biāo)自動(dòng)化測(cè)試,達(dá)到了減少人工干預(yù)、減少出錯(cuò)概率、提高測(cè)試效率的目的。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

測(cè)試系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上分為硬件資源和測(cè)試軟件,其系統(tǒng)框圖如圖1所示。為滿足組件的互換性要求,引入?yún)⒖冀M件作為組件間幅相一致性參數(shù)測(cè)試的基準(zhǔn)。為滿足測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量精度要求,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)通道損耗等系統(tǒng)校準(zhǔn)功能,實(shí)現(xiàn)了單次校準(zhǔn)多次測(cè)量。為滿足對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查詢的需求,設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)根據(jù)門限值進(jìn)行判斷并以數(shù)據(jù)庫(kù)文件保存,實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表的自動(dòng)生成。

1.1　硬件設(shè)計(jì)

T/R組件自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件組成(如圖1所示)主要包含矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、示波器、信號(hào)源、頻譜儀、直流程控電源等測(cè)試儀表和采集控制卡、信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞、主控計(jì)算機(jī)、路由器等其他輔助設(shè)備。

圖1　T/R組件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)框圖

脈沖矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要完成發(fā)射駐波、發(fā)射移相精度、發(fā)射通道幅相一致性等指標(biāo)的測(cè)試。頻譜儀主要完成發(fā)射通路的頻譜參數(shù)、功率參數(shù)測(cè)試。示波器主要完成發(fā)射包絡(luò)參數(shù)測(cè)試。程控直流電源提供噪聲源和被測(cè)件的工作電源并記錄各狀態(tài)的工作電流。主控計(jì)算機(jī)主要完成被測(cè)組件、參考組件和儀器設(shè)備的程控、狀態(tài)和參數(shù)的設(shè)置及測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果的讀取與分析。采集控制卡(具備PCIE和光纖接口)主要給被測(cè)組件、參考組件提供觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)組件收發(fā)狀態(tài)和參數(shù)控制,通過(guò)光纖接口采集接收通道測(cè)試數(shù)據(jù),并提供外觸發(fā)同步測(cè)試儀表。

信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞是自動(dòng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,主要功能是根據(jù)測(cè)試項(xiàng)建立相應(yīng)的激勵(lì)通道和測(cè)試通道,提供系統(tǒng)測(cè)試用的微波通路和微波信號(hào)的功率分配。系統(tǒng)中激勵(lì)信號(hào)和儀表的測(cè)試端口均連接到信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞,被測(cè)件的RF測(cè)試端口、時(shí)鐘及本振也連接到該設(shè)備。信號(hào)通路的建立是主控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞中的微波開關(guān)矩陣通斷并在此基礎(chǔ)上選擇適當(dāng)?shù)墓Ψ制魍瓿傻?。信?hào)轉(zhuǎn)接中樞是以系統(tǒng)各個(gè)測(cè)試項(xiàng)框圖中的信號(hào)通路為基礎(chǔ),在其上優(yōu)化、整合、設(shè)計(jì),得到信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞結(jié)構(gòu)?？紤]到組件工作帶寬、通道隔離度及耐功率等因素,微波開關(guān)矩陣中選用機(jī)械電磁開關(guān)。

在完成硬件配置的基礎(chǔ)上,綜合考慮儀表設(shè)備的控制響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間,通過(guò)軟件設(shè)計(jì)解決系統(tǒng)的同步控制問(wèn)題,使系統(tǒng)在主控計(jì)算機(jī)的控制下有序地進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)的傳遞和交換而不發(fā)生沖突混亂,最大效率地實(shí)現(xiàn)儀器的功能,使系統(tǒng)在確保準(zhǔn)確度的情況下獲得盡可能快捷的測(cè)量速度。

1.2　軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件以通用化為設(shè)計(jì)方向,并使其具備一定的靈活性和擴(kuò)展性；通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)建立并維護(hù)測(cè)試資源、管理并調(diào)度測(cè)試項(xiàng)目,同時(shí)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)并管理原始測(cè)試數(shù)據(jù)。

測(cè)試系統(tǒng)軟件基于WINDOWS平臺(tái),采用Microsoft Visual C++.NET作為開發(fā)工具,結(jié)合Measurement Studio for .NET進(jìn)行儀器控制。采用Microsoft Access 2000作為數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)工具,可保證海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索。

圖2　測(cè)試系統(tǒng)軟件組成框圖

測(cè)試系統(tǒng)軟件組成如圖2所示,分為測(cè)試系統(tǒng)管理、測(cè)試資源管理、測(cè)試執(zhí)行、測(cè)試數(shù)據(jù)管理、測(cè)試開發(fā)等5個(gè)部分。

測(cè)試資源管理包含儀器資源管理和信號(hào)通路配置。儀器資源管理具備儀器型號(hào)選擇、端口信息配置與測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序管理等功能,可將儀器設(shè)備硬件資源與儀器設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫(kù)等軟件資源進(jìn)行映射關(guān)聯(lián)。信號(hào)通路配置是針對(duì)各個(gè)測(cè)試項(xiàng)信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞中信號(hào)通道的通斷及未使用通道的端接匹配。

測(cè)試執(zhí)行包含系統(tǒng)自檢和測(cè)試任務(wù)運(yùn)行。系統(tǒng)自檢用于確認(rèn)當(dāng)前測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)。測(cè)試任務(wù)運(yùn)行是測(cè)試主過(guò)程,包括測(cè)試參數(shù)配置。測(cè)試參數(shù)配置主要提供被測(cè)件測(cè)試條件、儀器參數(shù)設(shè)置等信息的配置管理,配置完成后可自動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)補(bǔ)償、數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)。

1.3　系統(tǒng)校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)中引入了大量的電纜、衰減器、開關(guān)等。測(cè)量時(shí),為保證測(cè)量精度必須進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)。為取得最大測(cè)試準(zhǔn)確度,針對(duì)不同的測(cè)試項(xiàng)目采取相應(yīng)的校準(zhǔn)方法。在系統(tǒng)校準(zhǔn)策略上綜合考慮測(cè)量精度和效率因素:

(1) 校準(zhǔn)和補(bǔ)償

用于測(cè)量、保存并調(diào)用校準(zhǔn)數(shù)據(jù),對(duì)系統(tǒng)引入的系統(tǒng)差進(jìn)行補(bǔ)償。為確保測(cè)量精度,系統(tǒng)需定期進(jìn)行全端口的全性能校準(zhǔn),并將數(shù)據(jù)保存到校準(zhǔn)文件中。在使用過(guò)程中需要高精度測(cè)量的情況下要實(shí)時(shí)進(jìn)行全端口校準(zhǔn),在測(cè)量精度要求不高的情況下則可以調(diào)用系統(tǒng)以前的校準(zhǔn)文件進(jìn)行指標(biāo)、功能的測(cè)試。

(2) 校準(zhǔn)驗(yàn)證

在系統(tǒng)每次開機(jī)后確認(rèn)校準(zhǔn)狀態(tài)及校準(zhǔn)文件是否有效,并決策是否進(jìn)行重新校準(zhǔn)。這樣就可實(shí)現(xiàn)單次校準(zhǔn)多次測(cè)量,兼顧了測(cè)試的精度和效率。

在開關(guān)動(dòng)作的設(shè)計(jì)上,盡可能減少開關(guān)次數(shù),以減小開關(guān)重復(fù)性的影響。另外,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,確保系統(tǒng)通風(fēng)良好,以減小因溫度引起的不確定因素的影響。

1.3.1　幅相測(cè)試校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在進(jìn)行幅相測(cè)試時(shí),采用校準(zhǔn)面延伸并結(jié)合系統(tǒng)差修正技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn),直接在與被測(cè)件連接的測(cè)試端口進(jìn)行校準(zhǔn)。在高準(zhǔn)確度要求下,采用矢網(wǎng)全二端口校準(zhǔn)的方法,以提高儀器測(cè)試準(zhǔn)確度,并減小失配的影響。在普通準(zhǔn)確度的要求下,采用直通校準(zhǔn)的方法。

1.3.2　噪聲系數(shù)測(cè)試校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

在噪聲系數(shù)的測(cè)試校準(zhǔn)設(shè)計(jì)中采取了損耗補(bǔ)償技術(shù),對(duì)被測(cè)件前端的損耗分別進(jìn)行補(bǔ)償,保證自動(dòng)測(cè)試時(shí)噪聲系數(shù)準(zhǔn)確可靠。

2系統(tǒng)測(cè)試流程

數(shù)字T/R組件測(cè)試項(xiàng)目多,過(guò)程復(fù)雜,其典型流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)測(cè)試流程圖

限于篇幅,本文僅以接收通道幅相一致性測(cè)試為例說(shuō)明測(cè)試過(guò)程:首先是測(cè)試信息配置,選擇接收通道幅相一致性作為測(cè)試項(xiàng)目；測(cè)試開始,主控計(jì)算機(jī)按照本測(cè)試項(xiàng)的配置信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞建立與組件、儀表的連接通路如圖4所示,測(cè)試激勵(lì)信號(hào)二功分后接參考件XP1口和被測(cè)件XP1口,對(duì)未使用端口進(jìn)行端接匹配；同時(shí)控制信號(hào)源提供組件的本振及射頻激勵(lì)信號(hào),主控計(jì)算機(jī)發(fā)出組件狀態(tài)控制信號(hào),采集控制卡轉(zhuǎn)發(fā)給被測(cè)組件和參考件,使兩個(gè)組件均處于接收狀態(tài)；然后采集控制卡發(fā)出采集控制脈沖,控制兩個(gè)組件同時(shí)采集測(cè)試激勵(lì)信號(hào),并轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)(I、Q數(shù)據(jù))通過(guò)光纖輸出,通過(guò)采集控制卡存儲(chǔ)在主控計(jì)算機(jī)中；再運(yùn)行數(shù)據(jù)處理軟件,得出目前通道該頻點(diǎn)的接收通道一致性指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。

幅相分析算法如下:

信號(hào)包絡(luò)

瞬時(shí)相位

圖4　接收通道幅相一致性測(cè)試原理框圖

3系統(tǒng)對(duì)比驗(yàn)證

由于對(duì)比驗(yàn)證的測(cè)試內(nèi)容較多,僅列出某通道幅相對(duì)比測(cè)試的手動(dòng)和自動(dòng)測(cè)試結(jié)果,如表1～4所示。

從上述幅相自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比表中可以看出,自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)后引入的系統(tǒng)誤差很小。

表1　發(fā)射通道相位對(duì)比測(cè)試結(jié)果

表2　發(fā)射通道峰值功率對(duì)比測(cè)試結(jié)果

表3　接收通道相位對(duì)比測(cè)試結(jié)果

表4　接收通道幅值對(duì)比測(cè)試結(jié)果

4結(jié)束語(yǔ)

采用計(jì)算機(jī)通過(guò)采集控制卡實(shí)現(xiàn)與數(shù)字T/R組件的交互,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試儀表通訊、對(duì)信號(hào)轉(zhuǎn)接中樞的控制,將儀表設(shè)備集成為一體的數(shù)字T/R組件自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,應(yīng)用于某型數(shù)字T/R組件測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,解決了批量組件測(cè)試參數(shù)多、測(cè)試量巨大的問(wèn)題。測(cè)試準(zhǔn)確度與測(cè)試系統(tǒng)選用的儀表基本一致,能夠很好地滿足相控陣系統(tǒng)需求。原本需要測(cè)試人員24 h完成的工作,現(xiàn)在只需要計(jì)算機(jī)8 min即可完成,并且輸出的數(shù)據(jù)文件可以直接進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,直至生成測(cè)試報(bào)告.這大大提高了測(cè)試效率,減少了測(cè)試人員的工作量,加快了組件測(cè)試的進(jìn)度。

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Design of an automatic test system for digital T/R modules

WANG Yu-hui,XIN Chuan-zhen,SHANG Wen-ming, ZHAO Hai-tao

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:In view of the test requirements of numerous digital T/R modules, an automatic test system is designed. The principle and composition of the test system are briefly introduced, and with measurement precision and working efficiency taken into consideration, the flexible calibration strategy and test method are designed. The test system designed has been used for the debugging and testing of the digital T/R modules, greatly shortening the period and effectively improving the efficiency.

Keywords:digital array radar; digital T/R module; automatic test system

中圖分類號(hào):TP29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2015)04-0060-04

作者簡(jiǎn)介:王玉輝(1978-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:T/R組件及數(shù)字相控陣；辛傳禎 (1986-),男,工程師,碩士,研究方向:T/R組件；尚文明 (1986-),男,助理工程師,碩士,研究方向:測(cè)試系統(tǒng)；趙海濤 (1985-),男,工程師,研究方向:T/R組件和測(cè)試系統(tǒng)。

收稿日期:2015-04-03；修回日期:2015-05-22