林子琦

摘要：近年來，國內(nèi)航班量日益增長，雷達(dá)數(shù)據(jù)信息量增大，國內(nèi)航空管制部門面臨著較大的工作負(fù)荷。雷達(dá)信號(hào)分配系統(tǒng)作為湛江航管樓雷達(dá)信號(hào)的源頭，通過分配雷達(dá)數(shù)據(jù)等監(jiān)視數(shù)據(jù)，為管制員提供空中飛行態(tài)勢的顯示和各種飛行沖突及各種異常的告警[1]。本文詳細(xì)分析了Blankbox PSD-8有源信號(hào)分配器輸出的雷達(dá)數(shù)據(jù)出現(xiàn)高誤碼率的故障排除，并提出系統(tǒng)的檢修方法，希望對(duì)維護(hù)同類設(shè)備的同行們有所幫助。

關(guān)鍵詞：信號(hào)分配器;電源穩(wěn)壓模塊;電源濾波模塊

中圖分類號(hào)：TP3? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）35-0225-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

湛江空管站雷達(dá)信號(hào)分配系統(tǒng)由無源分配器和有源分配器組成。于2008年3月安裝，是所有雷達(dá)信號(hào)的分配中心?？山尤?6路雷達(dá)信號(hào)，每路雷達(dá)無源分配輸出3路、有源分配輸出8路。

本文就美國 BLACK BOX network service 公司生產(chǎn)的型號(hào)Blackbox PSD-8有源信號(hào)分配器出現(xiàn)的故障—輸出雷達(dá)信號(hào)高誤碼率為例，以故障現(xiàn)象為切入點(diǎn)，分析了數(shù)據(jù)線路分配器基本工作原理和該類故障的特點(diǎn)，提出一套有效的檢修方法。該檢修方法圍繞故障現(xiàn)象展開，合理采用萬用表檢測法、示波器檢測法、代換檢測法等電路檢修方法，確定故障元器件。

2 有源信號(hào)分配器簡介

該分配系統(tǒng)是根據(jù)雷達(dá)信號(hào)傳輸特點(diǎn)設(shè)計(jì)的多路分配設(shè)備，可以將接收到的一路雷達(dá)信號(hào)分成多路，分別發(fā)送到下級(jí)設(shè)備。該設(shè)備操作簡單、使用方便、可靠性高、能充分滿足實(shí)際需求。同時(shí)，經(jīng)過有源分配器的雷達(dá)信號(hào)可以通過按下對(duì)應(yīng)的端口按鈕來中斷該路雷達(dá)信號(hào)的輸出，通過對(duì)應(yīng)指示燈確定輸入或輸出模式及數(shù)據(jù)通信狀態(tài)[2]。

為提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，減少輸出誤碼和傳輸延時(shí)，有源信號(hào)分配器采用了簡單的工作邏輯和盡量少的電路實(shí)現(xiàn)全部功能，具有DTE（外時(shí)鐘）/DCE（內(nèi)時(shí)鐘）模式自由切換和過流自動(dòng)保護(hù)等技術(shù)，使設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性得到相應(yīng)的提高，保障飛行秩序和安全的信息化。因此該設(shè)備操作簡單、使用方便、可靠性高、能充分滿足實(shí)際需求。

3 有源信號(hào)分配器基本原理及在空管中的應(yīng)用

3.1 有源信號(hào)分配器基本原理

有源信號(hào)分配器就是將1路數(shù)據(jù)共享（復(fù)制）為多路，根據(jù)需要傳送到n個(gè)輸出端的任何一個(gè)，且每路信號(hào)電平相等的設(shè)備叫作數(shù)據(jù)分配器，又稱為多路分配器。它的作用相當(dāng)于多個(gè)輸出的單刀多擲開關(guān)[3] ，如圖1所示。其邏輯功能正好與數(shù)據(jù)選擇器相反。根據(jù)輸出的個(gè)數(shù)不同，數(shù)據(jù)分配器可分為4路分配器、8路分配器等。信號(hào)分配器實(shí)際上是譯碼器的特殊應(yīng)用[4]。帶有使能端的譯碼器都具有數(shù)據(jù)分配器的功能。一般2-4線譯碼器可作為4路分配器，3-8線譯碼器作為8路分配器，4-16線譯碼器作為16路分配器。它們的使能端作為數(shù)據(jù)線，其擴(kuò)展方法同譯碼器。

如圖2所示， 3線-8線譯碼器可以把一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)分配到8個(gè)不同的通道上去，其中G1，G2A，G2B，為數(shù)據(jù)允許輸出端，G2A，G2B低電平有效，G1高電平有效，A、B、C為譯碼信號(hào)輸出端，Y0～Y7為譯碼輸出端，低電平有效[5]。

通過給定A，B，C的狀態(tài)可把D端的輸入數(shù)據(jù)送至選定的一個(gè)輸出端。例如，G1=1，G2A=0，G2B=0且ABC=000時(shí)，74LS138譯碼器工作且輸出譯碼數(shù)據(jù)，即輸出端Y0為低電平（即Y0=0），其余輸出高電平，以此類推。

3.2 信號(hào)分配器組網(wǎng)應(yīng)用

雷達(dá)信號(hào)分配系統(tǒng)在湛江空管站中的應(yīng)用如圖3所示。

4 信號(hào)分配器的故障分析與排除

4.1 故障現(xiàn)象

某日在S模式一致性告警工具終端發(fā)現(xiàn)舊州S模式雷達(dá)目標(biāo)數(shù)量減少，根據(jù)信號(hào)流程，逐步排查該路信號(hào)從傳輸網(wǎng)絡(luò)出來至博達(dá)路由器的數(shù)據(jù)。因?yàn)槔走_(dá)信號(hào)分配系統(tǒng)是雷達(dá)輸入S模式一致性告警工具的源頭，先使用協(xié)議分析儀在無源分配器測試，雷達(dá)數(shù)據(jù)正常，在有源分配器上測試發(fā)現(xiàn)誤碼率過高，重啟有源分配器故障依舊，更換有源分配器備件后恢復(fù)正常。

4.2 故障分析

（1）利用目測法觀察該有源信號(hào)分配器，觀察其電路板是否出現(xiàn)燒毀的器件，同時(shí)通過熱像儀檢測里面的元器件，檢查是否出現(xiàn)溫度過高的現(xiàn)象。驗(yàn)證結(jié)果表明出現(xiàn)故障的分配器表面并無明顯異常。

（2）由于設(shè)備表面并無明顯異常，排除了雷達(dá)源的故障。通過替換法替換掉當(dāng)前使用的分配器。結(jié)果顯示雷達(dá)輸出信號(hào)正常，從而確定是有源信號(hào)分配器故障導(dǎo)致的雷達(dá)數(shù)據(jù)高誤碼率。

（3）出現(xiàn)故障的分配器內(nèi)部電路主要由數(shù)字電路以及電源模塊組成。因此，可把該信號(hào)分配器大致分為兩部分：數(shù)字電路處理模塊和電源電路模塊?？紤]到數(shù)字電路元器件較多、集成度高，所以要想逐個(gè)檢查數(shù)字電路的各個(gè)芯片是否故障是費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。這時(shí)可以利用該信號(hào)分配器的輸出特點(diǎn)，即有多通道輸出，并且在設(shè)備工作正常且時(shí)鐘模式選擇等一樣的條件下每通道輸出理論上都應(yīng)該一樣。故可先檢查某個(gè)通道的輸出準(zhǔn)確性。方法如下：首先打開通道1的按鍵選擇開關(guān)，接著按下其余通道的選擇開關(guān)（屏蔽掉其余通道），最后在雷達(dá)信號(hào)輸入情況下檢查通道1雷達(dá)信號(hào)輸出的可靠性。依此方法逐個(gè)檢查每個(gè)通道。通過實(shí)驗(yàn)證明，所有通道輸出的雷達(dá)信號(hào)都出現(xiàn)高的誤碼率。又因?yàn)锽lankbox PSD-8的內(nèi)部數(shù)字電路主要是由3片萊迪思（Lattice）半導(dǎo)體公司研發(fā)的集成芯片iM4A3-256/128以及一些外設(shè)芯片組成，最終構(gòu)成8通道輸出。與此同時(shí)，通過測試發(fā)現(xiàn)：對(duì)于無故障的設(shè)備，拔除三片芯片中的某個(gè)芯片，某些通道仍可正常輸出雷達(dá)信號(hào)。這表明輸出的8個(gè)通道并不是這三片iM4A3-256/128共同作用的結(jié)果，而是一種并聯(lián)級(jí)的關(guān)系。加之前面單獨(dú)測試某個(gè)通道的結(jié)論--所有通道輸出的雷達(dá)信號(hào)都出現(xiàn)高的誤碼率，可知，要使三片芯片都同時(shí)毀壞或者說每片芯片對(duì)應(yīng)的一些外部芯片出現(xiàn)個(gè)別甚至全部毀壞的概率較低（有必要指出的是，初步檢查某個(gè)芯片的好壞應(yīng)首先在設(shè)備斷電的情況下用萬用表的蜂鳴檔或歐姆（Ω）檔檢測芯片的電源引腳是否短路：萬用表顯示很小的阻值（或蜂鳴器響），說明芯片短路，即芯片已燒毀;反之，表示芯片并無短路）。因此，可暫時(shí)排除數(shù)字電路芯片毀壞導(dǎo)致設(shè)備故障。通過前面的排查，最可能導(dǎo)致信號(hào)分配器輸出通道出現(xiàn)高誤碼率的部分是電源模塊。

（4）電源模塊采用的是橋式整流濾波穩(wěn)壓電路。由于廠家不愿提供該設(shè)備的電路原理圖，因而可根據(jù)經(jīng)典的橋式整流濾波穩(wěn)壓電路圖以及電路元器件的組成和大致電路連接確定整流濾波穩(wěn)壓后的直流電壓輸出接口，用示波器檢測法分別檢測無故障的信號(hào)分配器以及出現(xiàn)故障的分配器的電源輸出的直流電壓波形以及電壓值[6]。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，故障的分配器產(chǎn)生的直流電壓出現(xiàn)較強(qiáng)的電壓波動(dòng)。由此總結(jié)分析可得出兩個(gè)故障的可能性：第一，電源穩(wěn)壓電路故障，導(dǎo)致在無負(fù)載或者存在負(fù)載時(shí)穩(wěn)壓功能不正常;第二，電源濾波電路出現(xiàn)故障，致使輸出的直流電壓存在較強(qiáng)的交流成分。

4.3 故障排除及修復(fù)

通過前面的故障分析后，可判定為信號(hào)分配器電源模塊出現(xiàn)故障。由前面的檢測電壓波形可知，整流橋工作正常。從而，電源模塊的故障需要排查兩個(gè)部分：第一，電源穩(wěn)壓電路;第二，電源濾波電路。為了進(jìn)一步將故障范圍縮小，對(duì)電源電路的穩(wěn)壓模塊和濾波模塊單獨(dú)進(jìn)行檢測。

如圖4所示為整流濾波穩(wěn)壓示例。

4.3.1 對(duì)電源穩(wěn)壓電路的檢測

由于受到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、負(fù)載電阻的變化以及環(huán)境溫度的變化，會(huì)導(dǎo)致輸出直流電壓的不穩(wěn)定。因此，大多數(shù)電子設(shè)備需要采取一定的穩(wěn)壓電路（措施），以保證輸出電壓值的穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路的種類通常有穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路[7]。

該分配器的電源穩(wěn)壓電路主要由三端穩(wěn)壓集成電路正電壓輸出的MC7808CT及L7805C-V和負(fù)電壓輸出的MC7908CT構(gòu)成。使用萬用表檢測法，根據(jù)其Datasheet確定它的電壓輸出引腳，在分配器正常通電使用下分別檢測三個(gè)穩(wěn)壓管的輸出電壓是否正常（存在負(fù)載的情況下測量）。其中，圖5、圖6及圖7分別為MC7808CT、L7805C-V、MC7908CT的輸出電壓參考值。若輸出電壓和電流均為該器件參考電壓（允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)），則可證明穩(wěn)壓電路是正常的。通過測量表明穩(wěn)壓模塊工作正常。

4.3.2 對(duì)電源濾波電路的檢測

交流電經(jīng)整流后變?yōu)閱蜗蛎}動(dòng)電壓，要將其變?yōu)檩^為平滑的直流電，可通過濾波電路來改善其脈動(dòng)性。常用的濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路和多級(jí)濾波電路（即電容濾波和電感濾波混合使用）。Blankbox PSD-8采用的是電容濾波電路。

經(jīng)典的電容和電感濾波電路示例分別如圖8和9所示。

當(dāng)電容變大時(shí)，經(jīng)過整流濾波后的電壓波形會(huì)更加平緩。這是由于在電容器的充放電過程中，有[T=RLC]。其中，[RL]為負(fù)載電阻，固定不變。C增大時(shí)，T變大，相同時(shí)間內(nèi)電容的充放電幅度較小，因此得到的電壓曲線更加平緩;同時(shí)，當(dāng)C增大時(shí)，得到的浪涌電流較小，從而對(duì)器件的損傷小。因此應(yīng)當(dāng)選擇較大的電容作為濾波電路中的電容。從該分配器的電源濾波電路也可以看到，Blankbox PSD-8選用了1000μF的大電容，理論與實(shí)際相符。

電容濾波的輸出電壓計(jì)算比較麻煩，因?yàn)闆Q定輸出電壓的因素較多。一般采用以下近似估算法，用鋸齒波近似表示，其定義式如下：

[VL=VO=2V2（1-T4RLC）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，VL、V0、V2分別為電感兩端電壓和輸出電壓和副邊輸入電壓，RL和C分別為電感參數(shù)和電容參數(shù)，T為電源頻率，在[RLC=（3～5）T2]的條件下，近似認(rèn)為VL=V0=1.2V2，電容濾波要獲得較好的效果，通常需滿足[ωRLC≥6～10]。

該信號(hào)分配器采用的電源電路原理跟經(jīng)典應(yīng)用電路有些不同，該設(shè)備濾波電路使用兩個(gè)1000μF組成濾波電路。經(jīng)過4.3.1對(duì)電源穩(wěn)壓電路的檢測，已經(jīng)排除穩(wěn)壓模塊故障的可能性，那么剩下的可疑模塊就是該濾波電路，其可疑元器件就是這兩個(gè)1000μF的大電容。

通過測量，無故障的分配器的電容電壓曲線如圖10所示;故障的分配器的電容電壓值如圖11所示。

顯然，故障點(diǎn)就在這兩個(gè)1000μF充放電電容上。最后利用替換法依次更換掉故障元器件后，電源濾波穩(wěn)壓后輸出的電壓波形也變得平緩，Blankbox PSD-8的8個(gè)通道恢復(fù)了正。

5 結(jié)論

大多數(shù)的設(shè)備使用的都是直流電，因此整流濾波穩(wěn)壓電路不可避免地出現(xiàn)在很多的設(shè)備中。經(jīng)過整流電路后的輸出電壓是單相的直流電壓，但是其中含有直流和交流的成分，電壓的大小仍有變化。對(duì)于某些工作（如蓄電池充電），脈動(dòng)電流已經(jīng)可以滿足要求，但是對(duì)于大多數(shù)電子設(shè)備，需要平滑的直流電，故整流電路后面都要接濾波電路和穩(wěn)壓電路。濾波電路可減小交流成分，以減小整流電壓的脈動(dòng)程度，適合穩(wěn)壓電路的需要。穩(wěn)壓電路可減小電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、負(fù)載電阻的變化以及環(huán)境溫度變化的影響，以保證輸出電壓值的穩(wěn)定。

大多數(shù)的集成數(shù)字電子電路，在電源供電穩(wěn)定、溫度適宜的情況下，一般都能保證正常工作，所以當(dāng)一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)某種故障時(shí)，我們應(yīng)該首先排除電源故障影響，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電子設(shè)備工作異常由電源故障導(dǎo)致的頻率最高[8] 。

通過本次論文的撰寫，使我能夠系統(tǒng)、全面地鞏固和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，并得以借鑒眾多專家學(xué)者的寶貴經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)于我今后的工作，無疑是不可多得的寶貴財(cái)富。本次維修是在沒有任何技術(shù)支持和詳細(xì)技術(shù)資料情況下進(jìn)行的，相關(guān)電路原理都是靠自己摸索出來的，在探索其電路過程中，查閱了大量的資料，得到了同事的熱情幫助。

限于作者的水平，對(duì)于文檔中存在的不嚴(yán)謹(jǐn)甚至錯(cuò)誤，希望同事、專家們能夠予以指正。

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【通聯(lián)編輯：梁書】