有源信號分配器故障實例分析

林子琦

摘要：近年來，國內航班量日益增長，雷達數據信息量增大，國內航空管制部門面臨著較大的工作負荷。雷達信號分配系統作為湛江航管樓雷達信號的源頭，通過分配雷達數據等監視數據，為管制員提供空中飛行態勢的顯示和各種飛行沖突及各種異常的告警[1]。本文詳細分析了Blankbox PSD-8有源信號分配器輸出的雷達數據出現高誤碼率的故障排除，并提出系統的檢修方法，希望對維護同類設備的同行們有所幫助。

關鍵詞：信號分配器;電源穩壓模塊;電源濾波模塊

中圖分類號：TP3? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）35-0225-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

湛江空管站雷達信號分配系統由無源分配器和有源分配器組成。于2008年3月安裝，是所有雷達信號的分配中心。可接入16路雷達信號，每路雷達無源分配輸出3路、有源分配輸出8路。

本文就美國 BLACK BOX network service 公司生產的型號Blackbox PSD-8有源信號分配器出現的故障—輸出雷達信號高誤碼率為例，以故障現象為切入點，分析了數據線路分配器基本工作原理和該類故障的特點，提出一套有效的檢修方法。該檢修方法圍繞故障現象展開，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 有源信號分配器簡介

該分配系統是根據雷達信號傳輸特點設計的多路分配設備，可以將接收到的一路雷達信號分成多路，分別發送到下級設備。該設備操作簡單、使用方便、可靠性高、能充分滿足實際需求。同時，經過有源分配器的雷達信號可以通過按下對應的端口按鈕來中斷該路雷達信號的輸出，通過對應指示燈確定輸入或輸出模式及數據通信狀態[2]。

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

3 有源信號分配器基本原理及在空管中的應用

3.1 有源信號分配器基本原理

有源信號分配器就是將1路數據共享（復制）為多路，根據需要傳送到n個輸出端的任何一個，且每路信號電平相等的設備叫作數據分配器，又稱為多路分配器。它的作用相當于多個輸出的單刀多擲開關[3] ，如圖1所示。其邏輯功能正好與數據選擇器相反。根據輸出的個數不同，數據分配器可分為4路分配器、8路分配器等。信號分配器實際上是譯碼器的特殊應用[4]。帶有使能端的譯碼器都具有數據分配器的功能。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據線，其擴展方法同譯碼器。

如圖2所示， 3線-8線譯碼器可以把一個數據信號分配到8個不同的通道上去，其中G1，G2A，G2B，為數據允許輸出端，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的狀態可把D端的輸入數據送至選定的一個輸出端。例如，G1=1，G2A=0，G2B=0且ABC=000時，74LS138譯碼器工作且輸出譯碼數據，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 信號分配器組網應用

雷達信號分配系統在湛江空管站中的應用如圖3所示。

4 信號分配器的故障分析與排除

4.1 故障現象

某日在S模式一致性告警工具終端發現舊州S模式雷達目標數量減少，根據信號流程，逐步排查該路信號從傳輸網絡出來至博達路由器的數據。因為雷達信號分配系統是雷達輸入S模式一致性告警工具的源頭，先使用協議分析儀在無源分配器測試，雷達數據正常，在有源分配器上測試發現誤碼率過高，重啟有源分配器故障依舊，更換有源分配器備件后恢復正常。

4.2 故障分析

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

（2）由于設備表面并無明顯異常，排除了雷達源的故障。通過替換法替換掉當前使用的分配器。結果顯示雷達輸出信號正常，從而確定是有源信號分配器故障導致的雷達數據高誤碼率。

（3）出現故障的分配器內部電路主要由數字電路以及電源模塊組成。因此，可把該信號分配器大致分為兩部分：數字電路處理模塊和電源電路模塊。考慮到數字電路元器件較多、集成度高，所以要想逐個檢查數字電路的各個芯片是否故障是費時費力的。這時可以利用該信號分配器的輸出特點，即有多通道輸出，并且在設備工作正常且時鐘模式選擇等一樣的條件下每通道輸出理論上都應該一樣。故可先檢查某個通道的輸出準確性。方法如下：首先打開通道1的按鍵選擇開關，接著按下其余通道的選擇開關（屏蔽掉其余通道），最后在雷達信號輸入情況下檢查通道1雷達信號輸出的可靠性。依此方法逐個檢查每個通道。通過實驗證明，所有通道輸出的雷達信號都出現高的誤碼率。又因為Blankbox PSD-8的內部數字電路主要是由3片萊迪思（Lattice）半導體公司研發的集成芯片iM4A3-256/128以及一些外設芯片組成，最終構成8通道輸出。與此同時，通過測試發現：對于無故障的設備，拔除三片芯片中的某個芯片，某些通道仍可正常輸出雷達信號。這表明輸出的8個通道并不是這三片iM4A3-256/128共同作用的結果，而是一種并聯級的關系。加之前面單獨測試某個通道的結論--所有通道輸出的雷達信號都出現高的誤碼率，可知，要使三片芯片都同時毀壞或者說每片芯片對應的一些外部芯片出現個別甚至全部毀壞的概率較低（有必要指出的是，初步檢查某個芯片的好壞應首先在設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，可暫時排除數字電路芯片毀壞導致設備故障。通過前面的排查，最可能導致信號分配器輸出通道出現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壓電路。由于廠家不愿提供該設備的電路原理圖，因而可根據經典的橋式整流濾波穩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分配器以及出現故障的分配器的電源輸出的直流電壓波形以及電壓值[6]。通過對比發現，故障的分配器產生的直流電壓出現較強的電壓波動。由此總結分析可得出兩個故障的可能性：第一，電源穩壓電路故障，導致在無負載或者存在負載時穩壓功能不正常;第二，電源濾波電路出現故障，致使輸出的直流電壓存在較強的交流成分。

4.3 故障排除及修復

通過前面的故障分析后，可判定為信號分配器電源模塊出現故障。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部分：第一，電源穩壓電路;第二，電源濾波電路。為了進一步將故障范圍縮小，對電源電路的穩壓模塊和濾波模塊單獨進行檢測。

如圖4所示為整流濾波穩壓示例。

4.3.1 對電源穩壓電路的檢測

由于受到電網電壓的波動、負載電阻的變化以及環境溫度的變化，會導致輸出直流電壓的不穩定。因此，大多數電子設備需要采取一定的穩壓電路（措施），以保證輸出電壓值的穩定。穩壓電路的種類通常有穩壓管穩壓電路、串聯型穩壓電路、集成穩壓電路和開關型穩壓電路[7]。

該分配器的電源穩壓電路主要由三端穩壓集成電路正電壓輸出的MC7808CT及L7805C-V和負電壓輸出的MC7908CT構成。使用萬用表檢測法，根據其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穩壓管的輸出電壓是否正常（存在負載的情況下測量）。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（允許在一定范圍內波動），則可證明穩壓電路是正常的。通過測量表明穩壓模塊工作正常。

4.3.2 對電源濾波電路的檢測

交流電經整流后變為單向脈動電壓，要將其變為較為平滑的直流電，可通過濾波電路來改善其脈動性。常用的濾波電路有電容濾波電路、電感濾波電路和多級濾波電路（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。

經典的電容和電感濾波電路示例分別如圖8和9所示。

當電容變大時，經過整流濾波后的電壓波形會更加平緩。這是由于在電容器的充放電過程中，有[T=RLC]。其中，[RL]為負載電阻，固定不變。C增大時，T變大，相同時間內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，當C增大時，得到的浪涌電流較小，從而對器件的損傷小。因此應當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，理論與實際相符。

電容濾波的輸出電壓計算比較麻煩，因為決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分別為電感參數和電容參數，T為電源頻率，在[RLC=（3～5）T2]的條件下，近似認為VL=V0=1.2V2，電容濾波要獲得較好的效果，通常需滿足[ωRLC≥6～10]。

該信號分配器采用的電源電路原理跟經典應用電路有些不同，該設備濾波電路使用兩個1000μF組成濾波電路。經過4.3.1對電源穩壓電路的檢測，已經排除穩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，故障點就在這兩個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，電源濾波穩壓后輸出的電壓波形也變得平緩，Blankbox PSD-8的8個通道恢復了正。

5 結論

大多數的設備使用的都是直流電，因此整流濾波穩壓電路不可避免地出現在很多的設備中。經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。對于某些工作（如蓄電池充電），脈動電流已經可以滿足要求，但是對于大多數電子設備，需要平滑的直流電，故整流電路后面都要接濾波電路和穩壓電路。濾波電路可減小交流成分，以減小整流電壓的脈動程度，適合穩壓電路的需要。穩壓電路可減小電網電壓的波動、負載電阻的變化以及環境溫度變化的影響，以保證輸出電壓值的穩定。

大多數的集成數字電子電路，在電源供電穩定、溫度適宜的情況下，一般都能保證正常工作，所以當一臺設備出現某種故障時，我們應該首先排除電源故障影響，因為大多數電子設備工作異常由電源故障導致的頻率最高[8] 。

通過本次論文的撰寫，使我能夠系統、全面地鞏固和運用所學知識，并得以借鑒眾多專家學者的寶貴經驗，這對于我今后的工作，無疑是不可多得的寶貴財富。本次維修是在沒有任何技術支持和詳細技術資料情況下進行的，相關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，對于文檔中存在的不嚴謹甚至錯誤，希望同事、專家們能夠予以指正。

參考文獻：

[1] 曾高峰.空管雷達數據分配器配置探討[J].電腦知識與技術，2020，16（12）：225-226.

[2] 南京萊斯信息技術股份有限公司.RLW-18 線路分配器用戶使用說明書，2019.

[3] 林維濤，石強.一種高功率低諧波單刀三擲開關組合設計[J].現代雷達，2020，42（3）：68-72.

[4] 弓格日勒圖.線路并線和信號分配器GH215在不同信號源下的損耗分析[J].電腦知識與技術，2018，14（22）：15-16.

[5] 李強.3線—8線譯碼器CT74LS138DE的應用[J].科技風，2014（2）：95.

[6] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7] 楊成. 高精度的程控直流穩壓電源的設計[D].成都：電子科技大學，2020.

[8] 孫榮平，劉碩.通信電源維護常見問題分析與處理[J].通訊世界，2020，27（7）：138-139

【通聯編輯：梁書】