基于自動測試系統的小信號模擬量測量方法研究

雷江妮，成鵬展，聶同攀

(航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089)

0 引言

在航空裝備自動測試系統(自動測試系統)領域，由于機載設備實際運行環境復雜，受電源干擾和電磁干擾較大、測量線路冗長、開關級聯較多、自動測試系統輸出供電電源紋波較大等外在影響因素，準確測量模擬量小信號是一個難點，采用自動測試系統基本配置測量機載設備小信號模擬量時，其測量準確度無法滿足測試需求。本文基于組合接收機小信號測量誤差處理經驗，在分析多種因素對測量結果的影響的基礎上，通過試驗排除次要影響因素，提出了在自動測試系統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行修正，并通過外場試驗驗證證實該方法可行。

1 問題描述

在某型自動測試系統研制過程中，采用自動測試系統直接檢測某組合接收機。通過測試結果顯示8項指標不合格，與出廠測試偏差過大，超出測試合格范圍。具體數據見表1所示。

表1 某組合接收機部分測試項目測試結果

通過表1可看出，采用自動測試系統測量該型組合接收機，存在8項測試結果不符合要求。結合產品電路特征，對以上測試結果進行分析，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，測量原理進行深度分析。

2 測量原理

組合接收機的下滑航道數據接收機輸出、航向數據接收機輸出、音頻輸出為獨立功能電路。針對以上特征，設計相應的測量電路。

2.1 下滑航道電路測量原理

自動測試系統內置航空無線電綜合測試設備發出標準下滑載波射頻信號，通過射頻電纜直接加載到組合接收機下滑航道信號輸入接口，進入產品內部下滑航道解調電路，再經信號調理電路后由CPU中央處理控制電路進行數據處理、計算和轉換，通過CPU數據口輸出并口數字量。

CPU輸出的并口數據同時發給3個通道：D/A轉換電路、1553B總線信號轉換電路、429總線信號轉換電路。本質上講三路信號是同源信號，其輸出量應是一致的。

自動測試系統采用34 401數字萬用表毫伏檔測量D/A轉換后輸出的模擬量直流電壓信號；

自動測試系統采用內置1553B通信卡測量1553B總線信號輸出；

自動測試系統采用內置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

自動測試系統內置航空無線電綜合測試設備發出標準>航道載波射頻信號，通過射頻電纜直接加載到組合接收機航向航道信號輸入接口，進入產品內部航向航道解調電路，再經信號調理電路后由CPU中央處理控制電路進行數據處理、計算和轉換，通過CPU數據口輸出并口數字量。

自動測試系統采用34 401數字萬用表毫伏檔測量D/A轉換后輸出的模擬量直流電壓信號；

自動測試系統采用內置1553B通信卡測量1553B總線信號輸出；

自動測試系統采用內置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。

自動測試系統內置航空無線電綜合測試設備發出標準音頻載波射頻信號，通過射頻電纜直接加載到某組合接收機相應信號輸入接口，進入產品內部解調電路，再經信號調理電路后，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整電位器的位置決定。測量時一般輸出標準1 k正弦波信號，測量負載為600 Ω直流負載。

音頻電路測量原理見圖3所示。

圖3 音頻電路測量原理

組合接收機在出廠測量時，通過監測負載電阻兩端電壓值反復調整“輸出調整電位器”，達到出廠設定輸出功率折算的電壓值時，用密封膠封固“輸出調整電位器”。

組合接收機在出廠測量時用某型交流數字毫伏表測量600 Ω負載兩端電壓。

自動測試系統通過內置示波器采集600 Ω負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，不同調制度下，模擬量輸出應和數字量輸出相同。結合圖1下滑航道電路測量原理圖和表1測量結果1、2、3，可知在同源輸入的情況下，模擬量測量值出現偏差。為了驗證數字量輸出的正確性，首先驗證了總線數據輸出與輸入數據一致，排除了總線問題。

分析模擬量測量出現偏差，一般有以下4種原因。

1)測量線路對模擬量小信號測量結果影響分析：

某組合接收機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、適配器轉接、矩陣開關轉接、內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雜。

但定量驗證結果表明，測量線路對測量結果幾乎沒有影響。

2)不同測量儀器對模擬量小信號測量結果影響分析:

采用交、直流標準源，交流數字毫伏表和自動測試系統內置數字萬用表對某組合接收機分別進行測量，測量結果見表2。

表2 模擬量測量

表2定量驗證結果表明，測量儀器對模擬量測量無影響。

3)電磁環境對模擬量小信號測量結果影響分析:

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

電磁環境影響測量結果還有一個顯著特征：測量數值變動，測量數值與某種電磁頻譜的發射關聯較大，測量結果偏離理論值也較大。但表1中，自動測試系統測量值比較穩定，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果受自動測試系統電磁環境影響較小，可以忽略不計。

4)輸出電路D/A轉換寄生電壓對模擬量小信號測量結果影響分析:

采用T型電阻解碼網絡數模轉換電路大多存在寄生電壓。T型電阻解碼網絡D/A轉換寄生電壓存在機理：這種電路原理是基于一個標準電源VREF，二進制數的每一位di(di=0,1,2)對應一個電阻2 R，并由一個二進制值di控制一個雙向電子開關ki，當di=0，ki接地，當di=1時k1接通運算放大器求和點。當D=d2d1d0=111時，相應開關k2、k1、k0接通，3個運算放大器求和點構成虛地求和點。此時測量輸出電壓時，由于運算放大器虛地求和點并不是真實接地，虛地和實地之間存在電壓差，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值都比理論值增加恒定值。

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

5)電源諧波對模擬量小信號測量結果的影響:

自動測試系統供電采用的是220 V/50 Hz的交流電源，給測試設備及儀器供電的直流電源是經過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，模擬量出現偏差的原因分析類似，此處不再贅述。

3.3 音頻電路測量結果偏差分析

按照GJ/T 9001-1998《聲頻放大器測量方法》和GJ/T 12060.3-2011《聲系統設備第三部分：聲頻放大器》等標準的描述，影響音頻量測量結果主要有以下5個方面，下面逐項分析。

1)電源不穩定引起測量結果偏差分析：

產品出廠檢查設備，其測量特性應符合量值傳遞規定，一般情況應是線性電源，輸出穩定，紋波小，指標符合計量要求。

自動測試系統給設備供電采用可程控開關電源，輸出穩定但紋波會大些，但信號源內部電源有濾波電路，提供給恒流源的電源也應是穩定的、紋波小、指標符合計量要求。

基于以上分析，雙方測量用電源應該不會引起測量結果有較大差異。

2)輸出負載不同引起測量結果差異分析：

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

3)測試預熱時間不一致引起的測量結果差異分析：

產品出廠檢查記錄沒有標注預熱時間，自動測試系統測試也沒有設定產品預熱時間，這方面雙方測試結果可能有差異，但用自動測試系統連續進行過兩次測試，測量結果是一致的，因此可以判斷，受檢組合接收機產品預熱時間對測量結果影響不大，可以忽略。

4)測量方式不同引起的差異分析：

組合接收機出廠檢測采用交流數字毫伏表測量其音頻輸出；

自動測試系統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的測量。

使用音頻信號源輸出1 020 Hz正弦信號作為標準源，分別使用組合接收機的出廠檢測設備和ATS測量，測量結果見表3。

表3 音頻測量結果

由表3數據可知，自動測試系統測量的結果相對毫伏表測量結果的相對誤差小于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)的大小由調整電位器決定，如果產品運輸使用過程中，調整電位器內部觸點有位移，其分壓偏置就發生變化，直接影響輸出功率或輸出電壓的大小。

由于無法驗證受試件返廠后調整電位器是否有偏移，這個影響因數只能作為分析。

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：通過自動測試系統激勵發出一組線性航向信號或下滑信號，將模擬量信號和1553B總線測得的數字量信號分別做斜線，模擬量擬合的斜線和數字量擬合的斜線兩條直線之間的距離認為是系統誤差。

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進行復檢，結果如表4所示。

經過對比表4試驗數據，自動測試系統測量結果與出廠檢測結果接近。另外，在某型號外場保障中采用了該方法，外場試驗結果同樣顯示該方法可行。

表4 某組合接收機復檢結果

5 結束語

音頻輸出功率測量偏差主要為系統誤差，可通過軟件算法修正測量結果，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，可采用通過數字濾波和在自動測試系統配置電源濾波器的方法降低測量誤差。