某型裝備校準平臺研制

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

隨著各種戰訓任務的激增，對設備的大修校準保障和現場巡檢保障的需求日益突出。為確保裝備戰術性能準確可靠，必須探索高效便捷地對這類設備實施校準保障的解決方法[1]。當前，國內外武器裝備綜合服務保障管理正在向體系化、模型化、數字化、專業化、集成化方向發展，并貫穿武器裝備全生命周期[2]。為便于在部隊現場開展計量保障，實現該裝備校準的數字化、智能化、自動化，提高部隊戰訓的技術保障時效，十分有必要開展該裝備現場校準的研究工作。

1 總體方案設計思路

該裝備自動化測試校準平臺是國內自行搭建的專用測試系統，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設備。

該裝備校準方法分為兩部分：通用設備的校準方法和專用儀器的校準方法。通用儀器的校準溯源一般由計量機構按現行有效公開發行的規程/規范進行檢定或校準。該部分的改進措施，建議根據需求按測試點校準，既可提高效率，又可縮減標準設備指標范圍。例如，該裝備中的函數發生器，在測試中只用到某些點的方波頻率和方波幅度，其余指標均不關注。按函數發生器檢定規程檢定需要大量的標準設備，如果改為專測校準方法，只校準所需頻點的方波幅度和頻率，也可實現現場校準。

該裝備校準平臺的組成可參考兩種方式進行構建。第一種采用現行的通用貨架產品進行系統集成，一般由微波信號源、頻譜儀、數字電壓表、標準電壓源、示波器校準儀、數字示波器、功率計、標準電阻等組成，所用設備多，操作復雜，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模塊，使用相同通信協議，同時配備專用的輸入輸出接口，使測試設備的校準連接方便，標準裝置攜帶方便，滿足現場校準要求。

如果校準裝置全部采用現有的貨架產品，一方面會造成標準裝置體積大、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，對于技術指標比較高的矢量網絡分析儀購買現有貨架產品，示波器采用現有的示波器；對于功能單一、使用環境沒有特殊要求的設備，根據該裝備專測設備的特殊性和專用性，研制適合現場測試環境的便攜式設備，共同組建標準裝置。

根據該裝備的具體技術要求，開展相關參數專用校準方法研究，研制綜合的多參數現場校準裝置。一套完整的校準裝置包括標準電壓表、標準電阻箱、電壓產生模塊、穩幅正弦波產生模塊、時標輸出模塊、衰減測量系統、多普勒頻率測量系統、矢量網絡分析儀、示波器等。

2 關鍵硬件設計

2.1 電壓模塊

電壓模塊輸出直流電壓和方波電壓，主要用于校準示波器的垂直幅度、16路A/D采集模塊、數字電壓表模塊等。在-20～40℃溫度范圍內，電壓準確度優于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確度直流電壓的模塊；在-20～40℃溫度范圍內，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

內部采用高精度D/A、A/D、高壓放大器產生方波電壓，D/A產生方波信號，A/D對方波電壓進行監控，將A/D輸出的方波電壓控制在預定的指標范圍。A/D變換器為24bit高精度變換器，通過內波的濾波算法，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，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 穩幅正弦波模塊

穩幅正弦波模塊研制的技術難點是放大穩幅電路，就是在很寬的范圍內將幅度穩定，對諧波有一定要求。穩幅電路由檢波器、積分器、D/A、乘法器及功率放大衰減模塊構成。由D/A給出標準電壓信號，去控制檢波器、積分器及放大衰減模塊組成的反饋環路，正弦波輸出幅度能夠穩定在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幅。

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

采用DDS數字綜合產生技術產生50kHz～200MHz的頻率，頻率產生原理圖如圖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頻率產生原理圖

2.3 衰減測量模塊

采用低中頻串聯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。利用高準確度標準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的動態范圍，在-20～40℃溫度范圍內，測量誤差為±0.01dB/10dB。同時，引入相關檢測方法，使用鎖相放大器作為中頻接收和指示裝置，根據參考信號與測試信號相關而與噪聲不相關的原理，鎖相放大器采取相關檢測技術，最大限度地壓縮帶寬、抑制噪聲，使得系統的測量穩定度和動態范圍都有大幅提升。

衰減校準的工作原理：首先對經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，使被測射頻信號變為容易處理的中頻信號，然后將混頻后的中頻信號進行低噪聲預放。經高準確度程控步進標準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檢波處理，并進行數據采集和處理，最終顯示。具體過程中，首先進行校準，即衰減器衰減量為零或未接入衰減器時對系統進行校準，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，并改變系統中標準步進衰減器的衰減量，使系統達到二次平衡，此時的標準衰減器的改變量即為被測衰減器的衰減量。

3 軟件設計

為了提高校準測試效率，需要開發自動化校準測試程序。自動化校準程序通過VC開發完成，通過VC工具將整個測試流程分為若干個測試項目，然后分析測試結果并生成報表。對于計算機控制的自動化測試，本質上就是通過控制總線向儀器發送控制命令。所以，描述一個測試項目，就是要建立一種機制，能夠根據不同的情況相應地生成并發送控制命令。這些控制命令可以分為兩種類型：一種是設置儀器的命令，另一種是從儀器讀取某種信息的命令。控制命令可能包含參數，這些參數同時又對應不同測試項目的不同設置。對于專用測試設備，建立一個測試模板文件，包含測試過程需要的數據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給對應的測試設備，并讀取測試設備的測量結果。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 結束語

隨著科學技術的發展，計量校準呈現計量標準模塊化、自動化的發展趨勢。校準平臺引入這些先進的計量技術，可以使新型裝備校準使用的設備體積更小、重量更輕、精度更高、測試更方便。該校準平臺目前已廣泛應用于部隊現場計量巡檢工作中，大大提高了該裝備快速校準測試能力，對保障某系列武器系統的可靠性和部隊的戰斗力具有重要意義。