基于模塊化的DME 典型故障分析

彭俊榕，錢 偉

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川廣漢 618307）

0 引言

KN63 型DME（測距機）是國內(nèi)飛行學(xué)校教練機廣泛裝備的一種航電設(shè)備。KN63 的維修難度高，許多故障無法根據(jù)手冊直接排除，只能選擇國外送修，其維修與運輸費用高、周期長；由于部分故障存在間歇特性，即“軟故障”，短時間內(nèi)不易查找出故障原因，導(dǎo)致在維修高峰期會經(jīng)常出現(xiàn)DME 故障件堆積的情況，嚴(yán)重時會對教練機的使用造成一定影響。若對KN63 進行系統(tǒng)化研究，對常見的故障進行模塊化的隔離分析，能夠在很大程度上增強維修人員對該型號DME 的維修能力。

1 KN63 測距機工作原理

DME 通過測量無線電波從飛機傳播到地面站再返回DME 所需的時間來得到與DME 地面站之間的斜距，再將其轉(zhuǎn)化為水平距離進行導(dǎo)航參數(shù)解算。水平距離S 的計算公式如式（1）：

式（1）中的D 為DME 測得的斜距，H 為大氣數(shù)據(jù)計算機提供的飛機氣壓高度，h 為DME 信標(biāo)天線的標(biāo)高[1]。

KN63 型DME 工作在L 波段的978～1213 MHz，機載詢問頻道分配在1041～1150 MHz，共有100 個詢問頻道，通過判斷是否收到屬于自己的響應(yīng)信號，來決定是處于“搜索”還是“鎖定”的狀態(tài)，兩種狀態(tài)的詢問脈沖對分別為100 對/s 和25 對/s[2]。地面站響應(yīng)頻道分配在978～1213 MHz，共有200個響應(yīng)頻道，以恒定的脈沖重復(fù)頻率2700 對/s 發(fā)射響應(yīng)信號，包括對詢問脈沖和隨機脈沖的響應(yīng)，并在接收DME 詢問信號和傳輸響應(yīng)信號之間有一個50 s 的延遲[3]。一個詢問頻道對應(yīng)兩個應(yīng)答頻道，由此形成X 和Y 兩個波道，每個波道的脈沖對間隔分別為12 s、36 s。

2 KN63 測距機系統(tǒng)模塊

KN63 測距機系統(tǒng)模塊如圖1 所示。實線方框分別代表發(fā)射機、接收機、距離速度時間解算電路、頻率合成器、電源等5 個系統(tǒng)模塊，虛線方框代表每個系統(tǒng)模塊當(dāng)中的若干個子模塊。

圖1 KN63 測距機系統(tǒng)模塊

2.1 發(fā)射機

發(fā)射機模塊主要用于詢問脈沖信號的調(diào)制和放大，主要由VCO、調(diào)制器、連續(xù)信號功放電路、脈沖信號功放電路4 個子模塊構(gòu)成。發(fā)射機模塊核心VCO（Voltage-Controlled Oscillator，壓控振蕩器）通過10～17 V 的調(diào)諧電壓控制，產(chǎn)生1041～1150 MHz 的信號，隨后其通過3 個連續(xù)信號功率放大器逐步放大至200 mW，并在3 個脈沖信號功率放大器中接受脈沖調(diào)制，功率逐步放大至50 W 以上，最后經(jīng)過由二極管開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成的雙工器，從天線發(fā)射。調(diào)制器提供發(fā)射機脈沖調(diào)制階段所需的所有矩形和梯形脈沖，控制著調(diào)制脈沖的脈寬和幅值。

2.2 接收機

接收機模塊是負(fù)責(zé)處理應(yīng)答信號進入測距機后的第一個環(huán)節(jié)，主要由調(diào)諧預(yù)選器、抑制電路和混頻、中放、檢波電路這些子模塊電路構(gòu)成。接收到的信號首先要經(jīng)過調(diào)諧預(yù)選器，該預(yù)選器是有著3 dB 帶寬的5 極點帶寬濾波器，濾波之后再通過單平衡混頻器、三級中頻放大、正交檢波器將解調(diào)信號送入解算電路進行解碼。接收機中的抑制電路工作在發(fā)射信號的第1 個脈沖對發(fā)射前，在第2 個脈沖對發(fā)射結(jié)束后停止工作，期間，一方面可抑制接收環(huán)節(jié)的中頻信號輸出，另一方面是抑制飛機應(yīng)答機，使兩者協(xié)調(diào)工作。

2.3 距離速度時間解算電路

此模塊功能的實現(xiàn)主要依靠于兩個LSI（Large Scale Integration，大規(guī)模集成電路）進行數(shù)據(jù)解算，在LSI 中，接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼和有效數(shù)據(jù)的識別之后，進行距離計算、速度計算、到站時間計算，最后將數(shù)據(jù)串行輸出給顯示部分，同時LSI 還要負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼等。在編碼過程中，其作用是向調(diào)制器輸出負(fù)壓脈沖對，X 模式下脈沖對間隔為12 μs，Y 模式下脈沖對間隔為36 μs，搜索狀態(tài)為100 對/s，鎖定狀態(tài)為25 對/s，解碼過程也遵循同樣的規(guī)則。

2.4 頻率合成器

KN63 的電路中絕大多數(shù)需要使用的信號都從頻率合成器產(chǎn)生，主要由晶體振蕩器、1/64 分頻器、20/21 計數(shù)器、頻率合成LSI、調(diào)諧電壓泵這些子模塊構(gòu)成。4.04 MHz 的晶體振蕩器分頻得到15.625 KHz 的參考頻率信號，而VCO 信號先經(jīng)過1/64 分頻器和20/21 計數(shù)器，再除以發(fā)射機設(shè)定的頻率來分頻，最后將得到的信號與參考頻率信號在LSI 中進行頻率和相位的對比，反饋調(diào)整VCO 調(diào)諧電壓的高低。頻率合成LSI 包括可編程分頻器、頻率/相位比較器等，其控制著X/Y 模式下脈沖對的間隔。調(diào)諧電壓泵則是通過晶體管通斷控制電容充放電，從而控制調(diào)諧電壓的高低。

2.5 電源

電源模塊主要由變壓器、串聯(lián)調(diào)節(jié)器、晶體管開關(guān)這3 個子模塊構(gòu)成。KN63 能夠在11～33 V 的任何輸入電壓上工作，其電源變壓器產(chǎn)生以下直流電壓：+192 V、+80 V、+20 V、+12 V、+6.8 V 和-4.5 V。此外，串聯(lián)調(diào)節(jié)器還能將+6.8 V 和+12 V 分別轉(zhuǎn)換為+5 V 和+9.25 V 的直流電壓，并可以在KDI 指示器上控制電源晶體管開關(guān)，控制電源是否供電。

3 發(fā)射機模塊調(diào)制器典型故障分析

3.1 故障現(xiàn)象

KN63 機件通電后，地面測試設(shè)備上無任何信息顯示，無法鎖定機件的通信頻道。

3.2 故障隔離

（1）電源模塊。測試設(shè)備無信息顯示，需要判斷機件是否處于工作狀態(tài)，所以首先檢查電源模塊的輸出是否正常。經(jīng)測試，電源變壓器輸出的+192 V、+12 V 等直流電壓，與串聯(lián)調(diào)節(jié)器輸出的+5 V 和+9.25 V 的直流電壓均處于正常值范圍。

（2）發(fā)射機模塊。測試儀器未鎖定機件的通信頻道，說明機件的發(fā)射或者接收環(huán)節(jié)存在問題，首先對發(fā)射機模塊進行排查。發(fā)射機模塊的調(diào)制器子模塊控制著發(fā)射機的雙工器、功率放大器和二極管開關(guān)，先用示波器檢測調(diào)制器的各個輸出波形，測試點為圖2 所示的O2、O3、O4 端口，發(fā)現(xiàn)其輸出的幅值僅為標(biāo)準(zhǔn)值的千分之一，無法為發(fā)射環(huán)節(jié)提供矩形調(diào)制脈沖，而在調(diào)制器前端有輸入脈沖對，且幅值處于正常范圍，所以將故障點初步隔離至調(diào)制器子模塊電路內(nèi)部。

圖2 調(diào)制器電路

調(diào)制器的電路如圖2 所示，虛線所圈出的5 個方框分別代表不同的功能區(qū)。脈沖對從方框1（P1+P2 端口）輸入，通過可調(diào)式電阻RV1 和集成電路U1、U2 實現(xiàn)脈沖對寬度調(diào)整的功能；有一路信號從方框1 輸入到方框2，通過Q5、Q6 恒流源對C6進行充放電，產(chǎn)生矩形波，進行增益放大后輸出（O1 端口）至雙工器子模塊；方框3 中電路的主要功能是調(diào)節(jié)脈沖對幅值，其通過RV2 和Q10 電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，Q11 是一個恒流源，給C10、C11 充電，也為放大器Q9 提供能源；另一路從方框1 輸入到方框4 的信號，通過Q3、Q4 放大，再經(jīng)過低輸出阻抗的射極跟隨器Q9，由方框5 中的電路（O2、O3、O4 端口）輸出至發(fā)射機的二極管開關(guān)和功放子模塊。

3.3 故障分析

在調(diào)制器輸入正常的情況下，輸出存在問題，從輸出端開始，逆向地按功能區(qū)模塊進行分析。首先調(diào)制器的O2、O3、O4 端口沒有信號輸出，這些端口的信號都是從射極跟隨器Q9 的發(fā)射極傳輸過來的，而輸入Q9 基極的矩形波信號幅值和頻率都滿足要求，集電極上級的相關(guān)電路部分成為排查區(qū)域。經(jīng)檢測，正常情況下78.7 V 的Q9 集電極幅值卻只有0.7 V，與之連接的是Q11 集電極，二極管D3 和電容C11。Q11 作為恒流源提供22 mA 電流為電容C10、C11 充電，這兩個電容為脈沖調(diào)制提供所需要的大瞬時電流，且電流不直接從80 V 的電源線引入，為電源提供隔離保護，防止頻率拉動，C10、C11 之間的二極管D3使它們有各自的放電范圍。Q9 集電極與二極管D3 的正極相連接，該線路上的0.7 V 電壓正好與硅二極管的正向壓降0.7 V相吻合，并且檢測發(fā)現(xiàn)D3 的陰極電壓為0 V，所以判斷是電容C10 發(fā)生短路。

將電容C10 從電路上取下，測量到其阻值幾乎為零，確定為短路損壞，進而造成二極管D3 陰極直接接地，Q9 集電極上的電壓值僅為二極管壓降0.7 V，無法使Q9 集電極處于正常偏置狀態(tài)，恒流源Q11 不能為其提供工作能源。射極跟隨器Q9 的截止?fàn)顟B(tài)使輸入基極的脈沖對信號無法從發(fā)射極輸出，O2、O3、O4 端口也就沒有矩形波輸出，造成調(diào)制器子模塊工作失效，無法為發(fā)射機模塊的各環(huán)節(jié)提供控制脈沖。

3.4 故障解決

更換電容C10，通電后機件恢復(fù)正常工作狀態(tài)，地面測試設(shè)備能夠鎖定通信頻道并顯示各項數(shù)據(jù)，按照工作單檢驗的各項數(shù)據(jù)均合格。

4 結(jié)束語

通過對KN63 型DME 的工作原理、系統(tǒng)模塊進行闡述，并舉例基于模塊化的分析方法在實際維修中的應(yīng)用，將原本復(fù)雜的排故過程系統(tǒng)化地呈現(xiàn)出來。一方面能夠直接優(yōu)化機務(wù)維修人員對KN63 型DME 故障的排除效率；另一方面也能以KN63 為例，為維修人員修理所有的航電設(shè)備提供一種通用的分析思路。