基于便攜式雷達維修測試系統的示波器輸入調理電路設計

劉永強，梁 華，薛邦貴

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

隨著氣象事業的發展，中國高空觀測系統不斷完善，新一代天氣雷達在氣象業務工作中發揮著重大作用，已成為預報預測和防災減災的有效保障工具。由于國內在用天氣雷達型號多，升級改造頻繁，技術指標差異較大，給雷達維護、維修和保障工作帶來了巨大困難和挑戰。雖然國內外很多技術保障人員在故障分析和維修方面積累了很多經驗[1-5]，但常因測試能力不足、保障手段單一，導致故障檢測和維修周期長、保障時效延后，嚴重影響雷達的正常運轉和業務的正常運行。

基于以上問題，文章設計了一套便攜式雷達維修測試平臺[6，7]。在平臺設計中，存在通用儀器板載示波器測試通道輸入阻抗不能自動切換的問題，而現有的調理電路結構均復雜，故需要設計一種結構簡單、運行可靠、自動化程度高的調理電路來實現輸入阻抗的自動切換。文章設計的調理電路經實際測試表明其穩定性、可靠性達到了測試標準，完全滿足便攜式雷達維修測試系統的設計要求。

1 設計內容

1.1 便攜式雷達維修測試系統

便攜式雷達維修測試系統由硬件系統和軟件系統2部分構成。硬件系統采用基于PXI/PXIe總線接口協議的組合式微波測試儀表與PXIe標準工控機相互連接，系統選用目前較為流行的嵌入式機箱設計方案，機箱包括最新的PXI/PXIe總線標準、PXI觸發總線和8個即插式硬件模塊插槽，配置具有調制功能的RF和微波信號發生器模塊、數字化儀(示波器)、配有總線供電USB連接的峰值功率計以及頻譜分析儀等，通過與PXI/PXIe總線連接，組成了一套功能完整、設備齊備的便攜式測試維修硬件平臺系統；軟件系統采用目前流行的QT設計理念和思路[8]，實現對雷達發射、接收、伺服和數字中頻信號處理等分系統相關模塊的功能檢查、參數測試、故障診斷和維修指導。圖1為便攜式雷達維修測試系統功能結構；圖2為便攜式雷達維修測試系統硬件構成。

圖1 便攜式雷達維修測試系統功能結構

圖2 便攜式雷達維修測試系統硬件構成

1.2 測試系統對示波器調理電路的要求

便攜式雷達維修測試系統硬件采用NI公司基于PXIe-1075機箱的通用集成化儀表設備，裝配了信號源、頻譜儀、示波器、萬用表和功率計，其特點是體積小、重量輕、擴展性好，便于攜帶和使用。受成本及體積的影響，文章選用的通用儀器原板載示波器沒有設置調理電路來自動切換負載通道，而便攜式雷達維修測試系統的設計理念是一款自動化測試及維修平臺，系統缺失示波器調理電路就無法實現測試脈沖包絡流程與其他測試內容需求(例如萬用表檢測功能等)之間的自動切換，因此設計一款能滿足在雷達相關參數測量之間自動切換的調理電路成為測試系統最基本的需求。

1.3 示波器調理電路的工作原理

示波器輸入調理電路(圖3)包括PXIe接口、FPGA、繼電器、阻抗網絡和電流緩沖器[9，10]，調理電路采用PXIe總線電源供電，電源輸入FPGA前依次采用LC電源濾波器和EMI濾波器進行濾波處理，作用是抑制高頻干擾信號，確保調理電路運行穩定和可靠。PXIe接口與FPGA的高速串行接口連接，實現標準PXIe通信，FPGA的輸出端與繼電器連接，阻抗網絡包括2個負載通道(分別為50 Ω負載通道和1 MΩ負載通道)，繼電器同時與電流緩沖器連接，電流緩沖器輸出端與示波器輸入端相連接。FPGA接收來自PXIe的示波器阻抗命令，根據命令控制產生繼電器控制信號，控制繼電器選擇不同的阻抗。對于測試脈沖包絡流程的需求，則FPGA產生繼電器控制信號，使繼電器選擇50 Ω的輸入阻抗，然后通過電流緩沖器向示波器輸出電流；對于其他測試內容的需求(例如萬用表檢測等)，則FPGA產生繼電器控制信號，使繼電器選擇1 MΩ的輸入阻抗，然后通過電流緩沖器向示波器輸出電流。

圖3 示波器輸入調理電路原理

1.4 示波器調理電路的設計

示波器輸入調理電路由PXIe接口、FPGA、繼電器、阻抗網絡和電流緩沖器5部分組成(圖4)。

圖4 示波器輸入調理電路

1.4.1 PXIe接口

便攜式雷達維修測試系統硬件采用NI公司基于PXIe-1075機箱的通用集成化儀表設備。系統采用基于PXI/PXIe總線接口協議的微波測試儀表與PXIe標準工控機相連接。PXIe采用的混合兼容性插槽使得PXI和PXI-Express模塊能夠在同一系統上協同工作，因此面向自動化測試應用時，PXI與PXI-Express系統均有關鍵性技術優勢。PXI模塊化儀器結構系統采用當今主流PC先進技術，架構出一種堅固、可測量、自動化的計算結構平臺，使標準PCI總線技術能夠受益于廣泛使用的硬件和軟件器件和組件。NI PXIe機箱采用占用箱中未使用的插槽擋板技術方案(塑料的模塊化PXI填充板)，目的是通過降低空插槽中的氣流而起到有效的降溫效果。使用插槽擋板可使工作模塊中電子元件溫度升幅降低20%，從而提高機箱降溫的性能，確保設備穩定、高效工作。

1.4.2 現場可編程門陣列(FPGA)

在數據采集模塊中，對實時性和控制準確性要求較高，所以文章選用FPGA控制繼電器。FPGA有43，661個邏輯單元，54，576個觸發器，2088 Kb存儲空間，58個DSP單元以及4對高速串行通信接口，其高速串行接口可直接與PXIe的高速接口相互連接，調用官方提供的IP實現PXIe總線與板卡本地總線橋接[11]，然后FPGA根據總線命令對繼電器的控制，從而實現對示波器輸入阻抗的自動控制。

1.4.3 繼電器

繼電器是一種常用的電控器件，用于電路的邏輯控制，當輸入量(激勵量)變化達到規定要求和設置時，在電氣輸出電路中能夠使被控量發生預定的階躍性變化，以實現電路的自動控制功能，繼電器有控制系統(輸入回路)和被控制系統(輸出回路)的互動關系，在自動化控制電路中被廣泛使用。繼電器也是一種用小電流控制大電流運作的“自動開關”器件，所以在電路中起到自動調節、安全保護以及轉換電路等作用，同時繼電器還具備隔離功能，被廣泛應用于通信、遙測、遙控、電力電子設備、自動控制和機電一體化中，屬于重要的控制元件之一。繼電器種類繁多，文章采用了常用的電磁繼電器，可根據測試要求實現阻抗網絡中50 Ω負載通道和1 MΩ負載通道的自動切換。

1.4.4 電流緩沖器

在計算機和自動控制領域，緩沖器能夠將外部設備送來的數據暫時存放，以便處理器在需要時將其取走，緩沖器能夠協調并緩沖高速工作的CPU與慢速工作的外部設備，從而實現數據同步傳輸，同時也能放大信號提高驅動能力以及消除負載對信號源的影響[12]。文章采用了BUF634高速開環增益電流緩沖器，能夠驅動250 mA的輸出電流，可用于運算放大器的反饋環路，共同增加輸出電流消除熱反饋，從而有效改善容性負載驅動。對于一個低電壓應用的典型案例，BUF634工作設置在1.5 mA靜態電流，輸出為250 mA，2000 u/s電壓轉換速率和30 MHz帶寬，同時頻帶寬度可以根據設計要求對電路進行適當調整，從而實現帶寬在30～180 MHz可調。

2 結束語

文章通過對便攜式雷達維修測試系統中示波器調理電路的設計，解決了原通用儀器板載示波器測試通道輸入阻抗無法自動切換的問題。經過實際應用測試，該設計自動化程度高、使用便捷，測試結果完全滿足實際應用需求，達到了便攜式雷達維修測試系統的設計要求。