黃院生劉春暉徐 友張龍雷

（空軍二十三廠，北京102200）

1 引 言

我國現(xiàn)階段某型引俄防空裝備的電參數(shù)維修和測試，仍依靠上世紀90年代初由俄羅斯提供的裝備配套測試設備，在實際操作中存在儀器儀表種類繁多，自身維修保障和自校準困難，儀器計量難以管理，操作復雜，且測試數(shù)據(jù)的保存有限等諸多問題，制約部隊基層級裝備修理和應急搶修，影響部隊維修保障決策。 為解決這一問題，基于深入交流分析，確定某型裝備隨裝測量設備俄制指針多用表Ц4353、電壓表B7 -40、示波器C1 -99、數(shù)字萬用表PB7 -32、毫安表э535、通用數(shù)字電壓表B7 -35、綜合電工測量儀表43103／2、綜合電測儀表430101 等8 種型號儀表的實現(xiàn)功能、電壓電流范圍、測量精度、測試帶寬等技術(shù)指標，結(jié)合部隊實際狀況，降低操作人員的技術(shù)要求，應用合成儀器技術(shù)最大限度進行儀器合成，并編制測試軟件，通過程控接口對上述8 種儀器進行自動操控，研制小型化、多功能、一體化的便攜式測試設備。

2 設計思路與系統(tǒng)組成

2.1 功能要求

主要功能：能夠?qū)崿F(xiàn)上述8 種俄制儀器的測試；對于大電壓、大電流信號采用外部適配器方法進行調(diào)整；設備方便計量；自動測試，能實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自動記錄、存儲、計算、合格判斷等。

2.2 方案設計

充分分析上述俄制儀器的測試原理、中頻電壓表的電路原理、示波器Z 路激勵的實現(xiàn)方法、板卡萬用表的測試精度，依據(jù)研制測試設備應達到的功能和性能指標，確定虛擬儀器的某型防空裝備電參數(shù)合成測試儀器（以下簡稱合成儀器）采用數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器、數(shù)字波形發(fā)生器等儀器儀表功能集成在一臺小型便攜儀器中，對合成儀器進行總體設計、硬件設計、軟件設計、結(jié)構(gòu)設計、測試原理設計、可靠性設計等技術(shù)論證，合成儀器主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。

2.3 系統(tǒng)組成

2.3.1 合成儀器硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)以PXI 平臺為基礎，主要由合成儀器平臺、嵌入式計算機模塊、萬用表模塊、示波器模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊和電壓放大模塊組成，原理框圖如圖1 所示。

圖1 合成儀器硬件原理圖Fig.1 Hardware schematic diagram of synthetic instrument

1）硬件集成：對測試設備系統(tǒng)進行了散熱、結(jié)構(gòu)連接可靠性試驗驗證等工作，設備實物如圖2 所示；

圖2 合成儀器實物圖Fig.2 Physical drawing of synthetic instrument

2）函數(shù)發(fā)生器模塊：選用PXI 5406，利用數(shù)字合成（DDS）技術(shù)，精確生成具有重復特征的正弦波、方波、三角波、斜波、噪音波和交流波等波形；

3）數(shù)字萬用表模塊：選用NI PXI-4072 六位半模塊，可測量高達±300V 的直流電壓和±1A 的直流電流，同時具有高精度的電感和電容測量功能，分辨率23 位可編程配置，可測量交直流電壓電流、頻率周期、電感和電容等；

4）示波器模塊：選用NI PXI -5114，該款示波器模塊具有兩個通道，提供了靈活的耦合、阻抗、電壓范圍和濾波設置。 PXI 示波器還具有多個觸發(fā)模式、高容量板載內(nèi)存和一個包含數(shù)據(jù)流和分析功能的儀器驅(qū)動程序，模擬帶寬高達125MHz，還具有PXI 同步和數(shù)據(jù)流功能；

5）C1 -99 示波器專用脈沖波發(fā)生模塊：C1 -99 示波器正常工作需要專用的低頻14V 電平的脈沖波，通用的板卡無法產(chǎn)生這樣的波形，因此單獨設計C1 -99 示波器專用脈沖波發(fā)生模塊，其實現(xiàn)原理是FPGA 產(chǎn)生對應頻率和占空比的PWM 波，再由運放放大后產(chǎn)生對應脈沖波，如圖3 和圖4所示；

圖3 專用脈沖波發(fā)生模塊實物圖Fig.3 Photo of special pulse wave generation module

圖4 示波器所需的脈沖波形圖Fig.4 Pulse waveform required by oscilloscope

6）電壓傳感器：標準PXI 模塊無法直接測量1 200V 交直流電壓，設計測量附件來測量大電壓，選用高精度電壓傳感器，將電壓信號衰減100 倍后進行測量；

7）交直流電流傳感器：標準的PXI 模塊無法直接測量30A 交直流電流，設計測量附件來測量大電流，選用高精度電流傳感器，將電流信號先放大3倍再衰減1000 倍后進行測量；

8）中頻電壓表輸入模塊：中頻電壓表主要測試中頻幅值，中頻電壓表輸入模塊測試的電壓較小，在0.9V 左右，該模塊參考俄制儀器電路，采用并聯(lián)二極管包絡檢波器的原理，測試結(jié)果與俄制儀器一致；

9）中頻電壓表輸出模塊：中頻電壓表輸出模塊測試的電壓在15V 左右，參考俄制儀器電路，采用串聯(lián)二級管包絡檢波器的原理，測試結(jié)果與俄制儀器一致。

2.3.2 合成儀器軟件組成

軟件部分采用模塊化的層次式架構(gòu)設計，主要由驅(qū)動層、測試層和應用層組成。 軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 合成儀器軟件架構(gòu)圖Fig.5 Software architecture diagram of synthetic instrument

軟件采用WINDOWS 操作系統(tǒng)平臺，應用程序采用LABVIEW 編制。 主要分為兩大部分，主要包括面向控制流程的測試管理部分和面向數(shù)據(jù)的信息管理部分，通過整合各類的模塊化硬件和平臺化軟件處理，使用人員能夠更快更靈活地配置測試系統(tǒng)，并滿足不斷改變的測試需求。 自動測試軟件代碼開發(fā)合成儀器軟件從功能的角度分為3 部分。

1）虛擬儀器面板：軟件平臺提供直流校準源模塊、交流校準源模塊、電阻校準源模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、數(shù)字萬用表模塊的虛擬面板，虛擬面板包括參數(shù)設置和輸出控制按鈕，配置好相應的信號參數(shù)后，操作相應的功能按鈕，相應的校準源通道會輸出真實的校準信號，相應的測量通道會對電參數(shù)進行測量，系統(tǒng)同時記錄相應的操作過程和測試數(shù)據(jù)；

2）校準序列：針對具體的被檢對象，編輯相應的測試序列，執(zhí)行校準程序后，調(diào)用針對某一特定對象的校準序列，根據(jù)軟件所提示的操作信息，實現(xiàn)對被檢對象的校準過程，同時系統(tǒng)記錄相應的操作過程和測試數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫中，校準過程完畢之后，生成檢定或校準報告；

3）溯源序列：針對合成儀器內(nèi)部的PXI 模塊進行溯源，軟件平臺提供直流校準源模塊、交流校準源模塊、電阻校準源模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、數(shù)字萬用表模塊的溯源序列，溯源序列可預先編輯，但需將溯源所指定的標準設備的驅(qū)動集成到軟件平臺中，實際操作時，將相應的溯源通道連接至指定的標準溯源儀器中，執(zhí)行相應的溯源序列，可自動完成通道校準溯源，同時將相應的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中并生成校準報告。

為校準裝置開展工作有據(jù)可查，依據(jù)現(xiàn)有的測試規(guī)程，并基于裝備技術(shù)指標要求以及儀器在測試過程中的作用，剔除規(guī)程中儀器在測試中不用的檢定項目，編寫與該裝置配套的，并針對不同型號儀器的專用測試規(guī)范，滿足部隊使用需求。

2.3.3 結(jié)果檢驗

2019年9月～11月，攜帶合成儀器在天津某部做合成儀器中頻電壓表、示波器和萬用表的試用驗證，合成儀器工作正常穩(wěn)定，測試結(jié)果合格，滿足部隊需求。 經(jīng)第三方計量結(jié)果表明被測儀器測試指標符合國家標準及相關(guān)要求。

3 技術(shù)難點及實施途徑

3.1 中頻電壓表的替代

俄制中頻電壓表儀器由電壓表和中頻探頭組成，該設備屬于定制設備，國內(nèi)仿制設備測試精度和一致性差，難以替代該設備。

1）采用高速動態(tài)數(shù)據(jù)采集+信號處理的方法，充分發(fā)揮合成儀器的軟件定義硬件的優(yōu)勢，示波器進行數(shù)據(jù)采集，通過高速通訊總線傳輸?shù)娇刂破?，利用軟件進行分析和處理相關(guān)信號。 經(jīng)過軟件校準后，測量值精度控制在要求6.7%之內(nèi)。 選取具有優(yōu)秀的帶寬、采樣率和20V 的輸入電壓范圍的示波器，實現(xiàn)對該信號的采集，軟件運用高斯／卡爾曼濾波等信號處理手段結(jié)合FFT、信號包絡檢查等時頻域分析手段，完成了國產(chǎn)TV1 設備和俄制B7-40儀器替換；

2）由于中頻電壓表測試的是裝備中頻信號的幅值信號，為確保與俄制的中頻電壓表保持一致，中頻探頭部分電路與俄制電路保持一致，這樣測試結(jié)果可以按照俄制儀器的要求進行判斷是否合格。

中頻探頭分為輸入部分和輸出部分兩種。

輸入部分采用并聯(lián)檢波電路的方案，輸入端經(jīng)過電容C1 隔直流通交流信號，在過大電壓脈沖下可以保護檢波二極管損壞，電路如圖6 所示。

圖6 中頻電壓表輸入原理圖Fig.6 Input schematic diagram of intermediate frequency voltmeter

輸入部分波形在泰克示波器采集到的中頻正弦波，幅值在1V 左右，檢波電路輸出的合格范圍是（0.9 ±0.1）V，出現(xiàn)合格電壓比實際包絡小的原因是二極管的導通電壓和電阻的分壓，如圖7 所示。輸出部分采用串聯(lián)檢波電路的方案，電路如圖8 所示。 串聯(lián)檢波被測的波形用示波器采集到的波形如圖9 所示。

圖7 中頻電壓表輸入波形圖Fig.7 Input waveform of intermediate frequency voltmeter

圖8 中頻電壓表輸出電路圖Fig.8 Circuit diagram of intermediate frequency voltmeter output

圖9 中頻電壓表輸出波形圖Fig.9 Output waveform of intermediate frequency voltmeter

中頻電壓表的輸出部分的最大電壓在14V 左右（檢波的包絡電壓），實際的合格電壓時15V ±1V，合格電壓比示波器測試值大的原因是示波器的采樣率和模擬帶寬限制更大尖峰電壓的采集，更高更窄的脈沖被示波器的ADC 和前段抗混疊濾波器過濾，而檢波二極管作為純模擬電路可以完整的測試出最高峰的包絡電壓。

3.2 C1-99 示波器的替代

C1-99 示波器與通常示波器的波形測量功能不同，設計接入三路信號，對信號進行分析、處理后，測量得到正確的波形。 功能上主要通過采用PXI-5114 示波器模塊和兩路專用脈沖發(fā)生器模塊實現(xiàn)示波器功能的替代。

示波器與裝備通過3 個MCX 轉(zhuǎn)BNC 轉(zhuǎn)接線相連，該三路信號分別接于示波器的A，B，Z 通道。 A為待觀測信號，波形為掃頻信號，從裝備輸出后再輸入到示波器；B 為同步信號，波形為脈沖信號，從示波器輸出后再輸入到裝備，該信號用于同步A 信號，使A 信號在示波器顯示區(qū)內(nèi)穩(wěn)定顯示；Z 為觸發(fā)信號，通過裝備端測量該端口的信號為15V 直流，通過示波器端測量該端口的信號為負向脈沖，從示波器輸出，通過裝備該端口內(nèi)置的電路送到電源（15V），如圖4 所示。

通過信號處理軟件作用后，直接呈現(xiàn)測量結(jié)果如下。

1）簡化測試過程；

2）通過軟件分析的手段比從示波器屏幕上通過光標進行讀數(shù)顯著提高準確度和一致性；

3）利用PXI 總線信號帶寬高的優(yōu)勢，PXI 示波器將原始波形上傳至計算機中，Labview 軟件通過特定的算法將測試值正確取出。

4 結(jié)束語

該設備集成度高，便于操作，具有測試功能強大、重組靈活、性價比高、可靠性高、環(huán)境適應性強、攜帶方便和易于操作等典型特點。 可有效保證裝備的正常維護，可提升部隊裝備保障和工廠應急搶修能力，減少部隊作戰(zhàn)攜帶測試設備負荷，提高設備綜合使用率。 某型裝備俄制進口儀器儀表故障率高、備件少、進口周期長，自主維修困難，嚴重影響裝備維護、修理的使用，自主研制后，有效解決了以上問題，對裝備保障具有重要意義。