雷江妮，成鵬展，聶同攀

(航空工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，西安 710089)

0 引言

在航空裝備自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng))領(lǐng)域，由于機(jī)載設(shè)備實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，受電源干擾和電磁干擾較大、測(cè)量線路冗長(zhǎng)、開關(guān)級(jí)聯(lián)較多、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)輸出供電電源紋波較大等外在影響因素，準(zhǔn)確測(cè)量模擬量小信號(hào)是一個(gè)難點(diǎn)，采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基本配置測(cè)量機(jī)載設(shè)備小信號(hào)模擬量時(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確度無法滿足測(cè)試需求。本文基于組合接收機(jī)小信號(hào)測(cè)量誤差處理經(jīng)驗(yàn)，在分析多種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)排除次要影響因素，提出了在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中集成電源濾波器和軟件濾波的組合方法對(duì)模擬量小信號(hào)測(cè)量誤差進(jìn)行修正，并通過外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證證實(shí)該方法可行。

1 問題描述

在某型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制過程中，采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)直接檢測(cè)某組合接收機(jī)。通過測(cè)試結(jié)果顯示8項(xiàng)指標(biāo)不合格，與出廠測(cè)試偏差過大，超出測(cè)試合格范圍。具體數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 某組合接收機(jī)部分測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果

通過表1可看出，采用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量該型組合接收機(jī)，存在8項(xiàng)測(cè)試結(jié)果不符合要求。結(jié)合產(chǎn)品電路特征，對(duì)以上測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可將問題歸類為以下3個(gè)方面：

1)下滑航道中心指示模擬量測(cè)量偏差；

2)航向航道中心指示模擬量測(cè)量偏差；

3)音頻輸出測(cè)量偏差。

針對(duì)這3個(gè)方面存在的測(cè)量偏差，測(cè)量原理進(jìn)行深度分析。

2 測(cè)量原理

組合接收機(jī)的下滑航道數(shù)據(jù)接收機(jī)輸出、航向數(shù)據(jù)接收機(jī)輸出、音頻輸出為獨(dú)立功能電路。針對(duì)以上特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)的測(cè)量電路。

2.1 下滑航道電路測(cè)量原理

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置航空無線電綜合測(cè)試設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)下滑載波射頻信號(hào)，通過射頻電纜直接加載到組合接收機(jī)下滑航道信號(hào)輸入接口，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部下滑航道解調(diào)電路，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后由CPU中央處理控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和轉(zhuǎn)換，通過CPU數(shù)據(jù)口輸出并口數(shù)字量。

CPU輸出的并口數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)給3個(gè)通道：D/A轉(zhuǎn)換電路、1553B總線信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、429總線信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。本質(zhì)上講三路信號(hào)是同源信號(hào)，其輸出量應(yīng)是一致的。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用34 401數(shù)字萬用表毫伏檔測(cè)量D/A轉(zhuǎn)換后輸出的模擬量直流電壓信號(hào)；

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用內(nèi)置1553B通信卡測(cè)量1553B總線信號(hào)輸出；

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用內(nèi)置429通信卡測(cè)量429總線信號(hào)輸出。

下滑航道電路測(cè)量原理見圖1所示。

圖1 下滑航道電路測(cè)量原理

2.2 航向航道電路測(cè)量原理

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置航空無線電綜合測(cè)試設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)>航道載波射頻信號(hào)，通過射頻電纜直接加載到組合接收機(jī)航向航道信號(hào)輸入接口，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部航向航道解調(diào)電路，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后由CPU中央處理控制電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和轉(zhuǎn)換，通過CPU數(shù)據(jù)口輸出并口數(shù)字量。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用34 401數(shù)字萬用表毫伏檔測(cè)量D/A轉(zhuǎn)換后輸出的模擬量直流電壓信號(hào)；

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用內(nèi)置1553B通信卡測(cè)量1553B總線信號(hào)輸出；

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用內(nèi)置429通信卡測(cè)量429總線信號(hào)輸出。

航向航道電路測(cè)量原理見圖2所示。

圖2 航向航道電路測(cè)量原理

2.3 音頻電路測(cè)量原理

MLS音頻電路測(cè)量和ILS音頻信號(hào)測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置航空無線電綜合測(cè)試設(shè)備發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)音頻載波射頻信號(hào)，通過射頻電纜直接加載到某組合接收機(jī)相應(yīng)信號(hào)輸入接口，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部解調(diào)電路，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，通過自反饋放大器輸出音頻信號(hào)，輸出音頻信號(hào)的大小由自反饋放大器偏置電路中的輸出調(diào)整電位器的位置決定。測(cè)量時(shí)一般輸出標(biāo)準(zhǔn)1 k正弦波信號(hào)，測(cè)量負(fù)載為600 Ω直流負(fù)載。

音頻電路測(cè)量原理見圖3所示。

圖3 音頻電路測(cè)量原理

組合接收機(jī)在出廠測(cè)量時(shí)，通過監(jiān)測(cè)負(fù)載電阻兩端電壓值反復(fù)調(diào)整“輸出調(diào)整電位器”，達(dá)到出廠設(shè)定輸出功率折算的電壓值時(shí)，用密封膠封固“輸出調(diào)整電位器”。

組合接收機(jī)在出廠測(cè)量時(shí)用某型交流數(shù)字毫伏表測(cè)量600 Ω負(fù)載兩端電壓。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通過內(nèi)置示波器采集600 Ω負(fù)載電阻兩端正弦波信號(hào)峰值，然后計(jì)算出端電壓。

3 問題分析

3.1 下滑航道電路測(cè)量偏差分析

理想情況下，不同調(diào)制度下，模擬量輸出應(yīng)和數(shù)字量輸出相同。結(jié)合圖1下滑航道電路測(cè)量原理圖和表1測(cè)量結(jié)果1、2、3，可知在同源輸入的情況下，模擬量測(cè)量值出現(xiàn)偏差。為了驗(yàn)證數(shù)字量輸出的正確性，首先驗(yàn)證了總線數(shù)據(jù)輸出與輸入數(shù)據(jù)一致，排除了總線問題。

分析模擬量測(cè)量出現(xiàn)偏差，一般有以下4種原因。

1)測(cè)量線路對(duì)模擬量小信號(hào)測(cè)量結(jié)果影響分析：

某組合接收機(jī)出廠測(cè)量直接在測(cè)量電纜引出端上測(cè)量，ATS測(cè)量時(shí)要通過測(cè)量電纜、適配器轉(zhuǎn)接、矩陣開關(guān)轉(zhuǎn)接、內(nèi)部電纜等連接到測(cè)量?jī)x器的測(cè)量端。ATS測(cè)量相比出廠測(cè)量的線路要復(fù)雜。

但定量驗(yàn)證結(jié)果表明，測(cè)量線路對(duì)測(cè)量結(jié)果幾乎沒有影響。

2)不同測(cè)量?jī)x器對(duì)模擬量小信號(hào)測(cè)量結(jié)果影響分析:

采用交、直流標(biāo)準(zhǔn)源，交流數(shù)字毫伏表和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字萬用表對(duì)某組合接收機(jī)分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 模擬量測(cè)量

表2定量驗(yàn)證結(jié)果表明，測(cè)量?jī)x器對(duì)模擬量測(cè)量無影響。

3)電磁環(huán)境對(duì)模擬量小信號(hào)測(cè)量結(jié)果影響分析:

小信號(hào)測(cè)量常常受電磁環(huán)境影響，特別是射頻信號(hào)測(cè)量和交流小信號(hào)測(cè)量時(shí)受電磁環(huán)境影響較大；但直流電壓信號(hào)測(cè)量受電磁環(huán)境影響相對(duì)較小，特別是電磁場(chǎng)功率不大的情況下可以忽略不計(jì)。

電磁環(huán)境影響測(cè)量結(jié)果還有一個(gè)顯著特征：測(cè)量數(shù)值變動(dòng)，測(cè)量數(shù)值與某種電磁頻譜的發(fā)射關(guān)聯(lián)較大，測(cè)量結(jié)果偏離理論值也較大。但表1中，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量值比較穩(wěn)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(cè)量結(jié)果受自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)電磁環(huán)境影響較小，可以忽略不計(jì)。

4)輸出電路D/A轉(zhuǎn)換寄生電壓對(duì)模擬量小信號(hào)測(cè)量結(jié)果影響分析:

采用T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路大多存在寄生電壓。T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換寄生電壓存在機(jī)理：這種電路原理是基于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電源VREF，二進(jìn)制數(shù)的每一位di(di=0,1,2)對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻2 R，并由一個(gè)二進(jìn)制值di控制一個(gè)雙向電子開關(guān)ki，當(dāng)di=0，ki接地，當(dāng)di=1時(shí)k1接通運(yùn)算放大器求和點(diǎn)。當(dāng)D=d2d1d0=111時(shí)，相應(yīng)開關(guān)k2、k1、k0接通，3個(gè)運(yùn)算放大器求和點(diǎn)構(gòu)成虛地求和點(diǎn)。此時(shí)測(cè)量輸出電壓時(shí)，由于運(yùn)算放大器虛地求和點(diǎn)并不是真實(shí)接地，虛地和實(shí)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(cè)量的輸出電壓數(shù)值都比理論值增加恒定值。

此次測(cè)量偏差分析驗(yàn)證過程中，項(xiàng)目組通過輸入一組線性數(shù)據(jù)，測(cè)量的模擬量輸出基本都是在理論值基礎(chǔ)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(hào)測(cè)量結(jié)果。

5)電源諧波對(duì)模擬量小信號(hào)測(cè)量結(jié)果的影響:

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)供電采用的是220 V/50 Hz的交流電源，給測(cè)試設(shè)備及儀器供電的直流電源是經(jīng)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(huì)對(duì)毫伏級(jí)測(cè)量產(chǎn)生較大影響。

3.2 航向航道電路測(cè)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(xiàn)偏差的原因分析類似，此處不再贅述。

3.3 音頻電路測(cè)量結(jié)果偏差分析

按照GJ/T 9001-1998《聲頻放大器測(cè)量方法》和GJ/T 12060.3-2011《聲系統(tǒng)設(shè)備第三部分：聲頻放大器》等標(biāo)準(zhǔn)的描述，影響音頻量測(cè)量結(jié)果主要有以下5個(gè)方面，下面逐項(xiàng)分析。

1)電源不穩(wěn)定引起測(cè)量結(jié)果偏差分析：

產(chǎn)品出廠檢查設(shè)備，其測(cè)量特性應(yīng)符合量值傳遞規(guī)定，一般情況應(yīng)是線性電源，輸出穩(wěn)定，紋波小，指標(biāo)符合計(jì)量要求。

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)給設(shè)備供電采用可程控開關(guān)電源，輸出穩(wěn)定但紋波會(huì)大些，但信號(hào)源內(nèi)部電源有濾波電路，提供給恒流源的電源也應(yīng)是穩(wěn)定的、紋波小、指標(biāo)符合計(jì)量要求。

基于以上分析，雙方測(cè)量用電源應(yīng)該不會(huì)引起測(cè)量結(jié)果有較大差異。

2)輸出負(fù)載不同引起測(cè)量結(jié)果差異分析：

受檢組合接收機(jī)出廠檢測(cè)負(fù)載為600 Ω電阻，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試時(shí)所加負(fù)載也是600 Ω電阻，兩者一致，也符合GJ 9001-1998要求；

3)測(cè)試預(yù)熱時(shí)間不一致引起的測(cè)量結(jié)果差異分析：

產(chǎn)品出廠檢查記錄沒有標(biāo)注預(yù)熱時(shí)間，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試也沒有設(shè)定產(chǎn)品預(yù)熱時(shí)間，這方面雙方測(cè)試結(jié)果可能有差異，但用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行過兩次測(cè)試，測(cè)量結(jié)果是一致的，因此可以判斷，受檢組合接收機(jī)產(chǎn)品預(yù)熱時(shí)間對(duì)測(cè)量結(jié)果影響不大，可以忽略。

4)測(cè)量方式不同引起的差異分析：

組合接收機(jī)出廠檢測(cè)采用交流數(shù)字毫伏表測(cè)量其音頻輸出；

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用示波器測(cè)量音頻正弦波峰峰值，通過計(jì)算得出音頻輸出電壓，間接完成對(duì)組合接收機(jī)的測(cè)量。

使用音頻信號(hào)源輸出1 020 Hz正弦信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)源，分別使用組合接收機(jī)的出廠檢測(cè)設(shè)備和ATS測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 音頻測(cè)量結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可知，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果相對(duì)毫伏表測(cè)量結(jié)果的相對(duì)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(cè)量原理圖，音頻輸出功率(或電壓)的大小由調(diào)整電位器決定，如果產(chǎn)品運(yùn)輸使用過程中，調(diào)整電位器內(nèi)部觸點(diǎn)有位移，其分壓偏置就發(fā)生變化，直接影響輸出功率或輸出電壓的大小。

由于無法驗(yàn)證受試件返廠后調(diào)整電位器是否有偏移，這個(gè)影響因數(shù)只能作為分析。

4 解決措施

音頻輸出功率或電壓測(cè)量偏差，主要是測(cè)量系統(tǒng)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)激勵(lì)發(fā)出一組線性航向信號(hào)或下滑信號(hào)，將模擬量信號(hào)和1553B總線測(cè)得的數(shù)字量信號(hào)分別做斜線，模擬量擬合的斜線和數(shù)字量擬合的斜線兩條直線之間的距離認(rèn)為是系統(tǒng)誤差。

航向航道電路和下滑航道電路模擬量測(cè)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(shù)字濾波方法，減小誤差；為了消除紋波的影響，可在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)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(duì)某組合接收機(jī)進(jìn)行復(fù)檢，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過對(duì)比表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與出廠檢測(cè)結(jié)果接近。另外，在某型號(hào)外場(chǎng)保障中采用了該方法，外場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果同樣顯示該方法可行。

表4 某組合接收機(jī)復(fù)檢結(jié)果

5 結(jié)束語

音頻輸出功率測(cè)量偏差主要為系統(tǒng)誤差，可通過軟件算法修正測(cè)量結(jié)果，降低測(cè)量誤差。

航向航道電路測(cè)量和下滑航道電路測(cè)量誤差，主要由電源諧波引起，可采用通過數(shù)字濾波和在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)配置電源濾波器的方法降低測(cè)量誤差。