劉永強(qiáng)，梁 華，薛邦貴

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

隨著氣象事業(yè)的發(fā)展，中國高空觀測系統(tǒng)不斷完善，新一代天氣雷達(dá)在氣象業(yè)務(wù)工作中發(fā)揮著重大作用，已成為預(yù)報預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)的有效保障工具。由于國內(nèi)在用天氣雷達(dá)型號多，升級改造頻繁，技術(shù)指標(biāo)差異較大，給雷達(dá)維護(hù)、維修和保障工作帶來了巨大困難和挑戰(zhàn)。雖然國內(nèi)外很多技術(shù)保障人員在故障分析和維修方面積累了很多經(jīng)驗[1-5]，但常因測試能力不足、保障手段單一，導(dǎo)致故障檢測和維修周期長、保障時效延后，嚴(yán)重影響雷達(dá)的正常運轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)的正常運行。

基于以上問題，文章設(shè)計了一套便攜式雷達(dá)維修測試平臺[6，7]。在平臺設(shè)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(xiàn)有的調(diào)理電路結(jié)構(gòu)均復(fù)雜，故需要設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、自動化程度高的調(diào)理電路來實現(xiàn)輸入阻抗的自動切換。文章設(shè)計的調(diào)理電路經(jīng)實際測試表明其穩(wěn)定性、可靠性達(dá)到了測試標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)的設(shè)計要求。

1 設(shè)計內(nèi)容

1.1 便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)

便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2部分構(gòu)成。硬件系統(tǒng)采用基于PXI/PXIe總線接口協(xié)議的組合式微波測試儀表與PXIe標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)相互連接，系統(tǒng)選用目前較為流行的嵌入式機(jī)箱設(shè)計方案，機(jī)箱包括最新的PXI/PXIe總線標(biāo)準(zhǔn)、PXI觸發(fā)總線和8個即插式硬件模塊插槽，配置具有調(diào)制功能的RF和微波信號發(fā)生器模塊、數(shù)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(shè)備齊備的便攜式測試維修硬件平臺系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)采用目前流行的QT設(shè)計理念和思路[8]，實現(xiàn)對雷達(dá)發(fā)射、接收、伺服和數(shù)字中頻信號處理等分系統(tǒng)相關(guān)模塊的功能檢查、參數(shù)測試、故障診斷和維修指導(dǎo)。圖1為便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)；圖2為便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成。

圖1 便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

圖2 便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.2 測試系統(tǒng)對示波器調(diào)理電路的要求

便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)硬件采用NI公司基于PXIe-1075機(jī)箱的通用集成化儀表設(shè)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(kuò)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(shè)置調(diào)理電路來自動切換負(fù)載通道，而便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)的設(shè)計理念是一款自動化測試及維修平臺，系統(tǒng)缺失示波器調(diào)理電路就無法實現(xiàn)測試脈沖包絡(luò)流程與其他測試內(nèi)容需求(例如萬用表檢測功能等)之間的自動切換，因此設(shè)計一款能滿足在雷達(dá)相關(guān)參數(shù)測量之間自動切換的調(diào)理電路成為測試系統(tǒng)最基本的需求。

1.3 示波器調(diào)理電路的工作原理

示波器輸入調(diào)理電路(圖3)包括PXIe接口、FPGA、繼電器、阻抗網(wǎng)絡(luò)和電流緩沖器[9，10]，調(diào)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(jìn)行濾波處理，作用是抑制高頻干擾信號，確保調(diào)理電路運行穩(wěn)定和可靠。PXIe接口與FPGA的高速串行接口連接，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PXIe通信，F(xiàn)PGA的輸出端與繼電器連接，阻抗網(wǎng)絡(luò)包括2個負(fù)載通道(分別為50 Ω負(fù)載通道和1 MΩ負(fù)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(jù)命令控制產(chǎn)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(luò)流程的需求，則FPGA產(chǎn)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(nèi)容的需求(例如萬用表檢測等)，則FPGA產(chǎn)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(diào)理電路原理

1.4 示波器調(diào)理電路的設(shè)計

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

圖4 示波器輸入調(diào)理電路

1.4.1 PXIe接口

便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)硬件采用NI公司基于PXIe-1075機(jī)箱的通用集成化儀表設(shè)備。系統(tǒng)采用基于PXI/PXIe總線接口協(xié)議的微波測試儀表與PXIe標(biāo)準(zhǔn)工控機(jī)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(tǒng)上協(xié)同工作，因此面向自動化測試應(yīng)用時，PXI與PXI-Express系統(tǒng)均有關(guān)鍵性技術(shù)優(yōu)勢。PXI模塊化儀器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用當(dāng)今主流PC先進(jìn)技術(shù)，架構(gòu)出一種堅固、可測量、自動化的計算結(jié)構(gòu)平臺，使標(biāo)準(zhǔn)PCI總線技術(shù)能夠受益于廣泛使用的硬件和軟件器件和組件。NI PXIe機(jī)箱采用占用箱中未使用的插槽擋板技術(shù)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(jī)箱降溫的性能，確保設(shè)備穩(wěn)定、高效工作。

1.4.2 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)

在數(shù)據(jù)采集模塊中，對實時性和控制準(zhǔn)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(fā)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(diào)用官方提供的IP實現(xiàn)PXIe總線與板卡本地總線橋接[11]，然后FPGA根據(jù)總線命令對繼電器的控制，從而實現(xiàn)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(dāng)輸入量(激勵量)變化達(dá)到規(guī)定要求和設(shè)置時，在電氣輸出電路中能夠使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍性變化，以實現(xiàn)電路的自動控制功能，繼電器有控制系統(tǒng)(輸入回路)和被控制系統(tǒng)(輸出回路)的互動關(guān)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(guān)”器件，所以在電路中起到自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)以及轉(zhuǎn)換電路等作用，同時繼電器還具備隔離功能，被廣泛應(yīng)用于通信、遙測、遙控、電力電子設(shè)備、自動控制和機(jī)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(jù)測試要求實現(xiàn)阻抗網(wǎng)絡(luò)中50 Ω負(fù)載通道和1 MΩ負(fù)載通道的自動切換。

1.4.4 電流緩沖器

在計算機(jī)和自動控制領(lǐng)域，緩沖器能夠?qū)⑼獠吭O(shè)備送來的數(shù)據(jù)暫時存放，以便處理器在需要時將其取走，緩沖器能夠協(xié)調(diào)并緩沖高速工作的CPU與慢速工作的外部設(shè)備，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸，同時也能放大信號提高驅(qū)動能力以及消除負(fù)載對信號源的影響[12]。文章采用了BUF634高速開環(huán)增益電流緩沖器，能夠驅(qū)動250 mA的輸出電流，可用于運算放大器的反饋環(huán)路，共同增加輸出電流消除熱反饋，從而有效改善容性負(fù)載驅(qū)動。對于一個低電壓應(yīng)用的典型案例，BUF634工作設(shè)置在1.5 mA靜態(tài)電流，輸出為250 mA，2000 u/s電壓轉(zhuǎn)換速率和30 MHz帶寬，同時頻帶寬度可以根據(jù)設(shè)計要求對電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實現(xiàn)帶寬在30～180 MHz可調(diào)。

2 結(jié)束語

文章通過對便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)中示波器調(diào)理電路的設(shè)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(jīng)過實際應(yīng)用測試，該設(shè)計自動化程度高、使用便捷，測試結(jié)果完全滿足實際應(yīng)用需求，達(dá)到了便攜式雷達(dá)維修測試系統(tǒng)的設(shè)計要求。