張思敏 盛永鑫 / 中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所

0 引言

數(shù)字陣列模塊（Digital Array Module，簡稱DAM）自動測試系統(tǒng)為DAM的研制、生產(chǎn)驗(yàn)證、維修保障提供了重要手段。從功能角度看，DAM自動測試系統(tǒng)等效于一臺綜合測試儀表，而作為儀表就必須進(jìn)行計量校準(zhǔn)。目前，國內(nèi)專業(yè)測試系統(tǒng)校準(zhǔn)沒有統(tǒng)一的解決方案，基本是采用離位和手動校準(zhǔn)，用儀表的校準(zhǔn)結(jié)果來衡量系統(tǒng)，而未考慮系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)和環(huán)境，使用戶無法真正了解系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。作為一種測試系統(tǒng)，其本身的準(zhǔn)確性與可靠性將直接影響整個測試過程，自動測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)是保證測試準(zhǔn)確度的重要前提，必須引起足夠的重視[1]。

1 DAM自動測試系統(tǒng)組成

DAM自動測試系統(tǒng)由計算機(jī)、儀表、測試分機(jī)和DAM等組成，具體組成框圖如圖1所示。

圖1 DAM自動測試系統(tǒng)組成框圖

測試軟件是系統(tǒng)的控制核心，它控制整個測試系統(tǒng)的流程，測試軟件由數(shù)據(jù)采集程序、儀表程控程序、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)實(shí)時顯示、測試結(jié)果管理等組成。

儀表由功率計、信號源、頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等組成，通過GPIB總線控制儀表狀態(tài)設(shè)置數(shù)據(jù)讀取，完成相應(yīng)測試工作。

測試分機(jī)是DAM自動測試系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備，由電源、本振、時鐘信號輸出、數(shù)據(jù)采集測試等組成。

2 DAM自動測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置

DAM的測試由儀表、測試分機(jī)和測試控制分析軟件共同完成，其工作狀態(tài)、連接狀態(tài)以及自身技術(shù)指標(biāo)等直接影響自動測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。自動測試系統(tǒng)使用的儀表如信號源、頻譜儀、功率計、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等都是常規(guī)儀表，有完整的技術(shù)指標(biāo)和公開的檢定規(guī)程，校準(zhǔn)方法比較明確。結(jié)合DAM自動測試系統(tǒng)實(shí)際使用需求，對各儀表的具體校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行選取，達(dá)到系統(tǒng)整體要求即可。系統(tǒng)中使用的測試分機(jī)和軟件是自主設(shè)計開發(fā)的，具有專用性，缺少相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范和手段，需要研究。

DAM自動測試系統(tǒng)校準(zhǔn)的核心就在實(shí)際工作情況下，對它總體性能自動化校準(zhǔn)。根據(jù)軍工產(chǎn)品計量保證通用要求，結(jié)合其服務(wù)雷達(dá)的性能指標(biāo)、測試要求的特點(diǎn)，分析系統(tǒng)信號流向，引入信號通道概念，并重信號通道校準(zhǔn)和測試儀表校準(zhǔn)，實(shí)施原位校準(zhǔn)技術(shù)。在專用的計量適配器配合下，采用互校、外部校準(zhǔn)、整體校準(zhǔn)、部分校準(zhǔn)等手段，實(shí)現(xiàn)對DAM自動測試系統(tǒng)自動化整體校準(zhǔn)。這也給校準(zhǔn)裝置設(shè)計提出了直接要求：能模擬系統(tǒng)實(shí)際工作狀態(tài)、具有自動化功能、性能指標(biāo)要高于被校系統(tǒng)、穩(wěn)定性高、重復(fù)性好等[2-4]。

依據(jù)原位校準(zhǔn)思路，結(jié)合測試儀表校準(zhǔn)和信號通道校準(zhǔn)共同實(shí)施的技術(shù)方案，組建校準(zhǔn)裝置。方案是在DAM自動測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件的信號產(chǎn)生和Quartus對FPGA編程設(shè)計的聯(lián)合仿真的虛擬校準(zhǔn)技術(shù)，研發(fā)一套簡單、可行的數(shù)字信號校準(zhǔn)模塊，并設(shè)計適配器實(shí)現(xiàn)自動測試系統(tǒng)中時鐘信號、本振信號、電壓、多通道一致性等技術(shù)參數(shù)的校準(zhǔn)，保證對數(shù)字T/R模塊自動測試系統(tǒng)量值的比較完善、可靠的傳遞[5]。

DAM自動測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置可以模擬實(shí)際工作狀態(tài)，以信號分析系統(tǒng)和頻譜儀等為主要測試儀表，校準(zhǔn)適配網(wǎng)絡(luò)、GPIB接口卡、計算機(jī)等在自編軟件控制下完成自動測試系統(tǒng)中程控功分網(wǎng)絡(luò)通道、數(shù)字信號測試通道、本振、時鐘、電源通道等校準(zhǔn)。DAM自動測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置主要由測試儀表、校準(zhǔn)適配網(wǎng)絡(luò)（接口適配、校準(zhǔn)通道）、計算機(jī)等組成，組成框圖如圖2所示。

圖2 DAM自動測試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置組成框圖

接口適配主要作用是將被校準(zhǔn)系統(tǒng)、計算機(jī)、儀表有機(jī)地連接在一起，完成各相關(guān)通道各項(xiàng)指標(biāo)的校準(zhǔn)。

數(shù)字信號測試校準(zhǔn)通道主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信息如幅度、I/Q信息的數(shù)字信號，來校準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)字信號測試通道的技術(shù)指標(biāo)。數(shù)字信號測試校準(zhǔn)采用直接測量法。用一個幅度、信噪比等參數(shù)信息已知的標(biāo)準(zhǔn)信號代替接收支路輸出的中頻數(shù)字信號，來校準(zhǔn)數(shù)字信號測試通道。利用Matlab軟件產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)信號，幅度、信噪比信息已知，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列，再利用Quartus軟件的硬件仿真編輯功能，最終寫入FPGA中。在硬件邏輯電路的配合下，標(biāo)準(zhǔn)信號通過自動測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，測試軟件對計算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，得到該信號的幅度、信噪比測試值。通過對標(biāo)準(zhǔn)值和測試值的比較判定，即實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號測試通道校準(zhǔn)。

程控功分網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)通道主要完成程控功分網(wǎng)絡(luò)通道幅度特性的校準(zhǔn)。程控功分網(wǎng)絡(luò)是自動測試系統(tǒng)的關(guān)鍵信號通道，與DAM的收發(fā)通道共用，主要關(guān)心通道幅相特性。測試系統(tǒng)中對程控功分網(wǎng)絡(luò)通道幅相穩(wěn)定性要求很高。程控功分網(wǎng)絡(luò)路數(shù)多，校準(zhǔn)量大，因此設(shè)計一個16選1的程控開關(guān)，外形尺寸、接口形式同DAM一致，接入自動測試系統(tǒng)中，與系統(tǒng)本身的程控功分網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個測試回路，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析對其通道損耗進(jìn)行校準(zhǔn)。通過軟件控制開關(guān)，構(gòu)成不同測試通道回路，實(shí)現(xiàn)程控功分網(wǎng)絡(luò)通道自動校準(zhǔn)。

本振時鐘校準(zhǔn)通道主要是完成本振時鐘通道輸出功率等的校準(zhǔn)。本振時鐘信號通道校準(zhǔn)研究的重點(diǎn)是如何在自動測試系統(tǒng)上升級設(shè)計、開發(fā)適配網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)具有自動化校準(zhǔn)功能。時鐘、本振中關(guān)心的指標(biāo)是輸出功率、雜波抑制等。系統(tǒng)中本振時鐘信號路數(shù)不超過8路，設(shè)計一個8選1的程控開關(guān)構(gòu)成測試回路，用頻譜儀對本振時鐘通道雜波抑制和輸出功率進(jìn)行校準(zhǔn)。

電源校準(zhǔn)通道主要完成電壓的校準(zhǔn)。電源通道主要關(guān)心輸出電壓的準(zhǔn)確度，可以用數(shù)字多用電表和低壓電源切換電路來執(zhí)行校準(zhǔn)，同時采用多路直流信號安全切換技術(shù)確保電壓測試時開關(guān)選擇瞬態(tài)的電源安全性設(shè)計。

計算機(jī)：通過軟件控制整個系統(tǒng)的工作流程，通過GPIB總線將頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等連接到計算機(jī)上，自動設(shè)置參數(shù)，通過計算機(jī)并口控制模塊自動選擇通道、自動采集數(shù)據(jù)，通過計算分析得出數(shù)據(jù)結(jié)果。

儀表：系統(tǒng)通過GPIB總線控制儀表（頻譜儀、信號分析系統(tǒng)等）動作，完成不同的校準(zhǔn)任務(wù)。其中信號分析系統(tǒng)主要是由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等組成。頻譜儀主要校準(zhǔn)本振通道和時鐘通道的指標(biāo)。信號分析系統(tǒng)主要是校準(zhǔn)程控功分網(wǎng)絡(luò)通道的指標(biāo)。數(shù)字多用電表主要校準(zhǔn)電源的電壓。

3 校準(zhǔn)軟件

在校準(zhǔn)系統(tǒng)中，校準(zhǔn)軟件是整個校準(zhǔn)系統(tǒng)指揮控制的靈魂，它通過儀器的GPIB、LAN以及并口，對校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，發(fā)出各種儀器、系統(tǒng)通道切換的操作命令，同時接收系統(tǒng)中任何儀器及通道的返回信息，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析處理，從而快速地完成DAM自動測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)[6]。

校準(zhǔn)軟件采用通用的程序開發(fā)方法。為了保證系統(tǒng)的通用性，軟件以模塊為開發(fā)單元，以函數(shù)為基本組成，統(tǒng)一測試信息表述方式，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行消息處理。函數(shù)不包括儀器具體信息，使程序與硬件無關(guān)。為了保證計量測試結(jié)果的真實(shí)性、可靠性，在計量校準(zhǔn)程序中給以補(bǔ)償校準(zhǔn)，以減小誤差[7]。

校準(zhǔn)軟件框架如圖3所示。校準(zhǔn)軟件包括：校準(zhǔn)流程庫、誤差數(shù)據(jù)庫、主調(diào)程序、仿真驗(yàn)證處理庫等。

圖3 校準(zhǔn)軟件框架

校準(zhǔn)流程庫、誤差數(shù)據(jù)庫用于定義系統(tǒng)誤差修正、參數(shù)校準(zhǔn)等流程。仿真驗(yàn)證處理軟件是利用Matlab軟件的信號產(chǎn)生和Quartus對FPGA編程設(shè)計的聯(lián)合仿真虛擬校準(zhǔn)技術(shù)，通過數(shù)字頻譜和矢量信號分析驗(yàn)證技術(shù)來驗(yàn)證數(shù)字中頻信號測試完整的準(zhǔn)確性。用戶界面是系統(tǒng)與用戶進(jìn)行交互用的各種操作界面?？刂栖浖K用于對硬件電路進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)各種控制及測試系統(tǒng)工作環(huán)境的模擬。主調(diào)程序是校準(zhǔn)軟件的主體，它包括系統(tǒng)誤差修正、校準(zhǔn)、用戶管理等。

軟件工作流程是連接校準(zhǔn)裝置，檢查儀表工作正常后運(yùn)行校準(zhǔn)程序、設(shè)置校準(zhǔn)參數(shù)、選擇校準(zhǔn)項(xiàng)目并執(zhí)行，然后處理校準(zhǔn)結(jié)果并保存，如工作需要則可重新選擇并執(zhí)行校準(zhǔn)項(xiàng)目（如圖4所示）。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證和分析

圖4 校準(zhǔn)軟件工作流程

采用數(shù)字頻譜分析法，對數(shù)字中頻I/Q信號校準(zhǔn)通道指標(biāo)進(jìn)行測試驗(yàn)證，利用邏輯分析儀采集數(shù)字I/Q信號，然后對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換處理以及快速傅立葉變換，同時對時域和頻譜進(jìn)行分析得出結(jié)果，測試數(shù)據(jù)如表1所示。采用標(biāo)準(zhǔn)衰減器來驗(yàn)證16路程控功分網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)通道指標(biāo)，將標(biāo)準(zhǔn)衰減器接入16路程控功分網(wǎng)絡(luò)，測試衰減值，通過測試值和標(biāo)稱值進(jìn)行對比驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)如表2所示。采用標(biāo)準(zhǔn)微波信號來驗(yàn)證本振時鐘校準(zhǔn)通道指標(biāo)，利用已標(biāo)定的微波信號提供激勵信號接入校準(zhǔn)通道，測試功率，通過測試值和標(biāo)稱值進(jìn)行比對驗(yàn)證，測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 數(shù)字中頻I/Q信號校準(zhǔn)通道指標(biāo)測試

表2 16路程控功分網(wǎng)絡(luò)校準(zhǔn)通道指標(biāo)測試

表3 本振時鐘校準(zhǔn)通道指標(biāo)測試

通過驗(yàn)證表明校準(zhǔn)裝置能產(chǎn)生-10 ～ 15 dBm的數(shù)字中頻I/O信號，幅度準(zhǔn)確度±0.1 dB，幅度不一致性準(zhǔn)確度±0.1 dB，相位不正交度準(zhǔn)確度±0.1°；可對S波段的16路程控功分網(wǎng)絡(luò)幅相校準(zhǔn)，幅度準(zhǔn)確度±0.2 dB；能對頻率范圍10 MHz ～ 4 GHz，功率范圍-10～15 dBm的微波信號進(jìn)行校準(zhǔn)，功率準(zhǔn)確度±0.4 dB。

5 結(jié)語

通過自行設(shè)計校準(zhǔn)裝置和軟件，模擬系統(tǒng)的線纜連接方式、負(fù)載特性和通道路由選擇等保證校準(zhǔn)工作方式和測試工作環(huán)境更接近，從而獲得更高的校準(zhǔn)完整性，同時避免離位校準(zhǔn)時拆卸、運(yùn)輸和重新安裝對測試的影響，減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)對DAM自動測試系統(tǒng)的數(shù)字信號測試通道、程控功分網(wǎng)絡(luò)通道、本振時鐘信號通道、電源通道等技術(shù)指標(biāo)的自動校準(zhǔn)，解決了DAM自動測試系統(tǒng)的量值溯源。

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