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(guó)高空觀測(cè)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(bào)預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)的有效保障工具。由于國(guó)內(nèi)在用天氣雷達(dá)型號(hào)多，升級(jí)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(lái)了巨大困難和挑戰(zhàn)。雖然國(guó)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(yàn)[1-5]，但常因測(cè)試能力不足、保障手段單一，導(dǎo)致故障檢測(cè)和維修周期長(zhǎng)、保障時(shí)效延后，嚴(yán)重影響雷達(dá)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

基于以上問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一套便攜式雷達(dá)維修測(cè)試平臺(tái)[6，7]。在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，存在通用儀器板載示波器測(cè)試通道輸入阻抗不能自動(dòng)切換的問(wèn)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(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高的調(diào)理電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入阻抗的自動(dòng)切換。文章設(shè)計(jì)的調(diào)理電路經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明其穩(wěn)定性、可靠性達(dá)到了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，完全滿足便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)

便攜式雷達(dá)維修測(cè)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(cè)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(jì)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(gè)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(hào)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(jì)以及頻譜分析儀等，通過(guò)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(cè)試維修硬件平臺(tái)系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)采用目前流行的QT設(shè)計(jì)理念和思路[8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)發(fā)射、接收、伺服和數(shù)字中頻信號(hào)處理等分系統(tǒng)相關(guān)模塊的功能檢查、參數(shù)測(cè)試、故障診斷和維修指導(dǎo)。圖1為便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)；圖2為便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成。

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

圖2 便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.2 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)示波器調(diào)理電路的要求

便攜式雷達(dá)維修測(cè)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(hào)源、頻譜儀、示波器、萬(wàn)用表和功率計(jì)，其特點(diǎn)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(méi)有設(shè)置調(diào)理電路來(lái)自動(dòng)切換負(fù)載通道，而便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是一款自動(dòng)化測(cè)試及維修平臺(tái)，系統(tǒng)缺失示波器調(diào)理電路就無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)試脈沖包絡(luò)流程與其他測(cè)試內(nèi)容需求(例如萬(wàn)用表檢測(cè)功能等)之間的自動(dòng)切換，因此設(shè)計(jì)一款能滿足在雷達(dá)相關(guān)參數(shù)測(cè)量之間自動(dòng)切換的調(diào)理電路成為測(cè)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(hào)，確保調(diào)理電路運(yùn)行穩(wěn)定和可靠。PXIe接口與FPGA的高速串行接口連接，實(shí)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(gè)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(shí)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(lái)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(hào)，控制繼電器選擇不同的阻抗。對(duì)于測(cè)試脈沖包絡(luò)流程的需求，則FPGA產(chǎn)生繼電器控制信號(hào)，使繼電器選擇50 Ω的輸入阻抗，然后通過(guò)電流緩沖器向示波器輸出電流；對(duì)于其他測(cè)試內(nèi)容的需求(例如萬(wàn)用表檢測(cè)等)，則FPGA產(chǎn)生繼電器控制信號(hào)，使繼電器選擇1 MΩ的輸入阻抗，然后通過(guò)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(jì)

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(cè)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(cè)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(dòng)化測(cè)試應(yīng)用時(shí)，PXI與PXI-Express系統(tǒng)均有關(guān)鍵性技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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(jiān)固、可測(cè)量、自動(dòng)化的計(jì)算結(jié)構(gòu)平臺(tái)，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(guò)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(chǎng)可編程門陣列(FPGA)

在數(shù)據(jù)采集模塊中，對(duì)實(shí)時(shí)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(gè)邏輯單元，54，576個(gè)觸發(fā)器，2088 Kb存儲(chǔ)空間，58個(gè)DSP單元以及4對(duì)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(shí)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(duì)繼電器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器輸入阻抗的自動(dòng)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(lì)量)變化達(dá)到規(guī)定要求和設(shè)置時(shí)，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(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)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(dòng)關(guān)系，在自動(dòng)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(yùn)作的“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”器件，所以在電路中起到自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)以及轉(zhuǎn)換電路等作用，同時(shí)繼電器還具備隔離功能，被廣泛應(yīng)用于通信、遙測(cè)、遙控、電力電子設(shè)備、自動(dòng)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(cè)試要求實(shí)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(dòng)切換。

1.4.4 電流緩沖器

在計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制領(lǐng)域，緩沖器能夠?qū)⑼獠吭O(shè)備送來(lái)的數(shù)據(jù)暫時(shí)存放，以便處理器在需要時(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸，同時(shí)也能放大信號(hào)提高驅(qū)動(dòng)能力以及消除負(fù)載對(duì)信號(hào)源的影響[12]。文章采用了BUF634高速開(kāi)環(huán)增益電流緩沖器，能夠驅(qū)動(dòng)250 mA的輸出電流，可用于運(yùn)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(dòng)。對(duì)于一個(gè)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(shí)頻帶寬度可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)帶寬在30～180 MHz可調(diào)。

2 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)中示波器調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，解決了原通用儀器板載示波器測(cè)試通道輸入阻抗無(wú)法自動(dòng)切換的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，該設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高、使用便捷，測(cè)試結(jié)果完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求，達(dá)到了便攜式雷達(dá)維修測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。