DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)

張思敏 盛永鑫 / 中國(guó)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(jiǎn)稱DAM）自動(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等效于一臺(tái)綜合測(cè)試儀表，而作為儀表就必須進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)專業(yè)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)沒(méi)有統(tǒng)一的解決方案，基本是采用離位和手動(dòng)校準(zhǔn)，用儀表的校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)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(wú)法真正了解系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。作為一種測(cè)試系統(tǒng)，其本身的準(zhǔn)確性與可靠性將直接影響整個(gè)測(cè)試過(guò)程，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)是保證測(cè)試準(zhǔn)確度的重要前提，必須引起足夠的重視[1]。

1 DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成

DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、儀表、測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

測(cè)試軟件是系統(tǒng)的控制核心，它控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的流程，測(cè)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(shí)顯示、測(cè)試結(jié)果管理等組成。

儀表由功率計(jì)、信號(hào)源、頻譜儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等組成，通過(guò)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(cè)試工作。

測(cè)試分機(jī)是DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備，由電源、本振、時(shí)鐘信號(hào)輸出、數(shù)據(jù)采集測(cè)試等組成。

2 DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置

DAM的測(cè)試由儀表、測(cè)試分機(jī)和測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)使用的儀表如信號(hào)源、頻譜儀、功率計(jì)、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(kāi)的檢定規(guī)程，校準(zhǔn)方法比較明確。結(jié)合DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際使用需求，對(duì)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(cè)試分機(jī)和軟件是自主設(shè)計(jì)開(kāi)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的核心就在實(shí)際工作情況下，對(duì)它總體性能自動(dòng)化校準(zhǔn)。根據(jù)軍工產(chǎn)品計(jì)量保證通用要求，結(jié)合其服務(wù)雷達(dá)的性能指標(biāo)、測(cè)試要求的特點(diǎn)，分析系統(tǒng)信號(hào)流向，引入信號(hào)通道概念，并重信號(hào)通道校準(zhǔn)和測(cè)試儀表校準(zhǔn)，實(shí)施原位校準(zhǔn)技術(shù)。在專用的計(jì)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(duì)DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化整體校準(zhǔn)。這也給校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)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(dòng)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(cè)試儀表校準(zhǔn)和信號(hào)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用Matlab軟件的信號(hào)產(chǎn)生和Quartus對(duì)FPGA編程設(shè)計(jì)的聯(lián)合仿真的虛擬校準(zhǔn)技術(shù)，研發(fā)一套簡(jiǎn)單、可行的數(shù)字信號(hào)校準(zhǔn)模塊，并設(shè)計(jì)適配器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中時(shí)鐘信號(hào)、本振信號(hào)、電壓、多通道一致性等技術(shù)參數(shù)的校準(zhǔn)，保證對(duì)數(shù)字T/R模塊自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)量值的比較完善、可靠的傳遞[5]。

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

圖2 DAM自動(dòng)測(cè)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(jì)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(hào)測(cè)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(hào)，來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)測(cè)試通道的技術(shù)指標(biāo)。數(shù)字信號(hào)測(cè)試校準(zhǔn)采用直接測(cè)量法。用一個(gè)幅度、信噪比等參數(shù)信息已知的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)代替接收支路輸出的中頻數(shù)字信號(hào)，來(lái)校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)測(cè)試通道。利用Matlab軟件產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，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(xiě)入FPGA中。在硬件邏輯電路的配合下，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)自動(dòng)測(cè)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?jì)算機(jī)，測(cè)試軟件對(duì)計(jì)算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到該信號(hào)的幅度、信噪比測(cè)試值。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)試值的比較判定，即實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵信號(hào)通道，與DAM的收發(fā)通道共用，主要關(guān)心通道幅相特性。測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)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(jì)一個(gè)16選1的程控開(kāi)關(guān)，外形尺寸、接口形式同DAM一致，接入自動(dòng)測(cè)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(gè)測(cè)試回路，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)其通道損耗進(jìn)行校準(zhǔn)。通過(guò)軟件控制開(kāi)關(guān)，構(gòu)成不同測(cè)試通道回路，實(shí)現(xiàn)程控功分網(wǎng)絡(luò)通道自動(dòng)校準(zhǔn)。

本振時(shí)鐘校準(zhǔn)通道主要是完成本振時(shí)鐘通道輸出功率等的校準(zhǔn)。本振時(shí)鐘信號(hào)通道校準(zhǔn)研究的重點(diǎn)是如何在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)上升級(jí)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)適配網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)具有自動(dòng)化校準(zhǔn)功能。時(shí)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(shí)鐘信號(hào)路數(shù)不超過(guò)8路，設(shè)計(jì)一個(gè)8選1的程控開(kāi)關(guān)構(gòu)成測(cè)試回路，用頻譜儀對(duì)本振時(shí)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(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)，同時(shí)采用多路直流信號(hào)安全切換技術(shù)確保電壓測(cè)試時(shí)開(kāi)關(guān)選擇瞬態(tài)的電源安全性設(shè)計(jì)。

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

儀表：系統(tǒng)通過(guò)GPIB總線控制儀表（頻譜儀、信號(hào)分析系統(tǒng)等）動(dòng)作，完成不同的校準(zhǔn)任務(wù)。其中信號(hào)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(shí)鐘通道的指標(biāo)。信號(hào)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(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)指揮控制的靈魂，它通過(guò)儀器的GPIB、LAN以及并口，對(duì)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(shí)接收系統(tǒng)中任何儀器及通道的返回信息，并對(duì)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)[6]。

校準(zhǔn)軟件采用通用的程序開(kāi)發(fā)方法。為了保證系統(tǒng)的通用性，軟件以模塊為開(kāi)發(fā)單元，以函數(shù)為基本組成，統(tǒng)一測(cè)試信息表述方式，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)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(wú)關(guān)。為了保證計(jì)量測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性、可靠性，在計(jì)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(kù)、誤差數(shù)據(jù)庫(kù)、主調(diào)程序、仿真驗(yàn)證處理庫(kù)等。

圖3 校準(zhǔn)軟件框架

校準(zhǔn)流程庫(kù)、誤差數(shù)據(jù)庫(kù)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(hào)產(chǎn)生和Quartus對(duì)FPGA編程設(shè)計(jì)的聯(lián)合仿真虛擬校準(zhǔn)技術(shù)，通過(guò)數(shù)字頻譜和矢量信號(hào)分析驗(yàn)證技術(shù)來(lái)驗(yàn)證數(shù)字中頻信號(hào)測(cè)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。控制軟件模塊用于對(duì)硬件電路進(jìn)行訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)各種控制及測(cè)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?jiǎng)t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(duì)數(shù)字中頻I/Q信號(hào)校準(zhǔn)通道指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，利用邏輯分析儀采集數(shù)字I/Q信號(hào)，然后對(duì)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(shí)對(duì)時(shí)域和頻譜進(jìn)行分析得出結(jié)果，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。采用標(biāo)準(zhǔn)衰減器來(lái)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(cè)試衰減值，通過(guò)測(cè)試值和標(biāo)稱值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。采用標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)來(lái)驗(yàn)證本振時(shí)鐘校準(zhǔn)通道指標(biāo)，利用已標(biāo)定的微波信號(hào)提供激勵(lì)信號(hào)接入校準(zhǔn)通道，測(cè)試功率，通過(guò)測(cè)試值和標(biāo)稱值進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表1 數(shù)字中頻I/Q信號(hào)校準(zhǔn)通道指標(biāo)測(cè)試

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

表3 本振時(shí)鐘校準(zhǔn)通道指標(biāo)測(cè)試

通過(guò)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(hào)，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(duì)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(duì)頻率范圍10 MHz ～ 4 GHz，功率范圍-10～15 dBm的微波信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，功率準(zhǔn)確度±0.4 dB。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)自行設(shè)計(jì)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(cè)試工作環(huán)境更接近，從而獲得更高的校準(zhǔn)完整性，同時(shí)避免離位校準(zhǔn)時(shí)拆卸、運(yùn)輸和重新安裝對(duì)測(cè)試的影響，減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)測(cè)試通道、程控功分網(wǎng)絡(luò)通道、本振時(shí)鐘信號(hào)通道、電源通道等技術(shù)指標(biāo)的自動(dòng)校準(zhǔn)，解決了DAM自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的量值溯源。

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