某型设备控制装置单板测试方法研究

摘  要： 以通用检测平台为基础，研究了某型设备控制装置单板的测试方法。采用先进的电路仿真软件对电路板进行了原理仿真、测试仿真，确定了电路板的测试思路、测试方法。根据测试需要，提出了特殊激励信号的产生方法。最后，对该电路板进行了实际的测试验证，所得波形满足电路板的功能要求，结果证实了测试方法的有效性与合理性。
关键词： 通用检测平台；电路板；测试仿真

    某型设备控制装置的主体是控制箱，该控制箱主要由电源模块、CPU电路板和角偏差处理电路板组成，其中角偏差电路是测试该型设备控制装置性能的主要被测电路。由于一直没有该型设备的单板电路检测手段，工厂的测试设备也是多块板配合特定测量仪器进行联合调试，限制了用户的使用，给该类型设备的维修保障工作带来不便。
　本文基于通用检测平台研究该型设备控制装置单板的测试方法，针对被测对象的测试原理进行仿真运行，在仿真结果被评价可行的基础上进行测试过程的全面开发，提高了测试的可靠性，对该型设备的维修保障具有重要意义。
1 通用检测平台概述
　通用检测平台是针对通用电子系统，按照通用化、模块化、标准化的体系结构和技术标准构建的检测平台，其功能部件采用广泛的标准或协议，从而可以在不同的系统中使用，可以与其他系统中部件互操作，其接口也符合广泛使用的标准、规范或协议，或具有明确的定义，从而通过插入新的功能部件，即可扩展和提高系统的性能[1-2]。
　通用检测平台硬件结构如图1所示，包括主控计算机、电源子系统、高频子系统、开关子系统、模拟子系统、数字子系统及测试接口。

　通用检测平台使用Windows系列操作系统,选择LabWindows/CVI作为主控程序和测试程序开发工具，为了减少不同部分开发工作的嵌套，测试系统开发采用分层结构，分为测试需求层、测试程序层、资源管理层、软件接口层、仪器控制层和硬件层。该软件平台体系结构功能层次划分借鉴了IVI-MSS和面向信号的ATS软件结构，并参照了ABBET分层模型，对仪器的控制进行了逐层抽象。整个测试程序的执行过程如图2所示[6]。

2 某型设备控制装置角偏差电路工作原理
    设备角偏差电路由4块电路板构成（编号A1～A4），电路的工作原理如图3所示。其中，带通滤波器和放大整形电路分大、小视场两个通道，这两个通道的电路组成完全一样。该电路输出的信号经鉴频后输出频率一定的角偏差信号，经信号倒相以后，分别输出俯仰ε和偏航β两路信号，这两个通道的电路组成也完全相同，该误差信号与相应的基准信号通过相敏整流电路由极坐标信号变换为直角坐标信号，对应俯仰、偏航的偏差量，送入CPU板进行信号采集，以形成相应的控制指令，控制设备的运行。调零电路用于对信号静态误差的补偿。

3 测试仿真与分析
    基于通用检测平台对该型设备控制装置的单板进行检测需要使用平台的各种资源，该型设备的维修需要修理该系统中的电路板，因此需要对各个单板进行分别测试，本文以A1板为例，重点对A1板进行虚拟仿真，通过仿真软件MultiSim中的虚拟信号源和测试仪器模拟测试过程，为通用检测平台中资源的合理使用提供支持。
3.1测试仿真的原则[3-4]
　测试仿真的目的是对电路的功能进行全面的信号分析。仿真需要遵循以下原则：(1)仿真采用的激励与测量功能应与通用检测平台中的仪器功能相适应，比如仿真时不可以采用平台资源中没有的矢量分析仪、网络分析仪等；(2)对电路的特性进行仿真分析，探讨使用平台资源测量的方法，比如对滤波器的仿真可以分析其带宽特性，进而分析采用在不同激励频率下测量的过程与方法；(3)单独测量某块电路板是否正常，需要为该电路板提供恰当的激励，激励的设计一般是单板测试的难点，由于通用检测平台中能够提供的激励路数较少，因此需要对电路板进行全面分析，以使激励资源满足要求。
3.2 A1板测试仿真与分析
    A1板的主要功能是对送入设备的调制信号进行滤波、整形和大小视场的转换，主要的功能电路为窄带滤波电路、带通滤波电路、放大整形电路和视场转换电路四部分。由于大、小视场信号处理电路相同，因此本测试仿真只针对其中大视场电路进行，重点仿真分析带通滤波电路、放大电路和整形电路。
3.2.1 带通滤波器测试仿真
    (1)工作原理分析
　假设送来的包含设备角偏差信息的调频信号频率变化范围为1 200～3 000 Hz(仿真时设定)。但是由于存在背景干扰以及电子元器件的热噪声干扰,输入的调频信号的频带宽并不是1 200～3 000 Hz,其中还有低于1 200 Hz和高于3 000 Hz的无用信号，带通滤波器的功能就是除去这些无用信号，以提高信噪比，从而保证控制箱正常工作。
　带通滤波器由有源低通滤波器和有源高通滤波器组合而成，考虑到探测器中所用的硫化铅元件的高频响应较差，所以带通滤波器的上限频率假定为4 000 Hz，使有用信号的高频部分不衰减。
　(2)带宽仿真
　通过分析带通滤波器的电路原理，对整体带通电路进行了仿真，仿真电路如图4所示。其滤波特性如图5所示。通过图中光标指示，频率在1 200 Hz~4 000 Hz范围的信号可以通过，在这个范围外的信号被滤掉。

   (3)测试方法分析
　根据仿真结论，分别对滤波器的带宽、带阻、增益进行检测。


得到其增益为1.54倍，所以如果测试时从“大场入”（“小场入”）插口输入幅度为1 V、频率为1 800 Hz的正弦波，通过示波器测量其输出端电压应为1.54 V。
3.2.2 放大整形电路测试仿真
　(1)工作原理分析
　由于硫化铅元件频率响应特性等因素的影响，调频信号不仅频率在变化，而且幅度也在变化，信号幅度的变化不携带设备的偏差信息，鉴频器要求输入的调频信号是等幅的，因而在带通滤波器后边加一放大整形电路(放大限幅器)，使输入到鉴频器的调频信号只有频率的变化而没有幅度的变化。
　主放大器的功能是放大带通滤波器输出的信号幅度，使之满足整形电路对输入信号幅度的要求。如图6所示，主放大器是由U2、D1、D2、D3、D4、R18～R26、C12以及C14组成的限幅放大器，限幅的目的是为了避免因幅度变化引起的相位寄生调制。

　整形电路的作用是使送到鉴频器的信号只有频率变化而没有幅度变化。由于信号的传输方式是调频制，其幅度不含信息，所以在主放大器后面加一整形电路。 整形电路由图6的右半部分组成，它实际上是一个分级限幅器。
　(2)测试仿真分析
　测试仿真分析主要通过在带通滤波器的前端加入正弦波信号，测量放大电路的输出和整形电路的输出，通过测量其幅度的变化、波形的变化判定电路功能是否正常。仿真时,在带通滤波器前端通过信号源输入1 800 Hz的方波信号，用四通道示波器A通道记录其波形；测量带通滤波器的输出应是近似正弦波信号，用四通道示波器B通道记录其波形；测量放大电路的输出信号，用四通道示波器C通道记录其波形；测量整形电路的信号，用四通道示波器D通道记录其波形，根据示波器各通道信号的幅值调整测量量程，以使示波器显示清晰的波形，仿真结果如图7所示。

　(3)测试方法分析
    首先检验大小视场主放大器电压增益。从“大场入”(“小场入”)插口输入1 800 Hz正弦波信号，为主放大器输入信号,用示波器A通道测得该信号的电压值20 mV；用示波器C通道测放大器输出的电压值，由于滤波器的增益为1.5，所以测得放大器输出应为3 V±0.3 V，输出电压值与输入电压值之比即为电压增益,应为100±10。其次检验大小视场整形电路输出方波的占空比。仿真时，当输入1 800 Hz信号为20 mV时，占空比为1:1，正半周宽度与负半周宽度之差小于10 滋s，如达不到要求可调整电阻R36，R36用于控制整形比较器的比较电压。
4 模拟调频信号的产生
    由以上分析可知，A1板的主要功能是对送入的调频方波信号进行滤波、放大和整形,为了验证A1板主要功能电路的效果，需要由通用检测平台提供模拟的调频方波信号，但是平台封装的激励测试功能函数并非总能满足被测对象的所有测试，调频方波信号既不是一般的调频波，也无法用波形编辑器画出来，必须根据一定的算法产生波形数据，驱动信号源根据该数组中的数据产生波形，而平台提供的功能函数中没有考虑采用波形数组产生波形的情况，为此，软件开发过程中需要针对上述特殊的激励信号进行底层编程，调频方波信号产生的相关流程如图8所示[5]。

5 测试运行
    当测试程序编写完成后进行联调，通过在大小视场施加调频方波,测试A1的滤波、放大和整形电路的输出，“大视场测试”的测试结果如图9所示。图中送入的调频方波信号在左上角示波器中显示，滤波信号在右上角示波器显示，放大的信号在左下角示波器显示，整形信号在右下角示波器显示。由于输入的是仿真调制盘信号的调频方波,在滤波器的输出端测得的信号略有失真，经过整形之后的信号满足要求。实测结果基本和仿真结果一致，证明针对A1板的测试方法可行。

    本文在充分了解通用检测平台结构及软件运行机制的前提下，对被测对象的工作原理进行了深入的分析，采用先进的电路仿真软件对某型设备控制装置的电路板进行了原理仿真、测试仿真，确定了电路板的测试思路、测试方法。提出了基于通用检测平台的特殊激励信号产生方法。最后对电路板进行了实际的测试验证，证明了测试方法的有效性与合理性。
参考文献
[1]  陈光禹. 国外军事电子装备维护保障测试技术综述[J]. 国外电子测量技术，2007,26(2):1-5.
[2] 李行善，左毅，孙杰. 自动测试系统集成技术[M].北京: 电子工业出版社，2004.
[3]  赵威威. 基于NIMultisiml0的仿真研究[J]. 电脑与信息技术，2008,16(11):82-84.
[4]  冼凯仪. 虚拟电子仿真软件Multisim与电子技术电路设计实验教学[J]. 仪器仪表与分析监测，2002,38(4):
28-30.
[5] 刘君华. 虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI教程[M].北京:电子工业出版社，2001:1-30.
[6] ROSS W A. Moving toward a dod automatic test system standard[J]. IEEE Autoestcon 2006:739-747.