基于自动测试系统的小信号模拟量测量方法研究

雷江妮，成鹏展，聂同攀

(航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089)

0 引言

在航空装备自动测试系统(自动测试系统)领域，由于机载设备实际运行环境复杂，受电源干扰和电磁干扰较大、测量线路冗长、开关级联较多、自动测试系统输出供电电源纹波较大等外在影响因素，准确测量模拟量小信号是一个难点，采用自动测试系统基本配置测量机载设备小信号模拟量时，其测量准确度无法满足测试需求。本文基于组合接收机小信号测量误差处理经验，在分析多种因素对测量结果的影响的基础上，通过试验排除次要影响因素，提出了在自动测试系统中集成电源滤波器和软件滤波的组合方法对模拟量小信号测量误差进行修正，并通过外场试验验证证实该方法可行。

1 问题描述

在某型自动测试系统研制过程中，采用自动测试系统直接检测某组合接收机。通过测试结果显示8项指标不合格，与出厂测试偏差过大，超出测试合格范围。具体数据见表1所示。

表1 某组合接收机部分测试项目测试结果

通过表1可看出，采用自动测试系统测量该型组合接收机，存在8项测试结果不符合要求。结合产品电路特征，对以上测试结果进行分析，可将问题归类为以下3个方面：

1)下滑航道中心指示模拟量测量偏差；

2)航向航道中心指示模拟量测量偏差；

3)音频输出测量偏差。

针对这3个方面存在的测量偏差，测量原理进行深度分析。

2 测量原理

组合接收机的下滑航道数据接收机输出、航向数据接收机输出、音频输出为独立功能电路。针对以上特征，设计相应的测量电路。

2.1 下滑航道电路测量原理

自动测试系统内置航空无线电综合测试设备发出标准下滑载波射频信号，通过射频电缆直接加载到组合接收机下滑航道信号输入接口，进入产品内部下滑航道解调电路，再经信号调理电路后由CPU中央处理控制电路进行数据处理、计算和转换，通过CPU数据口输出并口数字量。

CPU输出的并口数据同时发给3个通道：D/A转换电路、1553B总线信号转换电路、429总线信号转换电路。本质上讲三路信号是同源信号，其输出量应是一致的。

自动测试系统采用34 401数字万用表毫伏档测量D/A转换后输出的模拟量直流电压信号；

自动测试系统采用内置1553B通信卡测量1553B总线信号输出；

自动测试系统采用内置429通信卡测量429总线信号输出。

下滑航道电路测量原理见图1所示。

图1 下滑航道电路测量原理

2.2 航向航道电路测量原理

自动测试系统内置航空无线电综合测试设备发出标准>航道载波射频信号，通过射频电缆直接加载到组合接收机航向航道信号输入接口，进入产品内部航向航道解调电路，再经信号调理电路后由CPU中央处理控制电路进行数据处理、计算和转换，通过CPU数据口输出并口数字量。

自动测试系统采用34 401数字万用表毫伏档测量D/A转换后输出的模拟量直流电压信号；

自动测试系统采用内置1553B通信卡测量1553B总线信号输出；

自动测试系统采用内置429通信卡测量429总线信号输出。

航向航道电路测量原理见图2所示。

图2 航向航道电路测量原理

2.3 音频电路测量原理

MLS音频电路测量和ILS音频信号测量方法是一样的，只是输出通道不一样，输入来源也不同。

自动测试系统内置航空无线电综合测试设备发出标准音频载波射频信号，通过射频电缆直接加载到某组合接收机相应信号输入接口，进入产品内部解调电路，再经信号调理电路后，通过自反馈放大器输出音频信号，输出音频信号的大小由自反馈放大器偏置电路中的输出调整电位器的位置决定。测量时一般输出标准1 k正弦波信号，测量负载为600 Ω直流负载。

音频电路测量原理见图3所示。

图3 音频电路测量原理

组合接收机在出厂测量时，通过监测负载电阻两端电压值反复调整“输出调整电位器”，达到出厂设定输出功率折算的电压值时，用密封胶封固“输出调整电位器”。

组合接收机在出厂测量时用某型交流数字毫伏表测量600 Ω负载两端电压。

自动测试系统通过内置示波器采集600 Ω负载电阻两端正弦波信号峰值，然后计算出端电压。

3 问题分析

3.1 下滑航道电路测量偏差分析

理想情况下，不同调制度下，模拟量输出应和数字量输出相同。结合图1下滑航道电路测量原理图和表1测量结果1、2、3，可知在同源输入的情况下，模拟量测量值出现偏差。为了验证数字量输出的正确性，首先验证了总线数据输出与输入数据一致，排除了总线问题。

分析模拟量测量出现偏差，一般有以下4种原因。

1)测量线路对模拟量小信号测量结果影响分析：

某组合接收机出厂测量直接在测量电缆引出端上测量，ATS测量时要通过测量电缆、适配器转接、矩阵开关转接、内部电缆等连接到测量仪器的测量端。ATS测量相比出厂测量的线路要复杂。

但定量验证结果表明，测量线路对测量结果几乎没有影响。

2)不同测量仪器对模拟量小信号测量结果影响分析:

采用交、直流标准源，交流数字毫伏表和自动测试系统内置数字万用表对某组合接收机分别进行测量，测量结果见表2。

表2 模拟量测量

表2定量验证结果表明，测量仪器对模拟量测量无影响。

3)电磁环境对模拟量小信号测量结果影响分析:

小信号测量常常受电磁环境影响，特别是射频信号测量和交流小信号测量时受电磁环境影响较大；但直流电压信号测量受电磁环境影响相对较小，特别是电磁场功率不大的情况下可以忽略不计。

电磁环境影响测量结果还有一个显著特征：测量数值变动，测量数值与某种电磁频谱的发射关联较大，测量结果偏离理论值也较大。但表1中，自动测试系统测量值比较稳定，基本维持在7.1 ～7.2 mV之间。

基于以上分析，下滑航道模拟量测量结果受自动测试系统电磁环境影响较小，可以忽略不计。

4)输出电路D/A转换寄生电压对模拟量小信号测量结果影响分析:

采用T型电阻解码网络数模转换电路大多存在寄生电压。T型电阻解码网络D/A转换寄生电压存在机理：这种电路原理是基于一个标准电源VREF，二进制数的每一位di(di=0,1,2)对应一个电阻2 R，并由一个二进制值di控制一个双向电子开关ki，当di=0，ki接地，当di=1时k1接通运算放大器求和点。当D=d2d1d0=111时，相应开关k2、k1、k0接通，3个运算放大器求和点构成虚地求和点。此时测量输出电压时，由于运算放大器虚地求和点并不是真实接地，虚地和实地之间存在电压差，通常称为寄生电压。

寄生电压的明显特征：所有测量的输出电压数值都比理论值增加恒定值。

此次测量偏差分析验证过程中，项目组通过输入一组线性数据，测量的模拟量输出基本都是在理论值基础上有恒定偏差，基本可以判断，寄生电压可能影响模拟量小信号测量结果。

5)电源谐波对模拟量小信号测量结果的影响:

自动测试系统供电采用的是220 V/50 Hz的交流电源，给测试设备及仪器供电的直流电源是经过220 V交流电源变换而来的二次电源，二次电源中含有100 Hz、150 Hz等50 Hz多次谐波叠加的纹波，谐波分量会对毫伏级测量产生较大影响。

3.2 航向航道电路测量偏差分析

航向航道电路原理与下滑航道电路原理相似，模拟量出现偏差的原因分析类似，此处不再赘述。

3.3 音频电路测量结果偏差分析

按照GJ/T 9001-1998《声频放大器测量方法》和GJ/T 12060.3-2011《声系统设备第三部分：声频放大器》等标准的描述，影响音频量测量结果主要有以下5个方面，下面逐项分析。

1)电源不稳定引起测量结果偏差分析：

产品出厂检查设备，其测量特性应符合量值传递规定，一般情况应是线性电源，输出稳定，纹波小，指标符合计量要求。

自动测试系统给设备供电采用可程控开关电源，输出稳定但纹波会大些，但信号源内部电源有滤波电路，提供给恒流源的电源也应是稳定的、纹波小、指标符合计量要求。

基于以上分析，双方测量用电源应该不会引起测量结果有较大差异。

2)输出负载不同引起测量结果差异分析：

受检组合接收机出厂检测负载为600 Ω电阻，自动测试系统测试时所加负载也是600 Ω电阻，两者一致，也符合GJ 9001-1998要求；

3)测试预热时间不一致引起的测量结果差异分析：

产品出厂检查记录没有标注预热时间，自动测试系统测试也没有设定产品预热时间，这方面双方测试结果可能有差异，但用自动测试系统连续进行过两次测试，测量结果是一致的，因此可以判断，受检组合接收机产品预热时间对测量结果影响不大，可以忽略。

4)测量方式不同引起的差异分析：

组合接收机出厂检测采用交流数字毫伏表测量其音频输出；

自动测试系统采用示波器测量音频正弦波峰峰值，通过计算得出音频输出电压，间接完成对组合接收机的测量。

使用音频信号源输出1 020 Hz正弦信号作为标准源，分别使用组合接收机的出厂检测设备和ATS测量，测量结果见表3。

表3 音频测量结果

由表3数据可知，自动测试系统测量的结果相对毫伏表测量结果的相对误差小于0.022 V，该误差可通过算法得到修正。

5)音频输出特性变化引起差异分析:

分析图3音频测量原理图，音频输出功率(或电压)的大小由调整电位器决定，如果产品运输使用过程中，调整电位器内部触点有位移，其分压偏置就发生变化，直接影响输出功率或输出电压的大小。

由于无法验证受试件返厂后调整电位器是否有偏移，这个影响因数只能作为分析。

4 解决措施

音频输出功率或电压测量偏差，主要是测量系统误差引起，误差分布均匀、方向一致，可通过算法减小误差。具体方法：通过自动测试系统激励发出一组线性航向信号或下滑信号，将模拟量信号和1553B总线测得的数字量信号分别做斜线，模拟量拟合的斜线和数字量拟合的斜线两条直线之间的距离认为是系统误差。

航向航道电路和下滑航道电路模拟量测量偏差，主要原因可能是二次电源引入纹波造成的。解决方法分两步：首先采用数字滤波方法，减小误差；为了消除纹波的影响，可在自动测试系统直流28 V电源输出端增加电源滤波器，彻底消除谐波影响。

采用以上措施对某组合接收机进行复检，结果如表4所示。

经过对比表4试验数据，自动测试系统测量结果与出厂检测结果接近。另外，在某型号外场保障中采用了该方法，外场试验结果同样显示该方法可行。

表4 某组合接收机复检结果

5 结束语

音频输出功率测量偏差主要为系统误差，可通过软件算法修正测量结果，降低测量误差。

航向航道电路测量和下滑航道电路测量误差，主要由电源谐波引起，可采用通过数字滤波和在自动测试系统配置电源滤波器的方法降低测量误差。