跳頻濾波器自動測試系統(tǒng)

(中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州 510310)

0 引言

電子干擾與抗干擾已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中非常重要的手段[1]。跳頻和擴(kuò)頻通信系統(tǒng)采用在一定編碼控制下寬范圍內(nèi)迅速變化的信道進(jìn)行通信，可有效避免敵人捕獲通信頻率。如欲實(shí)施寬帶干擾，則不是干擾效率太低(要求功率譜寬)，就是因自相干擾而無法實(shí)施。該類系統(tǒng)中相應(yīng)的濾波器中心頻率必須能夠?qū)崿F(xiàn)高速跳變，而且計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展還對其提出了能夠在數(shù)據(jù)編碼控制下完成頻率跳變的要求。這種濾波器就是數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器[1-6]。

由于跳頻濾波器是使用電容矩陣實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，因此對于一個n位的電容矩陣，則需要把這n個電容的2n個組合的諧振點(diǎn)掃描記錄下來，從中選取需要的組合。由于電容存在誤差，同一個組合在不同的濾波器上諧振點(diǎn)是不同的，也就是說在生產(chǎn)過程中需要把所有跳頻濾波器的所有電容組合都掃描記錄下來。如果采用人工完成，這將是一個十分繁瑣的工作。因此有必要研究跳頻濾波器生產(chǎn)的調(diào)諧碼自動掃描、篩選測試系統(tǒng)。

1 自動測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器自動測試系統(tǒng)基于LabVIEW軟件和通用接口總線(general-purpose interface bus，GPIB)設(shè)計，由軟件和硬件兩個部分組成[1]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 跳頻濾波器測試系統(tǒng)原理框圖

1.1 自動測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

自動測試系統(tǒng)硬件包括計算機(jī)、GPIB接口卡、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、測試夾具等。

計算機(jī)使用普通計算機(jī)，安裝LabVIEW軟件和相應(yīng)的配套驅(qū)動和軟件即可。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀選用了Agilent公司的高性能射頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N3381A。該分析儀可以測量跳頻濾波器的中心頻率、中心插損、3 dB帶寬、矩形系數(shù)等重要參數(shù)。

通用接口總線(GPIB)接口卡選用了Agilent公司的82357A。通過該接口卡實(shí)現(xiàn)計算機(jī)對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的控制和測量數(shù)據(jù)的讀取[7]。

測試夾具則使用了自行開發(fā)的夾具。該夾具使用單片機(jī)技術(shù)，通過串口與計算機(jī)相連；通過接收計算機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字調(diào)諧濾波器內(nèi)部ROM的讀寫和調(diào)諧碼控制[8]。

1.2 自動測試系統(tǒng)的軟件平臺

本測試系統(tǒng)的自動測試軟件使用了美國國家儀器公司(NI)研制開發(fā)的LabVIEW開發(fā)軟件。該軟件采用圖形化編程語言，通過不同功能框圖實(shí)現(xiàn)不同函數(shù)。由于大多數(shù)儀器都有專門的LabVIEW驅(qū)動程序，因此使用LabVIEW開發(fā)軟件可以簡單高效地調(diào)用儀器驅(qū)動程序中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對儀器的控制和數(shù)據(jù)測量[1，9]。

計算機(jī)需要安裝的軟件包括：①LabVIEW 2009軟件；②Agilent IO Libraries Suite 15；③82357A驅(qū)動程序。

2 自動測試系統(tǒng)的設(shè)計原理

跳頻濾波器為近似二階巴特沃斯響應(yīng)濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 跳頻濾波器原理框圖

跳頻濾波器由3個主要部分組成[2]:①可調(diào)諧振腔；②PIN二極管開關(guān)電容矩陣，如圖3所示；③數(shù)字接口電路+調(diào)諧碼譯碼電路+PIN二極管驅(qū)動電路。

圖3 電容開關(guān)矩陣示意圖

跳頻濾波器工作時，來自電臺的8位并行調(diào)諧碼經(jīng)數(shù)字接口電路后，由譯碼電路對其進(jìn)行高速譯碼。所得出的控制編碼對PIN二極管開關(guān)矩陣電路完成適當(dāng)?shù)拈_關(guān)設(shè)置。PIN二極管開關(guān)電容陣列據(jù)此產(chǎn)生兩個合適的電容值來改變兩諧振電路的諧振頻率，通過容性或感性耦合兩諧振電路，由此構(gòu)成一個通帶中心頻率隨8位并行調(diào)諧碼高速跳變的跳頻帶通濾波器。

數(shù)字調(diào)諧濾波器通過控制濾波器接入不同權(quán)位電容組合實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。每一個指定頻率可能會有幾十、幾百種電容組合供選用[3],可以從中選取濾波器幅頻特性指標(biāo)最好的組合。因此，數(shù)字調(diào)諧濾波器頻率的控制特性非常好。

由于每個跳頻濾波器具有各自的特性，不同跳頻濾波器上的電容很難保證容值完全一致。這就導(dǎo)致對于同一個調(diào)諧頻率，不同跳頻濾波器的電容調(diào)諧碼是不同的，也就是說每一個跳頻濾波器上ROM的內(nèi)容是獨(dú)一無二的。因此，需要對每一個跳頻濾波器進(jìn)行調(diào)試和測試,并對每一個跳頻濾波器電路寫入不同的電容調(diào)諧碼。比如1個有12位電容矩陣的跳頻濾波器，電容的組合有4 096種可能，如果采用人工掃描則費(fèi)時費(fèi)力，因此很有必要開發(fā)數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器自動測試軟件系統(tǒng)。

自動測試軟件包括電容矩陣調(diào)諧碼掃描、跳頻濾波器調(diào)諧碼篩選、跳頻濾波器指標(biāo)驗(yàn)證3大功能。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

3 自動測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 測試夾具設(shè)計

測試夾具選用了單片機(jī)C8051F021作為控制芯片。該單片機(jī)具有4組8位I/O端口，2個串口，滿足系統(tǒng)要求。其中P0、P1端口作為ROM的地址線，P2、P3作為ROM的數(shù)據(jù)線。測試夾具框圖如圖5所示。MCU根據(jù)計算機(jī)的指令，完成對ROM的擦除、寫入、讀取等功能[8-10]。

圖5 測試夾具框圖

3.2 掃描功能設(shè)計

進(jìn)行電容矩陣調(diào)諧碼掃描時，軟件先對ROM進(jìn)行初始化，包括擦除ROM、向地址A寫入數(shù)據(jù)A。A的范圍為0～(2n-1),n為電容矩陣位數(shù)。然后控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取對應(yīng)頻段的校準(zhǔn)文件，向跳頻濾波器內(nèi)部ROM發(fā)出讀地址B指令。B的范圍為0～(2n-1)，n為電容矩陣位數(shù)。接著從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取S12曲線[9]，計算出電容矩陣調(diào)諧碼B對應(yīng)的中心調(diào)諧頻率、中心插損、3 dB帶寬、百分比帶寬、矩形系數(shù)等參數(shù)。結(jié)果存入計算機(jī)的Excel文件中[11],直到2n-1個地址都測試完畢。

3.3 篩選功能設(shè)計

進(jìn)行跳頻濾波器調(diào)諧碼篩選時，先從指令文件讀取跳頻濾波器調(diào)諧碼D對應(yīng)的中心頻率f。D的范圍為0～250，251～255為省電模式，電容全關(guān)。然后讀取掃描功能產(chǎn)生的Excel文件。在掃描出來的電容矩陣調(diào)諧碼數(shù)據(jù)中篩選出中心調(diào)諧頻率、中心插損、矩形系數(shù)、百分比帶寬等都符合要求的最優(yōu)電容矩陣調(diào)諧碼，并把跳頻濾波器調(diào)諧碼與電容矩陣調(diào)諧碼對應(yīng)關(guān)系存儲在計算機(jī)上[11]。完成篩選后把該對應(yīng)關(guān)系編程到跳頻濾波器的ROM電路中。

3.4 指標(biāo)驗(yàn)證功能設(shè)計

對于上一步驟編程完成的跳頻濾波器，必須驗(yàn)證跳頻濾波器的調(diào)諧頻率偏差、插損、矩形系數(shù)、3 dB帶寬等參數(shù)是否符合要求。

進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證時，先從指令文件讀取跳頻濾波器調(diào)諧碼D(D從0到250，其中251～255為省電模式，電容全關(guān))對應(yīng)的中心頻率f。然后控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀讀取對應(yīng)頻段的校準(zhǔn)文件。接著向跳頻濾波器內(nèi)部ROM發(fā)出讀地址D的指令。最后從矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上讀取S12曲線，計算出跳頻濾波器調(diào)諧碼D對應(yīng)的中心調(diào)諧頻率、中心插損、3 dB帶寬、百分比帶寬、矩形系數(shù)等參數(shù)，并驗(yàn)證是否符合要求。

4 解決的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 掃描算法的設(shè)計

對于一個12位電容矩陣的跳頻濾波器，需要掃描212=4 096次。目前掃描一次需要1 s，則掃描4 096次約需要70 min，速度較慢，而實(shí)際只需要250個調(diào)諧碼。因此，可以優(yōu)化掃描算法，減少掃描次數(shù)。

對于1個12位電容矩陣，第12位電容可能是第1位電容的數(shù)十倍。因此，當(dāng)接入高位大電容時，低位小電容的接入與否對調(diào)諧頻率偏移影響很小，此時可以忽略低位小電容的接入。比如電容調(diào)諧碼111111110000與1111111110001到111111111111的15個電容調(diào)諧碼的調(diào)諧頻率幾乎一致(1表示電容接入，0表示電容不接入)，則1111111110001到1111111111的電容調(diào)諧碼可以忽略，以節(jié)省掃描時間。所以對于1個12位電容矩陣，若只取高8位有效，則只需掃描768次，耗時13 min，節(jié)省了57 min時間。

4.2 省電型調(diào)諧碼篩選的設(shè)計

在跳頻濾波器中，主要的耗電器件是接入電容時二極管的導(dǎo)通電流。目前選用的二極管導(dǎo)通電流為4 mA。1個跳頻濾波器中有2個電容矩陣，因此對于電容矩陣調(diào)諧碼111111111111，則需要4×12×2=96 mA電流。顯然電流太大，一般要求跳頻濾波器電流在60 mA以內(nèi)。因此，在篩選調(diào)諧碼時，增加一個“接入電容個數(shù)”的參數(shù)，比如該參數(shù)為7時，電容調(diào)諧碼111111110000(接入8個電容)會被忽略，只有電容調(diào)諧碼中接入的電容個數(shù)小于等于7個時才會被接受。這樣就可以達(dá)到省電的目的。

5 應(yīng)用實(shí)例

系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在某型跳頻濾波器的生產(chǎn)上。該跳頻濾波器具有8位電容矩陣，需要掃描篩選256個電容調(diào)諧碼。系統(tǒng)將原來需要4個工時的工作量在5 min內(nèi)完成。

6 結(jié)束語

跳頻濾波器自動測試系統(tǒng)利用自動測試軟件(LabVIEW)控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，實(shí)現(xiàn)了跳頻濾波器生產(chǎn)中的調(diào)諧碼掃描、篩選、驗(yàn)證的功能，具有操作簡單、生產(chǎn)效率高、人工成本低的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)過程無需人工干預(yù)，可自動連續(xù)完成掃描、篩選、驗(yàn)證3大功能，可以一人同時值守多套自動測試系統(tǒng)。經(jīng)過數(shù)百個跳頻濾波器生產(chǎn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以大大降低人力成本，提高生產(chǎn)效率；同時由于采用了自動化生產(chǎn)，降低了出錯概率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

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