一種自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)明江，嚴(yán)厚偉

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

DLVA是檢波對(duì)數(shù)視頻放大器的簡(jiǎn)稱。DLVA在規(guī)定的功率電平范圍內(nèi)產(chǎn)生的輸出信號(hào)的電壓與輸入信號(hào)功率的對(duì)數(shù)成正比，它將輸入的寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入射頻信號(hào)功率壓縮成動(dòng)態(tài)范圍足夠窄、易于處理的視頻信號(hào)。檢波對(duì)數(shù)視頻放大器一般用作一個(gè)幅度檢波器，因?yàn)槠漭敵鲭妷?mV)與輸入信號(hào)功率(dBm)成正比，這種幅度信息往往比線性檢波器更為實(shí)用。檢波對(duì)數(shù)視頻放大器輸入輸出關(guān)系曲線見圖1。

圖1 檢波對(duì)數(shù)視頻放大器輸入輸出關(guān)系曲線

檢波對(duì)數(shù)視頻放大器是高速、準(zhǔn)確測(cè)量微波脈沖的關(guān)鍵部件。其通常用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)設(shè)備中進(jìn)行測(cè)向和功率檢測(cè)。例如在雷達(dá)告警接收機(jī)(RWR)、電子對(duì)抗(ECM)[1]和電子支援措施(ESM)接收機(jī)及大量測(cè)量?jī)x器中[2]，通過(guò)對(duì)接收到的脈沖信號(hào)幅度的比較可以確定到達(dá)信號(hào)的到達(dá)角[3]。由于雷達(dá)和電子戰(zhàn)設(shè)備中DLVA用量龐大，對(duì)DLVA的測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)記錄工作量大，對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)試DLVA提出了巨大的挑戰(zhàn)。

本文首先介紹了DLVA測(cè)試中測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、記錄數(shù)據(jù)量大的幾個(gè)參數(shù)，又介紹了手動(dòng)DLVA測(cè)試過(guò)程和該自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成及工作原理、軟件編寫和測(cè)試過(guò)程，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)確實(shí)是一種高效的測(cè)試系統(tǒng)。

1 DLVA參數(shù)介紹

任何器件都需要一定的參數(shù)來(lái)描述它的性能，對(duì)于DLVA也不例外，現(xiàn)就DLVA測(cè)試中測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)、記錄數(shù)據(jù)量大的幾個(gè)參數(shù)做如下介紹。

1.1 切線靈敏度

切線靈敏度指的是DLVA檢波電壓上的噪聲最小值與系統(tǒng)無(wú)輸入時(shí)噪聲最大值相切的時(shí)候，輸入信號(hào)的功率大小。因?yàn)樵肼暿菬o(wú)規(guī)律的隨機(jī)波形，不可能準(zhǔn)確測(cè)量，具有很強(qiáng)的主觀性。一個(gè)觀測(cè)者測(cè)量，是通過(guò)設(shè)定射頻輸入脈沖電平，使得視頻輸出脈沖幅度大于噪聲輸出幅度以便在示波器上觀察。

1.2 對(duì)數(shù)斜率

對(duì)數(shù)斜率是用來(lái)描述DLVA正常工作時(shí)輸入輸出關(guān)系的指標(biāo)。對(duì)數(shù)斜率是指動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)輸入(單位：dBm)與輸出(單位：mV)傳輸特性最佳擬合直線的斜率[4]，它表示系統(tǒng)正常工作時(shí)輸出電壓跟輸入功率的關(guān)系。在DLVA正常工作時(shí)，輸入功率每增加1 dB輸出電壓的增加值即為對(duì)數(shù)斜率。單位一般為mV / dB。通過(guò)測(cè)試DLVA在額定工作條件下所有頻點(diǎn)的輸入輸出值(輸入信號(hào)以對(duì)數(shù)形式表示，輸出信號(hào)以電壓形式表示)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制擬合曲線來(lái)得到DLVA的對(duì)數(shù)斜率。

1.3 動(dòng)態(tài)范圍

DLVA檢波信號(hào)功率大于切線靈敏度，能保證正常工作的輸入信號(hào)功率范圍稱動(dòng)態(tài)范圍。最小可檢測(cè)功率受基底噪聲的限制，最大能承受功率由系統(tǒng)非線性程度決定。有2種描述動(dòng)態(tài)范圍的形式比較常見，一種是“線性動(dòng)態(tài)范圍”，指的是產(chǎn)生1 dB壓縮時(shí)輸入信號(hào)的功率與靈敏度(或基底噪聲)之比[5]，多用于描述功放；另一種是“無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍”，指的是等于最小可檢測(cè)信號(hào)的三階互調(diào)產(chǎn)物的2個(gè)等電平輸入與基底噪聲之比，多用于描述低噪聲放大器或混頻器。

2 手動(dòng)DLVA測(cè)試過(guò)程

本設(shè)計(jì)中，以對(duì)數(shù)斜率和切線靈敏度的測(cè)試為例，對(duì)DLVA的測(cè)試過(guò)程進(jìn)行介紹。通常情況下，DLVA測(cè)試需要信號(hào)源、示波器、電源等。電源給DLVA工作提供所需要的電壓；信號(hào)源輸出信號(hào)連接到DLVA，作為DLVA的輸入；DLVA的輸出連接到示波器，通過(guò)示波器讀出DLVA模塊的輸出信號(hào)的幅度等。以2～8 GHz頻段的DLVA為例，假如DLVA的動(dòng)態(tài)范圍為-58～-13 dBm，對(duì)數(shù)斜率進(jìn)行測(cè)試。信號(hào)源輸出2 GHz時(shí)，先在信號(hào)源輸出功率為-58 dBm時(shí)，測(cè)試DLVA輸出到示波器信號(hào)的幅度，然后在信號(hào)源輸出功率為-13 dBm時(shí)，測(cè)試DLVA輸出到示波器的信號(hào)幅度，兩者幅度之差除以45即為DLVA在此頻點(diǎn)的對(duì)數(shù)斜率。按照技術(shù)指標(biāo)的要求，以一定的頻率步進(jìn)依次測(cè)試其它頻點(diǎn)的對(duì)數(shù)斜率。對(duì)正切靈敏度的測(cè)試如下：信號(hào)源輸出2 GHz的脈沖信號(hào)時(shí)，信號(hào)源的輸出信號(hào)功率從大于靈敏度的某功率開始按照1 dBm的步進(jìn)依次減小，觀察DLVA輸出到示波器的信號(hào)，當(dāng)觀察到示波器的脈沖信號(hào)正最大值和噪聲基底相切的時(shí)候，記錄下此時(shí)的信號(hào)源輸出信號(hào)功率，即為DLVA在2 GHz的正切靈敏度。按照技術(shù)指標(biāo)的要求，以一定的頻率步進(jìn)依次測(cè)試其它頻點(diǎn)的正切靈敏度。DLVA的動(dòng)態(tài)范圍即為DLVA工作在圖1線性部分的輸入信號(hào)的范圍，即通過(guò)繪制DLVA的輸入輸出曲線，觀察DLVA輸入輸出曲線接近于線性部分的輸入信號(hào)的功率范圍。其它指標(biāo)的測(cè)試也是類似的。

人工測(cè)試DLVA的測(cè)試連接圖如圖2所示。

圖2 人工DLVA測(cè)試連接圖

由于在雷達(dá)和電子戰(zhàn)設(shè)備中，DLVA數(shù)量大，人工測(cè)試每個(gè)DLVA并記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間大致在20 min，且隨著測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)，人員疲勞度增加，測(cè)試速度進(jìn)一步降低。對(duì)于雷達(dá)和電子戰(zhàn)設(shè)備成百上千個(gè)DLVA而言，測(cè)試工作耗時(shí)耗力，記錄數(shù)據(jù)工作量大。

3 自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)硬件組成和工作原理

自動(dòng)DLVA測(cè)試裝置硬件主要由工控機(jī)、電源模塊、交換機(jī)、控制板、機(jī)箱組成，如圖3所示。其中主控機(jī)用軟件編寫程序，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式連接控制板、信號(hào)源和示波器，通過(guò)輸出接口連接DLVA進(jìn)行測(cè)試。控制板由先進(jìn)的簡(jiǎn)化指令計(jì)算機(jī)機(jī)器(ARM)、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)、網(wǎng)絡(luò)芯片和接口芯片等組成，控制板通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口接收主控機(jī)控制命令，輸出TTL信號(hào)給DLVA進(jìn)行模式選擇，同時(shí)控制DLVA輸出接口多種電源通斷。信號(hào)源接收主控機(jī)控制命令，受主控機(jī)控制產(chǎn)生不同頻率和功率的信號(hào)提供給DLVA。示波器接收主控機(jī)控制命令，讀取DLVA輸出信號(hào)的峰值，并將結(jié)果回報(bào)給主控機(jī)。DLVA接收信號(hào)源提供的射頻信號(hào)及輸出接口提供的電源和控制信號(hào)，通過(guò)示波器測(cè)試輸出的中頻信號(hào)的幅度。

圖3 DLVA測(cè)試系統(tǒng)硬件組成框圖

4 自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)顯控軟件

自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)顯控軟件編寫采用Visual C++ 6.0實(shí)現(xiàn)，包含示波器的控制，信號(hào)源的控制，控制板的控制，電源通斷控制，DLVA數(shù)據(jù)的測(cè)試、計(jì)算和記錄，顯控界面如圖4所示。

圖4 DLVA測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

控制板上ARM軟件編寫采用uVision V4.10，CPLD軟件編寫采用QuartusII 11.0。所有軟件編寫采用模塊化編程。

5 自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程

自動(dòng)DLVA測(cè)試連接圖如圖5所示。先按照?qǐng)D5連接好DLVA自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和DLVA模塊、測(cè)試儀表等；再按照測(cè)試需求設(shè)置好信號(hào)源和示波器的IP地址等，方便網(wǎng)絡(luò)連接；然后打開工控機(jī)，在工控機(jī)上運(yùn)行DLVA自動(dòng)測(cè)試軟件；先進(jìn)行頻段選擇，再依次點(diǎn)擊“連接示波器”、“連接信號(hào)源”和“電源開”按鍵；最后點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鈕，DLVA模塊即開始自動(dòng)測(cè)試，此時(shí)顯控軟件實(shí)時(shí)顯示主控機(jī)的下發(fā)報(bào)文、接收?qǐng)?bào)文和讀取到的DLVA輸出到示波器的信號(hào)幅度。通過(guò)顯控軟件控制信號(hào)源輸出信號(hào)給DLVA，示波器測(cè)試DLVA輸出信號(hào)的幅度，顯控軟件讀取示波器的測(cè)試結(jié)果，記錄信號(hào)源輸出信號(hào)的幅度，通過(guò)邏輯運(yùn)算，計(jì)算出DLVA的指標(biāo)，并標(biāo)注出DLVA模塊指標(biāo)是否合格。根據(jù)實(shí)際測(cè)試顯示，單個(gè)DLVA模塊的測(cè)試時(shí)間不超過(guò)3.5 min。

圖5 自動(dòng)DLVA測(cè)試連接圖

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 自動(dòng)DLVA測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

該自動(dòng)DLVA測(cè)試系統(tǒng)可以極大地減小DLVA的測(cè)試時(shí)間，減少測(cè)試過(guò)程中人為的測(cè)試誤差，減少后期繁瑣的數(shù)據(jù)整理和數(shù)據(jù)計(jì)算工作，滿足越來(lái)越短的設(shè)備交付時(shí)間的需求。最后，如果該硬件設(shè)備配合其它軟件和硬件連接線，亦可以對(duì)其它多種微波器件進(jìn)行測(cè)試。