■ 夏冰 高佳 李慧 谷云雁/军蓝科技集团总公司

0 引言

某型武器装备是国内新研制的武器系统，其特点是高度标准化和集成化，某型附属装备的设计也符合此特征。但是该装备在部队使用中，其计量校准的方法和使用的标准设备是分立的，各计量单位一般不具备此类设备的计量能力，少数能力较强的计量单位采用的计量方法是对系统中各测量设备单独进行计量，计量时间长、效率低。

随着各种战训任务的激增，对设备的大修校准保障和现场巡检保障的需求日益突出。为确保装备战术性能准确可靠，必须探索高效便捷地对这类设备实施校准保障的解决方法[1]。当前，国内外武器装备综合服务保障管理正在向体系化、模型化、数字化、专业化、集成化方向发展，并贯穿武器装备全生命周期[2]。为便于在部队现场开展计量保障，实现该装备校准的数字化、智能化、自动化，提高部队战训的技术保障时效，十分有必要开展该装备现场校准的研究工作。

1 总体方案设计思路

该装备自动化测试校准平台是国内自行搭建的专用测试系统，为装备提供全面的测试保障。由于其特有的专用性、保密性，找不到针对该装备的校准设备。

该装备校准方法分为两部分：通用设备的校准方法和专用仪器的校准方法。通用仪器的校准溯源一般由计量机构按现行有效公开发行的规程/规范进行检定或校准。该部分的改进措施，建议根据需求按测试点校准，既可提高效率，又可缩减标准设备指标范围。例如，该装备中的函数发生器，在测试中只用到某些点的方波频率和方波幅度，其余指标均不关注。按函数发生器检定规程检定需要大量的标准设备，如果改为专测校准方法，只校准所需频点的方波幅度和频率，也可实现现场校准。

该装备校准平台的组成可参考两种方式进行构建。第一种采用现行的通用货架产品进行系统集成，一般由微波信号源、频谱仪、数字电压表、标准电压源、示波器校准仪、数字示波器、功率计、标准电阻等组成，所用设备多，操作复杂，不利于携带，成本高，易造成资源浪费。另一种方法是研制专用的校准模块，使用相同通信协议，同时配备专用的输入输出接口，使测试设备的校准连接方便，标准装置携带方便，满足现场校准要求。

如果校准装置全部采用现有的货架产品，一方面会造成标准装置体积大、不方便携带，另一方面会造成价格昂贵、资源浪费等问题。因此决定，对于技术指标比较高的矢量网络分析仪购买现有货架产品，示波器采用现有的示波器；对于功能单一、使用环境没有特殊要求的设备，根据该装备专测设备的特殊性和专用性，研制适合现场测试环境的便携式设备，共同组建标准装置。

根据该装备的具体技术要求，开展相关参数专用校准方法研究，研制综合的多参数现场校准装置。一套完整的校准装置包括标准电压表、标准电阻箱、电压产生模块、稳幅正弦波产生模块、时标输出模块、衰减测量系统、多普勒频率测量系统、矢量网络分析仪、示波器等。

2 关键硬件设计

2.1 电压模块

电压模块输出直流电压和方波电压，主要用于校准示波器的垂直幅度、16路A/D采集模块、数字电压表模块等。在-20～40℃温度范围内，电压准确度优于0.3%，电压幅度达到±100V。

1）直流电压电路

直流电压电路由直流参考电压、D/A、低通滤波器、放大器、衰减器和高压放大器组成。直流参考电压采用温漂很小的精密参考电压芯片，该芯片同时输出给其他需要高准确度直流电压的模块；在-20～40℃温度范围内，电压精度达到0.3%。D/A采用低温漂精密低速14位D/A，用于控制输出电压大小。低通滤波器用于降低低频1/f噪声。放大器采用精密无偏移电压的斩波运放，用于进一步提高电压。衰减器提供小电压。采用高压放大器，输出±100V电压。

2）方波电压电路

内部采用高精度D/A、A/D、高压放大器产生方波电压，D/A产生方波信号，A/D对方波电压进行监控，将A/D输出的方波电压控制在预定的指标范围。A/D变换器为24bit高精度变换器，通过内波的滤波算法，可以有效控制温度漂移、电路非线性误差。在-20～40℃温度范围内，方波电压精度达到0.5%。其主要特点为：由D/A、放大器、衰减器、高压放大器组成；单片机控制14位D/A输出幅度不同的方波；采用高压放大器，提供100V的幅度。

2.2 稳幅正弦波模块

稳幅正弦波模块研制的技术难点是放大稳幅电路，就是在很宽的范围内将幅度稳定，对谐波有一定要求。稳幅电路由检波器、积分器、D/A、乘法器及功率放大衰减模块构成。由D/A给出标准电压信号，去控制检波器、积分器及放大衰减模块组成的反馈环路，正弦波输出幅度能够稳定在4%。由于带宽跨度非常宽，超越了元器件的极限，所以分成两段进行稳幅。

稳幅正弦波模块输出正弦波信号，主要用于校准示波器的带宽[3]，频率范围50kHz～200MHz，信号幅度100mV～2V，在-20～40℃温度范围内，信号平坦度要小于0.5dB。

采用DDS数字综合产生技术产生50kHz～200MHz的频率，频率产生原理图如图1所示。DDS采用时钟频率＞3000MHz的器件，输出50kHz～200MHz的正弦波，低通滤波器降低DDS输出杂散。

图1 DDS频率产生原理图

2.3 衰减测量模块

采用低中频串联替代的方法对衰减进行测量，通过频率变换方式将射频及微波信号线性地变换为中频信号。利用高准确度标准衰减器的改变量替代被检的射频及微波衰减器的衰减量，从而达到准确有效地测量衰减量的目的。它具有很高的灵敏度和超过80dB的动态范围，在-20～40℃温度范围内，测量误差为±0.01dB/10dB。同时，引入相关检测方法，使用锁相放大器作为中频接收和指示装置，根据参考信号与测试信号相关而与噪声不相关的原理，锁相放大器采取相关检测技术，最大限度地压缩带宽、抑制噪声，使得系统的测量稳定度和动态范围都有大幅提升。

衰减校准的工作原理：首先对经过被测衰减器的射频信号进行频谱搬移，即通过混频器和本振信号对被测射频信号进行下变频，使被测射频信号变为容易处理的中频信号，然后将混频后的中频信号进行低噪声预放。经高准确度程控步进标准衰减器进行替代补偿后，由锁相放大器进行中频放大滤波和相关检波处理，并进行数据采集和处理，最终显示。具体过程中，首先进行校准，即衰减器衰减量为零或未接入衰减器时对系统进行校准，得到一平衡电平；然后改变衰减器的衰减量或插入被测衰减器，并改变系统中标准步进衰减器的衰减量，使系统达到二次平衡，此时的标准衰减器的改变量即为被测衰减器的衰减量。

3 软件设计

为了提高校准测试效率，需要开发自动化校准测试程序。自动化校准程序通过VC开发完成，通过VC工具将整个测试流程分为若干个测试项目，然后分析测试结果并生成报表。对于计算机控制的自动化测试，本质上就是通过控制总线向仪器发送控制命令。所以，描述一个测试项目，就是要建立一种机制，能够根据不同的情况相应地生成并发送控制命令。这些控制命令可以分为两种类型：一种是设置仪器的命令，另一种是从仪器读取某种信息的命令。控制命令可能包含参数，这些参数同时又对应不同测试项目的不同设置。对于专用测试设备，建立一个测试模板文件，包含测试过程需要的数据以及测试过程的所有命令。运行时，由测试软件自动将测试命令发给对应的测试设备，并读取测试设备的测量结果。自动化测试程序框架如图2所示。

图2 自动化测试程序框架

4 结束语

随着科学技术的发展，计量校准呈现计量标准模块化、自动化的发展趋势。校准平台引入这些先进的计量技术，可以使新型装备校准使用的设备体积更小、重量更轻、精度更高、测试更方便。该校准平台目前已广泛应用于部队现场计量巡检工作中，大大提高了该装备快速校准测试能力，对保障某系列武器系统的可靠性和部队的战斗力具有重要意义。