黄院生刘春晖徐 友张龙雷

（空军二十三厂，北京102200）

1 引 言

我国现阶段某型引俄防空装备的电参数维修和测试，仍依靠上世纪90年代初由俄罗斯提供的装备配套测试设备，在实际操作中存在仪器仪表种类繁多，自身维修保障和自校准困难，仪器计量难以管理，操作复杂，且测试数据的保存有限等诸多问题，制约部队基层级装备修理和应急抢修，影响部队维修保障决策。 为解决这一问题，基于深入交流分析，确定某型装备随装测量设备俄制指针多用表Ц4353、电压表B7 -40、示波器C1 -99、数字万用表PB7 -32、毫安表э535、通用数字电压表B7 -35、综合电工测量仪表43103／2、综合电测仪表430101 等8 种型号仪表的实现功能、电压电流范围、测量精度、测试带宽等技术指标，结合部队实际状况，降低操作人员的技术要求，应用合成仪器技术最大限度进行仪器合成，并编制测试软件，通过程控接口对上述8 种仪器进行自动操控，研制小型化、多功能、一体化的便携式测试设备。

2 设计思路与系统组成

2.1 功能要求

主要功能：能够实现上述8 种俄制仪器的测试；对于大电压、大电流信号采用外部适配器方法进行调整；设备方便计量；自动测试，能实现测试数据的自动记录、存储、计算、合格判断等。

2.2 方案设计

充分分析上述俄制仪器的测试原理、中频电压表的电路原理、示波器Z 路激励的实现方法、板卡万用表的测试精度，依据研制测试设备应达到的功能和性能指标，确定虚拟仪器的某型防空装备电参数合成测试仪器（以下简称合成仪器）采用数字万用表、数字示波器、数字波形发生器等仪器仪表功能集成在一台小型便携仪器中，对合成仪器进行总体设计、硬件设计、软件设计、结构设计、测试原理设计、可靠性设计等技术论证，合成仪器主要由硬件系统和软件系统两大部分组成。

2.3 系统组成

2.3.1 合成仪器硬件系统

硬件系统以PXI 平台为基础，主要由合成仪器平台、嵌入式计算机模块、万用表模块、示波器模块、函数发生器模块和电压放大模块组成，原理框图如图1 所示。

图1 合成仪器硬件原理图Fig.1 Hardware schematic diagram of synthetic instrument

1）硬件集成：对测试设备系统进行了散热、结构连接可靠性试验验证等工作，设备实物如图2 所示；

图2 合成仪器实物图Fig.2 Physical drawing of synthetic instrument

2）函数发生器模块：选用PXI 5406，利用数字合成（DDS）技术，精确生成具有重复特征的正弦波、方波、三角波、斜波、噪音波和交流波等波形；

3）数字万用表模块：选用NI PXI-4072 六位半模块，可测量高达±300V 的直流电压和±1A 的直流电流，同时具有高精度的电感和电容测量功能，分辨率23 位可编程配置，可测量交直流电压电流、频率周期、电感和电容等；

4）示波器模块：选用NI PXI -5114，该款示波器模块具有两个通道，提供了灵活的耦合、阻抗、电压范围和滤波设置。 PXI 示波器还具有多个触发模式、高容量板载内存和一个包含数据流和分析功能的仪器驱动程序，模拟带宽高达125MHz，还具有PXI 同步和数据流功能；

5）C1 -99 示波器专用脉冲波发生模块：C1 -99 示波器正常工作需要专用的低频14V 电平的脉冲波，通用的板卡无法产生这样的波形，因此单独设计C1 -99 示波器专用脉冲波发生模块，其实现原理是FPGA 产生对应频率和占空比的PWM 波，再由运放放大后产生对应脉冲波，如图3 和图4所示；

图3 专用脉冲波发生模块实物图Fig.3 Photo of special pulse wave generation module

图4 示波器所需的脉冲波形图Fig.4 Pulse waveform required by oscilloscope

6）电压传感器：标准PXI 模块无法直接测量1 200V 交直流电压，设计测量附件来测量大电压，选用高精度电压传感器，将电压信号衰减100 倍后进行测量；

7）交直流电流传感器：标准的PXI 模块无法直接测量30A 交直流电流，设计测量附件来测量大电流，选用高精度电流传感器，将电流信号先放大3倍再衰减1000 倍后进行测量；

8）中频电压表输入模块：中频电压表主要测试中频幅值，中频电压表输入模块测试的电压较小，在0.9V 左右，该模块参考俄制仪器电路，采用并联二极管包络检波器的原理，测试结果与俄制仪器一致；

9）中频电压表输出模块：中频电压表输出模块测试的电压在15V 左右，参考俄制仪器电路，采用串联二级管包络检波器的原理，测试结果与俄制仪器一致。

2.3.2 合成仪器软件组成

软件部分采用模块化的层次式架构设计，主要由驱动层、测试层和应用层组成。 软件架构如图5所示。

图5 合成仪器软件架构图Fig.5 Software architecture diagram of synthetic instrument

软件采用WINDOWS 操作系统平台，应用程序采用LABVIEW 编制。 主要分为两大部分，主要包括面向控制流程的测试管理部分和面向数据的信息管理部分，通过整合各类的模块化硬件和平台化软件处理，使用人员能够更快更灵活地配置测试系统，并满足不断改变的测试需求。 自动测试软件代码开发合成仪器软件从功能的角度分为3 部分。

1）虚拟仪器面板：软件平台提供直流校准源模块、交流校准源模块、电阻校准源模块、函数发生器模块、数字万用表模块的虚拟面板，虚拟面板包括参数设置和输出控制按钮，配置好相应的信号参数后，操作相应的功能按钮，相应的校准源通道会输出真实的校准信号，相应的测量通道会对电参数进行测量，系统同时记录相应的操作过程和测试数据；

2）校准序列：针对具体的被检对象，编辑相应的测试序列，执行校准程序后，调用针对某一特定对象的校准序列，根据软件所提示的操作信息，实现对被检对象的校准过程，同时系统记录相应的操作过程和测试数据至数据库中，校准过程完毕之后，生成检定或校准报告；

3）溯源序列：针对合成仪器内部的PXI 模块进行溯源，软件平台提供直流校准源模块、交流校准源模块、电阻校准源模块、函数发生器模块、数字万用表模块的溯源序列，溯源序列可预先编辑，但需将溯源所指定的标准设备的驱动集成到软件平台中，实际操作时，将相应的溯源通道连接至指定的标准溯源仪器中，执行相应的溯源序列，可自动完成通道校准溯源，同时将相应的数据保存至数据库中并生成校准报告。

为校准装置开展工作有据可查，依据现有的测试规程，并基于装备技术指标要求以及仪器在测试过程中的作用，剔除规程中仪器在测试中不用的检定项目，编写与该装置配套的，并针对不同型号仪器的专用测试规范，满足部队使用需求。

2.3.3 结果检验

2019年9月～11月，携带合成仪器在天津某部做合成仪器中频电压表、示波器和万用表的试用验证，合成仪器工作正常稳定，测试结果合格，满足部队需求。 经第三方计量结果表明被测仪器测试指标符合国家标准及相关要求。

3 技术难点及实施途径

3.1 中频电压表的替代

俄制中频电压表仪器由电压表和中频探头组成，该设备属于定制设备，国内仿制设备测试精度和一致性差，难以替代该设备。

1）采用高速动态数据采集+信号处理的方法，充分发挥合成仪器的软件定义硬件的优势，示波器进行数据采集，通过高速通讯总线传输到控制器，利用软件进行分析和处理相关信号。 经过软件校准后，测量值精度控制在要求6.7%之内。 选取具有优秀的带宽、采样率和20V 的输入电压范围的示波器，实现对该信号的采集，软件运用高斯／卡尔曼滤波等信号处理手段结合FFT、信号包络检查等时频域分析手段，完成了国产TV1 设备和俄制B7-40仪器替换；

2）由于中频电压表测试的是装备中频信号的幅值信号，为确保与俄制的中频电压表保持一致，中频探头部分电路与俄制电路保持一致，这样测试结果可以按照俄制仪器的要求进行判断是否合格。

中频探头分为输入部分和输出部分两种。

输入部分采用并联检波电路的方案，输入端经过电容C1 隔直流通交流信号，在过大电压脉冲下可以保护检波二极管损坏，电路如图6 所示。

图6 中频电压表输入原理图Fig.6 Input schematic diagram of intermediate frequency voltmeter

输入部分波形在泰克示波器采集到的中频正弦波，幅值在1V 左右，检波电路输出的合格范围是（0.9 ±0.1）V，出现合格电压比实际包络小的原因是二极管的导通电压和电阻的分压，如图7 所示。输出部分采用串联检波电路的方案，电路如图8 所示。 串联检波被测的波形用示波器采集到的波形如图9 所示。

图7 中频电压表输入波形图Fig.7 Input waveform of intermediate frequency voltmeter

图8 中频电压表输出电路图Fig.8 Circuit diagram of intermediate frequency voltmeter output

图9 中频电压表输出波形图Fig.9 Output waveform of intermediate frequency voltmeter

中频电压表的输出部分的最大电压在14V 左右（检波的包络电压），实际的合格电压时15V ±1V，合格电压比示波器测试值大的原因是示波器的采样率和模拟带宽限制更大尖峰电压的采集，更高更窄的脉冲被示波器的ADC 和前段抗混叠滤波器过滤，而检波二极管作为纯模拟电路可以完整的测试出最高峰的包络电压。

3.2 C1-99 示波器的替代

C1-99 示波器与通常示波器的波形测量功能不同，设计接入三路信号，对信号进行分析、处理后，测量得到正确的波形。 功能上主要通过采用PXI-5114 示波器模块和两路专用脉冲发生器模块实现示波器功能的替代。

示波器与装备通过3 个MCX 转BNC 转接线相连，该三路信号分别接于示波器的A，B，Z 通道。 A为待观测信号，波形为扫频信号，从装备输出后再输入到示波器；B 为同步信号，波形为脉冲信号，从示波器输出后再输入到装备，该信号用于同步A 信号，使A 信号在示波器显示区内稳定显示；Z 为触发信号，通过装备端测量该端口的信号为15V 直流，通过示波器端测量该端口的信号为负向脉冲，从示波器输出，通过装备该端口内置的电路送到电源（15V），如图4 所示。

通过信号处理软件作用后，直接呈现测量结果如下。

1）简化测试过程；

2）通过软件分析的手段比从示波器屏幕上通过光标进行读数显著提高准确度和一致性；

3）利用PXI 总线信号带宽高的优势，PXI 示波器将原始波形上传至计算机中，Labview 软件通过特定的算法将测试值正确取出。

4 结束语

该设备集成度高，便于操作，具有测试功能强大、重组灵活、性价比高、可靠性高、环境适应性强、携带方便和易于操作等典型特点。 可有效保证装备的正常维护，可提升部队装备保障和工厂应急抢修能力，减少部队作战携带测试设备负荷，提高设备综合使用率。 某型装备俄制进口仪器仪表故障率高、备件少、进口周期长，自主维修困难，严重影响装备维护、修理的使用，自主研制后，有效解决了以上问题，对装备保障具有重要意义。