基于便携式雷达维修测试系统的示波器输入调理电路设计

时间：2024-07-28

刘永强，梁华，薛邦贵

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州 730020)

0 引言

随着气象事业的发展，中国高空观测系统不断完善，新一代天气雷达在气象业务工作中发挥着重大作用，已成为预报预测和防灾减灾的有效保障工具。由于国内在用天气雷达型号多，升级改造频繁，技术指标差异较大，给雷达维护、维修和保障工作带来了巨大困难和挑战。虽然国内外很多技术保障人员在故障分析和维修方面积累了很多经验[1-5]，但常因测试能力不足、保障手段单一，导致故障检测和维修周期长、保障时效延后，严重影响雷达的正常运转和业务的正常运行。

基于以上问题，文章设计了一套便携式雷达维修测试平台[6，7]。在平台设计中，存在通用仪器板载示波器测试通道输入阻抗不能自动切换的问题，而现有的调理电路结构均复杂，故需要设计一种结构简单、运行可靠、自动化程度高的调理电路来实现输入阻抗的自动切换。文章设计的调理电路经实际测试表明其稳定性、可靠性达到了测试标准，完全满足便携式雷达维修测试系统的设计要求。

1 设计内容

1.1 便携式雷达维修测试系统

便携式雷达维修测试系统由硬件系统和软件系统2部分构成。硬件系统采用基于PXI/PXIe总线接口协议的组合式微波测试仪表与PXIe标准工控机相互连接，系统选用目前较为流行的嵌入式机箱设计方案，机箱包括最新的PXI/PXIe总线标准、PXI触发总线和8个即插式硬件模块插槽，配置具有调制功能的RF和微波信号发生器模块、数字化仪(示波器)、配有总线供电USB连接的峰值功率计以及频谱分析仪等，通过与PXI/PXIe总线连接，组成了一套功能完整、设备齐备的便携式测试维修硬件平台系统；软件系统采用目前流行的QT设计理念和思路[8]，实现对雷达发射、接收、伺服和数字中频信号处理等分系统相关模块的功能检查、参数测试、故障诊断和维修指导。图1为便携式雷达维修测试系统功能结构；图2为便携式雷达维修测试系统硬件构成。

图1 便携式雷达维修测试系统功能结构

图2 便携式雷达维修测试系统硬件构成

1.2 测试系统对示波器调理电路的要求

便携式雷达维修测试系统硬件采用NI公司基于PXIe-1075机箱的通用集成化仪表设备，装配了信号源、频谱仪、示波器、万用表和功率计，其特点是体积小、重量轻、扩展性好，便于携带和使用。受成本及体积的影响，文章选用的通用仪器原板载示波器没有设置调理电路来自动切换负载通道，而便携式雷达维修测试系统的设计理念是一款自动化测试及维修平台，系统缺失示波器调理电路就无法实现测试脉冲包络流程与其他测试内容需求(例如万用表检测功能等)之间的自动切换，因此设计一款能满足在雷达相关参数测量之间自动切换的调理电路成为测试系统最基本的需求。

1.3 示波器调理电路的工作原理

示波器输入调理电路(图3)包括PXIe接口、FPGA、继电器、阻抗网络和电流缓冲器[9，10]，调理电路采用PXIe总线电源供电，电源输入FPGA前依次采用LC电源滤波器和EMI滤波器进行滤波处理，作用是抑制高频干扰信号，确保调理电路运行稳定和可靠。PXIe接口与FPGA的高速串行接口连接，实现标准PXIe通信，FPGA的输出端与继电器连接，阻抗网络包括2个负载通道(分别为50 Ω负载通道和1 MΩ负载通道)，继电器同时与电流缓冲器连接，电流缓冲器输出端与示波器输入端相连接。FPGA接收来自PXIe的示波器阻抗命令，根据命令控制产生继电器控制信号，控制继电器选择不同的阻抗。对于测试脉冲包络流程的需求，则FPGA产生继电器控制信号，使继电器选择50 Ω的输入阻抗，然后通过电流缓冲器向示波器输出电流；对于其他测试内容的需求(例如万用表检测等)，则FPGA产生继电器控制信号，使继电器选择1 MΩ的输入阻抗，然后通过电流缓冲器向示波器输出电流。

图3 示波器输入调理电路原理

1.4 示波器调理电路的设计

示波器输入调理电路由PXIe接口、FPGA、继电器、阻抗网络和电流缓冲器5部分组成(图4)。

图4 示波器输入调理电路

1.4.1 PXIe接口

便携式雷达维修测试系统硬件采用NI公司基于PXIe-1075机箱的通用集成化仪表设备。系统采用基于PXI/PXIe总线接口协议的微波测试仪表与PXIe标准工控机相连接。PXIe采用的混合兼容性插槽使得PXI和PXI-Express模块能够在同一系统上协同工作，因此面向自动化测试应用时，PXI与PXI-Express系统均有关键性技术优势。PXI模块化仪器结构系统采用当今主流PC先进技术，架构出一种坚固、可测量、自动化的计算结构平台，使标准PCI总线技术能够受益于广泛使用的硬件和软件器件和组件。NI PXIe机箱采用占用箱中未使用的插槽挡板技术方案(塑料的模块化PXI填充板)，目的是通过降低空插槽中的气流而起到有效的降温效果。使用插槽挡板可使工作模块中电子元件温度升幅降低20%，从而提高机箱降温的性能，确保设备稳定、高效工作。

1.4.2 现场可编程门阵列(FPGA)

在数据采集模块中，对实时性和控制准确性要求较高，所以文章选用FPGA控制继电器。FPGA有43，661个逻辑单元，54，576个触发器，2088 Kb存储空间，58个DSP单元以及4对高速串行通信接口，其高速串行接口可直接与PXIe的高速接口相互连接，调用官方提供的IP实现PXIe总线与板卡本地总线桥接[11]，然后FPGA根据总线命令对继电器的控制，从而实现对示波器输入阻抗的自动控制。

1.4.3 继电器

继电器是一种常用的电控器件，用于电路的逻辑控制，当输入量(激励量)变化达到规定要求和设置时，在电气输出电路中能够使被控量发生预定的阶跃性变化，以实现电路的自动控制功能，继电器有控制系统(输入回路)和被控制系统(输出回路)的互动关系，在自动化控制电路中被广泛使用。继电器也是一种用小电流控制大电流运作的“自动开关”器件，所以在电路中起到自动调节、安全保护以及转换电路等作用，同时继电器还具备隔离功能，被广泛应用于通信、遥测、遥控、电力电子设备、自动控制和机电一体化中，属于重要的控制元件之一。继电器种类繁多，文章采用了常用的电磁继电器，可根据测试要求实现阻抗网络中50 Ω负载通道和1 MΩ负载通道的自动切换。

1.4.4 电流缓冲器

在计算机和自动控制领域，缓冲器能够将外部设备送来的数据暂时存放，以便处理器在需要时将其取走，缓冲器能够协调并缓冲高速工作的CPU与慢速工作的外部设备，从而实现数据同步传输，同时也能放大信号提高驱动能力以及消除负载对信号源的影响[12]。文章采用了BUF634高速开环增益电流缓冲器，能够驱动250 mA的输出电流，可用于运算放大器的反馈环路，共同增加输出电流消除热反馈，从而有效改善容性负载驱动。对于一个低电压应用的典型案例，BUF634工作设置在1.5 mA静态电流，输出为250 mA，2000 u/s电压转换速率和30 MHz带宽，同时频带宽度可以根据设计要求对电路进行适当调整，从而实现带宽在30～180 MHz可调。