УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ АЦП РАДИОЛОКАТОРА
DEVICE FOR MONITORING AND DIAGNOSTICS OF ADC RADAR

Изобретение относится к радиотехнике, радиолокации и вычислительной технике и может быть использовано в стендовой аппаратуре для настройки, контроля и диагностики аналого-цифрового преобразователя (АЦП) радиолокатора, а также, при предъявлении блока АЦП ОТК и представителям заказчика.
Известно устройство контроля характеристик тракта АЦП многофункционального радиолокатора (см. статью «Программа анализа динамических характеристик тракта АЦП», Вестник ВКО, №3, с. 42-45, 2017 г.), представляющее собой специализированное стендовое оборудование.
Недостатком известного устройства является то, что оно, обозначенное в статье с актуальной постановкой задачи, недостаточно подробно описано, как и сам объект контроля - АЦП, а также то, что в нем при рассмотрении, главным образом, аспектов управляющей программы контролируются только динамические характеристики тракта АЦП в целом, что не позволяет осуществлять локализацию неисправностей до отдельных ячеек блока АЦП.
Типовой блок АЦП радиолокатора, содержит основные типы ячеек: ячейку аналого-цифрового преобразования, ячейку фильтра напряжения питания, ячейку генератора частоты дискретизации и ячейку управления и формирования контрольного сигнала. При этом для качественной работы, а, тем более, для достоверного контроля блока АЦП требуется в устройстве контроля сформировать и подать на блок АЦП следующую группу сигналов, взаимосвязанных жесткой временной диаграммой: последовательность радиоимпульсов (ПРИ), синусоидальный сигнал для последующего формирования в блоке АЦП сигнала частоты дискретизации моментов опроса АЦП и группу управляющих импульсных сигналов, необходимых для управления и имитации системного взаимодействия блока АЦП с управляющим блоком радиолокатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является изобретение «Формирователь последовательности радиоимпульсов с большим динамическим диапазоном» (см. заявку №2018109235 от 15.03.2018 г. по МПК G01S 13/00, по которой выдан патент №2672050 на одноименное изобретение), содержащее панель управления и формирователь последовательности радиоимпульсов (ПРИ) в составе формирователя огибающей ПРИ и последовательно соединенных генератора несущей опорной частоты, модулятора и аттенюатора, выход которого является радио-иммитационным выходом устройства, причем первая группа выходов панели управления соединена с соответствующей группой входов формирователя огибающей ПРИ, группа выход которого соединена с управляющей группой входов модулятора, причем на панели управления расположены органы управления, назначающие непрерывную или конечную ПРИ с различной длительностью радиоимпульсов и различным периодом повторения.
Известное устройство не является функционально законченным, т.к. не позволяет автономно осуществлять испытания, контроль и диагностику блока АЦП радиолокатора без привлечения дополнительных средств для анализа выходного сигнала блока АЦП, для формирования опорного синусоидального сигнала и имитации группы системных сигналов управления блоком АЦП, для обеспечения диагностики блока АЦП - локализации неисправностей в нем с точностью до каждой из его ячеек без обеспечения конструктивных удобств.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства - прототипа, обеспечивая его функциональную законченность для автономного испытания, контроля и диагностики блока АЦП радиолокатора, путем формирования в устройстве опорного синусоидального сигнала, обеспечения анализа спектра на выходе устройства для обязательного контроля его динамического диапазона, имитации группы системных сигналов управления блоком АЦП и обеспечения диагностики блока АЦП - локализации неисправностей в нем с точностью до каждой из типов его ячеек: ячейки аналого-цифрового преобразования, ячейки фильтра напряжения питания, ячейки генератора частоты дискретизации и ячейки управления и формирования контрольного сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для контроля и диагностики блока АЦП радиолокатора, содержащее панель управления и формирователь последовательности радиоимпульсов в составе формирователя огибающей ПРИ и последовательно соединенных генератора несущей опорной частоты, модулятора и аттенюатора, выход которого является радио-иммитационным выходом устройства, используемым для подачи радиосигналов на контролируемый блок АЦП, причем первая группа выходов панели управления соединена с соответствующей группой входов формирователя огибающей ПРИ, группа выходов которого соединена с управляющей группой входов модулятора, причем на панели управления расположены органы управления, назначающие непрерывную или конечную ПРИ с различной длительностью радиоимпульсов и периодом повторения, кроме того, устройство также содержит формирователь синусоидального и импульсных сигналов, преобразователь последовательного кода в параллельный, плату сбора данных, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), мультиметр, осциллограф, ПЭВМ и группу вторичных источников питания (ВИЛ), при этом на панели управления дополнительно расположены органы включения/выключения устройства, системные органы управления блоком АЦП, контрольные гнезда и световые индикаторы для контроля и диагностики технического состояния контролируемого блока АЦП, выход синусоидального сигнала формирователя синусоидального и импульсных сигналов соединен со входами формирователя огибающей ПРИ и генератора несущей опорной частоты и является выходом синусоидального сигнала устройства, используемого для активизации контролируемого блока АЦП, группа выходов импульсных сигналов формирователя синусоидального и импульсных сигналов является группой выходов сигналов устройства для имитации системного управления контролируемого блока АЦП, вторая группа выходов панели управления связана с группой входов формирователя синусоидального и импульсных сигналов, цифровой вход устройства, используемый для приема в устройство реакций контролируемого блока АЦП, соединен со входом преобразователя последовательного кода в параллельный, группа выходов которого связана с платой сбора данных и через нее с ПЭВМ, а через ЦАП - с осциллографом, конструктивно устройство кроме измерительных приборов и ПЭВМ выполнен в виде блока на той же базовой несущей конструкции (БНК), что и блок АЦП, блок устройства и блок АЦП размещены в одном типовом шкафу БНК, таком же, в каком размещен блок АЦП в радиолокаторе, и соединены через стандартные разъемы стандартными кабелями БНК, при этом контрольные гнезда и световые индикаторы панели управления устройства поразрядно соединены с соответствующими входами группы контрольных сигналов устройства, предназначенными для приема из контролируемого блока АЦП сигналов его аппаратного контроля, группа входов первичного напряжения электропитания устройства связана с группой входов вторичных источников питания (ВИП), группа выходов которых является группой выходов вторичного напряжения электропитания устройства и контролируемого блока АЦП, ВИП имеют собственный автоматический контроль исправен/не исправен со световой индикацией, а при их отказе для их контроля и восстановления используют мультиметр, для связей сигналов выходов радиоимитации, имитации сигналов системного управления и синусоидального, а также - цифрового входа используют высокочастотные кабели с заземленным экраном.
Блок устройства, вставленный в типовой шкаф, образуют вместе с необходимыми кабелями, оснасткой и требуемыми измерительными приборами контрольно-диагностический стенд, при этом панель управления установлена на лицевой части блока устройства.
На фигурах представлены: фиг. 1 - блок-схема заявляемого устройства; фиг. 2 - фрагмент спектрограммы выходной ПРИ; фиг. 3 - фрагмент спектрограммы непрерывного выходного синусоидального сигнала; фиг. 4 - фрагмент осциллограммы радиоимпульса из ПРИ; фиг. 5 - фрагмент осциллограммы на выходе ЦАП, соответствующий фрагменту фиг.4; фиг. 6 - фрагмент временной диаграммы последовательного кода на выходе ячейки аналого-цифрового преобразования.
Устройство 1 содержит формирователь 1.1 последовательности радиоимпульсов (ФПРИ) состоящий из последовательно соединенных генератора 1.1.1 несущей опорной частоты, модулятора 1.1.2 и аттенюатора 1.1.3, выход 1.1.4 которого является радиоиммитационным выходом устройства, формирователя 1.1.5 огибающей ПРИ и панели 1.1.6 управления, формирователь 1.2 синусоидального и импульсных сигналов, преобразователь 1.3 последовательного кода в параллельный, плату сбора данных 1.4, ПЭВМ 1.5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 1.6, осциллограф 1.7, мультиметр 1.8 и группу 1.9 вторичных источников питания (ВИП), выходы и входы 1.10…1.16 устройства.
Панель 1.1.6 управления содержит органы 1.1.6.1 управления (например, кнопки со световой индикацией), контрольные гнезда 1.1.6.2 и индикаторы 1.1.6.3 световые.
Чтобы не слишком усложнять схему на фиг. 1 не показаны, не имеющие прямого отношения к рассматриваемому техническому решению, разъемы, кабели, цепи питания и заземления и элементы конструкции устройства 1 и блока 2 АЦП.
Блок 2 АЦП не входит в состав устройства и показан на фиг. 1 (пунктиром) для пояснений, так же, как и входящие в его состав ячейки: 2.1 - аналого-цифрового преобразования, 2.2 - генератора дискретизации, 2.3 - управления и формирования контрольного сигнала, 2.4 - фильтра напряжения питания.
Используемые в устройстве элементы широко применяются в промышленности РФ. В качестве модулятора 1.1.2 - аналогового ключа применяют отечественный ключ 6400КХ014, ОАО «ОКБ-Планета» (www.okbplaneta.ru) или ключ MASWSS0192 фирмы М/А-СОМ (www.macom.com) или аналогичный с большим быстродействием и линейностью, в качестве генератора 1.1.1 несущей опорной частоты и формирователя 1.2 применяют высокочастотный прецизионный кварцевый генератор ГК87-ТС или ГК219-ТС фирмы «Морион». В качестве преобразователя 1.3 последовательного кода в параллельный и платы 1.4 сбора данных используют микросхемы DS92LV18 и 5572ИН1АУ соответственно. Все перечисленные микросхемы и логические микросхемы, широкого применения, могут быть заменены одной микросхемой ПЛИС с соответствующими элементами подключения. Выбор остальных элементов и измерительных приборов не критичен.
Выход 1.1.4 аттенюатора 1.1.3 является радиоиммитационным выходом 1.10 устройства, первая группа выходов панели 1.1.6 управления соединена с соответствующей группой входов формирователя 1.1.5 огибающей ПРИ, группа выходов которого соединена с управляющей группой входов модулятора 1.1.2, выход синусоидального сигнала формирователя 1.2 синусоидального и импульсных сигналов соединен со входами формирователя 1.1.5 огибающей ПРИ и генератора 1.1.1 несущей опорной частоты и с выходом 1.11 синусоидального сигнала устройства, группа выходов импульсных сигналов формирователя 1.2 синусоидального и импульсных сигналов соединена с группой выходов 1.12 сигналов системного управления блока АЦП, вторая группа выходов панели 1.1.6 управления связана с группой входов формирователя 1.2 синусоидального и импульсных сигналов, цифровой вход 1.13 устройства соединен со входом преобразователя 1.3 последовательного кода в параллельный, группа выходов которого связана с платой 1.4 сбора данных и через нее с ПЭВМ 1.5, а через ЦАП 1.6 - с осциллографом 1.7, контрольные гнезда 1.1.6.2 и световые индикаторы 1.1.6.3 панели 1.1.6 управления устройства поразрядно соединены с соответствующими входами группы 1.14 контрольных сигналов устройства, группа 1.15 входов электропитания устройства связана с группой входов ВИП 1.9, группа выходов которых является группой 1.16 выходов электропитания устройства.
Конструктивно устройство 1 кроме измерительных приборов и ПЭВМ выполнен в виде блока на той же базовой несущей конструкции (БНК), что и блок АЦП 2, блок устройства 1 и блок АЦП 2 (при его проверках) размещены в одном типовом шкафу, относящемся также к устройству 1, БНК, таком же, в каком размещен блок АЦП 2 в радиолокаторе, и соединены через стандартные разъемы стандартными кабелями БНК, при этом контрольные гнезда 1.1.6.2 и световые индикаторы 1.1.6.3 панели 1.1.6 управления устройства 1 поразрядно соединены с соответствующими входами группы 1.14 контрольных сигналов устройства 1, предназначенными для приема из контролируемого блока АЦП 2 сигналов его аппаратного контроля (ячейка 2.3 управления и формирования контрольного сигнала), группа 1.15 входов первичного напряжения электропитания устройства 1 связана с группой входов вторичных источников питания (ВИП) 1.9, группа выходов которых является группой 1.16 выходов вторичного напряжения электропитания устройства 1 и контролируемого блока АЦП 2, ВИП 1.9 имеют собственный автоматический контроль исправен/не исправен со световой индикацией на собственном корпусе (на фиг. 1 не показаны, как и внутриблочные связи электропитания в силу их не принципиальности в рамках данной заявки), а при их отказе для их контроля и восстановления используют мультиметр, для связей сигналов выходов радиоимитации 1.10, имитации сигналов системного управления 1.12 и синусоидального 1.11, а также - цифрового входа 1.13 используют высокочастотные кабели с заземленным экраном.
Панель 1.1.6 управления установлена на лицевой части блока устройства 1.
Блок устройства 1 вставляют в шкаф радиолокатора (для проверок АЦП 2 в шкафу его использования), вместо его блока цифровой обработки радиолокационной информации (не нужного в данный момент для работы с АЦП - 2), связывают с блоком АЦП 2, предназначенным для этого кабелем и осуществляют контроль, диагностику и восстановления АЦП 2 на месте его эксплуатации.
Устройство работает следующим образом. Рассмотрим работу устройства 1 на примере реального разрабатываемого авторами в настоящее время стенда для наладки, контроля, диагностики, испытаний и сдачи ОТК и представителям заказчика реальных блоков АЦП 2 радиолокатора. Причем конструктивно устройство 1 представляет собой типовой блок, установленный в типовом шкафу БНК радиолокатора, естественно, при наличии в шкафу стенда свободного места для контролируемого типового блока АЦП 2.
ри
ри
Перед началом использования устройства 1 по своему основному назначению - работе с АЦП 2, осуществляют его самоконтроль в соответствии с его техническими условиями (последовательность операций для проверки), для чего с помощью панели 1.1.6 управления на соответствующих наборниках 1.1.6.1 назначают определенный режим работы и реализуют его с помощью формирователя 1.1.5 огибающей ПРИ и модулятора 1.2, например, в непрерывном цикле длительность радиоимпульсов и период повторения в соответствии с эпюрами «Вых. 1.10» и «Вых. эл. 1.6» фиг. 4 и 5 (подробнее см. прототип) после пуска устройства 1 с этой панели нажатием соответствующей кнопки органов 1.1.6.1 управления, после чего наблюдают свечение индикатора этой кнопки и индикатора поданного на устройство 1 напряжения питания 3ф-220 В-400 Гц через группу 1.15 входов электропитания устройства. Отсутствие свечения индикаторов неисправности вторичных источников 1.9 питания и индикаторов неисправности элементов 1.1…1.4 предварительно соответствует исправному устройству 1. Об окончательной исправности устройства 1 говорит эталонная осциллограмма (см. эпюру «Вых. 1.10» на фиг. 4), полученная на выходе 1.10 устройства с помощью осциллографа 1.7, эталонная спектрограмма при непрерывном выходном синусоидальном сигнале (см. фиг. 3), а также - при использовании выходной ПРИ (см. фиг. 2), полученная на выходе 1.10 с помощью осциллографа 1.7, наделенного режимом построения спектра, соответствующая динамическому диапазону устройства, который должен быть (из опыта авторов настоящего технического решения) не менее 80 Дб. Этому соответствует спектрограмма, представленная на фиг. 2, где динамический диапазон сигнала радиоимитации (D) определяется как разность полезной и паразитной составляющих, т.е.: D =А-В>80.
С - общая спектрограмма для ПРИ.
При неисправности устройства 1 его восстанавливают, используя осциллограф 1.7, мультиметр 1.8 из ЗИП.
При исправном устройстве 1 в его шкаф на соответствующее место устанавливают испытуемый блок АЦП 2 и с помощью соответствующих кабелей и разъемов сочленяют его с устройством 1. При этом входы и выходы 1.10…1.14 и 1.16 устройства 1 соединяются с соответствующими ячейками 2.1…2.4 блока АЦП 2.
Перед пуском стенда с панели 1.1.6 управления обеспечивают подачу на АЦП 2 конкретного типа соответствующих системных сигналов. Например, для одного из реальных блоков АЦП 2 типа ВР-121 для обеспечения его работы необходимо подать на него в качестве системных сигналов следующие конкретные импульсные сигналы: BLANK, NCP, STRB, RO, ТХ, CLK. Эта совокупность сигналов с конкретной взаимосвязанной временной диаграммой реализуется с помощью формирователя 1.2, представляющего собой типичный синхронизатор, состоящий из набора связанных двоичных счетчиков, регистров и дешифраторов.
В режиме автоматизированного экспресс контроля блока АЦП 2 с помощью органов управления на панели 1.1.6 управления устройства 1 в соответствующем режиме запускается процедура экспресс контроля блока АЦП 2. При этом от формирователя последовательности радиоимпульсов (ФПРИ) 1.1 устройства 1. на ячейку 2.1 аналого-цифрового преобразования блока АЦП 2 поступает конкретная заранее определенная последовательность радиоимпульсов, например, в соответствии с осциллограммой «Вых. 1.10», представленной на фиг. 4, формируемая цепочкой из генератора 1.1.1 несущей опорной частоты, модулятора 1.1.2, и аттенюатора 1.1.3 с выходом 1.1.4, управляемой формирователем 1.1.5 огибающей ПРИ. При этом от формирователя 1.1.5 (реализуют на простейшем триггере) на модулятор 1.1.2 поступает последовательность видеоимпульсов (огибающая), формируемая установками на панели 1.1.6 управления (задается длительность видеоимпульсов и период повторения, например, 0,5 мкс и 10 мкс), которая открывает и закрывает модулятор (ключ) 1.1.2, на выходе которого при открытом состоянии формируются соответствующие радиоимпульсы.
Одновременно с этим от формирователя 1.2 через группу выходов 1.12 в блок АЦП 2 поступают связанные единой рабочей временной диаграммой синхроимпульсы, имитирующие системные сигналы управления блоком АЦП 2, а через выход 1.11 синусоидального сигнала устройства 1 данный сигнал поступает на ячейку 2.2 генератора частоты дискретизации блока АЦП 2, формирующую синхротакты дискретизации (опроса) ячейки 2.1, по которым на выходе этой ячейки формируются соответствующие цифровые коды (для другого типа АЦП разрядность может быть другой), представляющие собой реакцию на контрольную ПРИ. Эти цифровые коды, содержащие информацию о техническом состоянии блока АЦП 2 (стабильность и точность формирования цифровых кодов по каждому отсчету дискретизации), последовательным кодом поступают через цифровой вход 1.13 в ячейку 1.3 преобразователя последовательного кода в параллельный устройства 1, откуда поступают на плату 1.4 сбора данных, которые поступают на ЦАП 1.6 и на анализ с помощью ПЭВМ 1.5, на дисплее которой отражается интегральная информация о техническом состоянии проверяемого блока АЦП 2, например, соответствующее его исправному состоянию решение «Исправен», полученное в результате программного анализа всех цифровых кодов. При этом использование ЦАП 1.6 позволяет визуально наблюдать на его выходе правильную работу АЦП 2 с помощью осциллограммы, получаемой на экране осциллографа 1.7 (см. эпюру «Вых. 1.6 на фиг. 5), подтверждающей соответствие использованной радиоиммитации на выходе 1.10 устройства 1.
Детальный анализ цифровых кодов позволяет выявить тонкие особенности конкретного блока АЦП 2, например, пропущенные отсчеты, какие разряды не работают и т.п. Возможности программного анализа выходят за рамки рассматриваемого технического решения и здесь не рассматриваются.
При получении на ПЭВМ 1.5 решения «Не исправен» осуществляют с помощью устройства 1 диагностику блока АЦП 2 - локализацию в нем неисправности и его восстановление. При этом вначале используют средства аппаратурного контроля, заложенные в самом АЦП 2 для удобства и оперативной локализации неисправностей без выемки блока АЦП 2 из шкафа. В АЦП 2 наиболее важные его сигналы от соответствующих контрольных точек (КТ) поступают на ячейку 2.3 управления и формирования контрольных сигналов, которые далее через группу входов 1.14 поступают на панель 1.1.6 управления, причем потенциальные сигналы - на индикаторы 1.1.6.3 световые, а динамические сигналы - на контрольные гнезда 1.1.6.2 устройства 1 для дистанционного анализа технического состояния АЦП 2. По индикаторам 1.1.6.3 световым с помощью технических условий (последовательность операций для проверки) определяют простейшие неисправности, а при невозможности осуществляют анализ динамических сигналов.
Для этого с помощью панели 1.1.6 управления устанавливают режим зацикливания последовательности радиоимпульсов (например, указанных на фиг. 4) и наблюдают с помощью осциллографа 1.7 соответствующие сигналы в характерных контрольных гнездах 1.1.6.2, например, эталонную временную диаграмму на входе 1.13 устройства (фиг. 6). Для других контрольных точек (КТ) в том же режиме работы имеются другие, соответствующие временные диаграммы, которые объединяют попарно «КТ - эпюра» в диагностические таблицы или в деревья локализации неисправностей. Это выходит за рамки настоящего технического решения и здесь не рассматривается.
При безуспешной дистанционной процедуре локализации неисправностей, а также для углубленного детального анализа сигналов не выведенных из блока АЦП 2 (при наладке блока после его изготовления, при прогнозировании условий устойчивой работы блока, различных исследованиях и т.п.) вынимают блок АЦП 2 из шкафа, ставят на столик, соединяют с устройством 1 с помощью удлиненных кабелей (из оснастки стенда), а затем в режиме зацикливания ПРИ, устанавливая подозреваемую ячейку блока на переходник (для обеспечения доступности ЭРИ и контактной системы ячейки), применяя осциллограф 1.7 и мультиметр 1.8, локализуют неисправность с точностью до ЭРИ или связи. При этом используют также из оснастки стенда: переходники ячеек (простой и с подыгрышем), обеспечивающие доступность ЭРИ и связей внутри ячеек для измерительных приборов.
Простой переходник ячейки является простейшим удлинителем, его устанавливают между ячейкой и ее ответным разъемом в блоке, а переходник ячейки с подыгрышем, кроме того, позволяет на любой контакт ячейки подать уровень лог. 1 или лог. 0 или имитированный обрыв или изменяющийся сигнал, например, с выхода 1.10 устройства 1.
Указанные в составе устройства 1 (стенда) измерительные приборы (осциллограф 1.7 и мультиметр 1.8), присутствующие также в ЗИП радиолокатора, являются достаточной минимизацией для локализации любых устойчивых неисправностей. Состав измерительных приборов может быть изменен или расширен, например, до использования различных высокоэффективных анализаторов (анализатор источников сигналов, векторный анализатор сигналов, анализаторы спектра) или путем использования из ЗИП радиолокатора (анализатор источников сигналов и спектра).
Перемежающиеся неустойчивые неисправности выявляют с помощью ПЭВМ 1.5 путем длительного прогона, накопления цифровых кодов на выходе АЦП 2 и их статистической обработке и анализе результатов по соответствующей программе (это выходит за рамки настоящей заявки и здесь не рассматривается).
Важно отметить альтернативную возможность наиболее быстрого восстановления неисправного блока АЦП 2 с помощью имеющегося запасного имущества и приборов (ЗИП) радиолокатора, например, на уровне эталонных ячеек. При наличии 100-процентного ЗИП эталонных ячеек блока АЦП 2 осуществляют повторный контроль блока АЦП 2 после поочередной подмены его ячеек на эталонные аналогичные ячейки до получения положительного исхода контроля и локализации неисправности до ячейки. Однако это не позволяет без устройства 1 локализовать неисправности в связях между ячеек и т.п.