Методы контроля и измерений составных частей бортового радиотехнического комплекса

Полный текст

Введение

Основными задачами бортовых радиотехнических комплексов (РТК) является прием и передача сигнала, обработка и анализ полученных данных, измерение и преобразования информации. Надежность и эффективность бортового РТК во многом определяется качеством изготовления составных частей РТК, т. е. входящими в его состав узлами, модулями, блоками. Затраты на выявление и замену узлов, не соответствующих техническим требованиям, многократно возрастают при обнаружении отказа на каждой последующей стадии производства и эксплуатации.

В связи с этим большое значение на данном этапе приобрели вопросы контроля качества и надежности модулей первого, второго и третьего уровня бортовой аппаратуры, а также электронной компонентной базы [1; 2]. Контроль проводят при проектировании, производстве и на других этапах жизненного цикла изделий. Особую актуальность они приобретают на этапах автономных и комплексных испытаний [3]. Испытания как основная форма контроля изделий представляет собой экспериментальное определение его количественных и качественных показателей при воздействии на него различных факторов в процессе функционирования и при его моделировании.

Проблема повышения производительности и достоверности приемочного контроля и измерений составных частей бортового РТК является актуальной. Одним из способов повышения надежности и эффективности бортовых радиотехнических комплексов является применение методов автоматизированного контроля и измерений.

1. Общие сведения о составе бортового РТК

Основные устройства, входящие в состав РТК и исследуемые в настоящей работе, представлены на рис. 1.

 

Рис. 1. Базовые устройства бортового радиотехнического комплекса: БОУ – блок управления и обработки; ПРМ – приемный модуль; МОС – модуль обработки сигналов; МФС – модуль формирования сигналов; МВВ – модуль ввода/вывода; ЦП – центральный процессор; ПМ – пеленгационный модуль; ОШ – общая шина; ППАМ – приемо-передающий антенный модуль

Fig. 1. Basic devices of the onboard radio-technical complex: CaPU – control and processing unit; RM – receiving module; SPM – signal processing module; SGM – signal generation module; IOM – input/output module; CPU – central processing unit; DFM – direction finding module; CM – common bus; TRAM – transmit-receive antenna module

 

Блок обработки и управления БОУ представляет собой совокупность модулей в конструктивном исполнении с использованием модульной архитектуры VPX и международных стандартов VITA46/48/62/65/67 [4]. Связь между модулями осуществляется по общей шине ОШ с использованием различных интерфейсов.

Для приема радиосигналов БОУ имеет несколько радиочастотных (РЧ) входов, которые подключены к приемным модулям ПРМ. Модули ПРМ осуществляют преобразование радиосигналов РЭС по несущей частоте из РЧ диапазона в диапазон ПЧ модуля обработки сигналов МОС. МОС осуществляет обнаружение радиосигналов, измерение их параметров и формирование дескрипторов обнаруженных сигналов, которые передаются в ЦП по интерфейсу Ethernet. Модуль формирования сигналов МФС формирует ответные сигналы, которые поступают в передающий модуль ПРД, осуществляет перенос сигналов из диапазона ПЧ модуля МФС в РЧ диапазон и передачу сигнала в приемо-передающий антенный модуль ППАМ. Далее сигнал излучается в пространстве ПРД, входящими в состав ППАМ.

2. Обзор методов контроля и измерений составных частей РТК

Проектирование и производство составных частей РТК предполагает постоянное получение сведений об их качестве на всех стадиях – от начала проектирования до серийного изготовления. Существенная роль в этом процессе отводится тестированию. Оно выполняется как в процессе производства, так и на этапе приемо-сдаточных испытаний продукции.

Измерения и контроль также тесно связаны друг с другом, близки по своей информационной сущности и содержат ряд общих операций (например, сравнение, измерительное преобразование). В то же время эти процедуры во многом различаются, а именно: результатом измерения является количественная характеристика, а контроля – качественная (логическое заключение типа «годен» – «не годен» и т. п.); измерение осуществляется в широком диапазоне значений измеряемой величины, а контроль – обычно в пределах небольшого числа возможных значений; контрольные приборы, в отличие от измерительных, применимы для проверки состояния изделий, параметры которых заданы и изменяются в узких пределах; основной характеристикой качества процедуры измерения является точность, а процедуры контроля – достоверность [5; 6].

Сущность контроля заключается в проведении двух основных операций:

1. Получение информации о фактическом состоянии объекта, о признаках и показателях его свойств.
2. Сопоставление первичной информации об объекте с установленными требованиями с целью обнаружить соответствие или несоответствие фактических параметров требуемым.

 

Рис. 2. Методы контроля составных частей РТК в процессе производства

Fig. 2. Methods for controlling the components of the REC in the production process

 

Контроль составных частей РТК в процессе производства можно реализовать на базе следующих методик и технологий (рис. 2) [7; 8]:

1. Визуальный автоматизированный контроль, в том числе с использованием рентгеновского излучения, позволяющий провести предварительную проверку качества на разных стадиях монтажа печатных плат.
2. Внутрисхемный контроль, позволяющий проверить соединения и компоненты на печатной плате, провести анализ электрических цепей всей схемы либо отдельных ее участков.

Данный метод использует контакт пробников с узлами собранной платы: это может быть, как стационарное поле контактов («ложе гвоздей»), так и «летающие пробники», или «летающие матрицы». Часто требует использования сложного и дорогостоящего оборудования, технологической подготовки, изготовления специальной оснастки.

3. Периферийное (граничное) сканирование по технологии JTAG при наличии интерфейса IEEE 1149 в хотя бы одном из компонентов, установленных на плате. Позволяет локализовать такие технологические дефекта, как обрыв, непропай выводов BGA компонентов, короткое замыкание, контрафактный компонент.
4. Функциональное тестирование - проверка собранных или частично собранных устройств на выполнение заданной функциональности и на соответствие параметрам, которые заложены в технических требованиях на устройство.

Все перечисленные методики позволяют оценить качество составных частей РТК в процессе производства, однако в некоторых случаях тестирование проводится только на финальном этапе. Это так называемое тестирование после окончательной сборки - проверка функциональности и соответствия техническим требованиям. На данном этапе производится оценка не только качества, но и стабильности работы и надежность составных частей РТК.

Входящие в РТК модули имеют достаточно много электрических параметров, которые могут быть измерены в процессе настройки и проверки работоспособности на заключительной стадии. Выбор контролируемых параметров и соответственно методик их измерения осуществляется на стадии разработки конструкторской документации, и указываются в технических условиях (ТУ) на них. Среди основных параметров, можно выделить коэффициент усиления K_y неравномерность коэффициента передачи DK_пер  точность установки фазового сдвига dj выходная мощность P_вых , точка компрессии по входу IP_1ДБ или выходу OP_1ДБ уровень фазовых шумов L(f_m) Все указанные параметры могут быть измерены с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ). Богатый набор измерительных приложений и гибкость архитектуры позволяют реализовать принцип «одно подключение – комплекс измерений».

Измерение коэффициента усиления K_у основано на измерении S-параметров, в частности параметра S₂₁ – коэффициента передачи, или отношения волны на выходе тестируемого устройства к волне на входе.

Неравномерность коэффициента передачи DK_пер   определяется как разность между максимальным и минимальным значением коэффициента передачи в рабочем диапазоне частот. Измерения проводятся при измерении K_у на той же трассе в текущий момент времени с помощью маркеров.

Измерение точности установки фазового сдвига  осуществляется с помощью ВАЦ в режиме измерения S-параметров, но измерения проводятся в формате «Phase» (фаза).

Выходная мощность P_вых измеряется с помощью ВАЦ в режиме «Анализатор спектра» или с помощью измерителя мощности, подключенного к ВАЦ по USB порту.

Для измерения точка компрессии по входу IP_1ДБ  или выходу OP_1ДБ  используется приложение «Измерения компрессии коэффициента усиления» ВАЦ.

Для измерения уровня фазовых шумов предлагается использовать ВАЦ с возможностью измерения в режиме анализатора спектра. Стимулирующий сигнал подается на вход модуля и на выходе измеряется мощность сигнала и спектральная плотность шума на заданной отстройке от несущей с помощью маркера «Band Noise».

Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что для успешного решения задачи измерений с помощью ВАЦ необходимо применять такие методы измерений, решающие основные измерительные задачи, которые позволяют максимально упростить структуру радиочастотного тракта, в том числе минимизировать количество соединений, использовать прецензионные по точности изготовления компоненты измерительного тракта и средства калибровки.

3. Разработка методики контроля и измерения электрических параметров в процессе производства

Достоверность результатов испытаний и контроля качества во многом определяется правильным выбором средств и методов испытаний, качеством методик выполнения измерений. Для проведения испытаний необходимы измерительные комплексы, способные проверять выполнение общих и конкретных требований к продукции. В состав комплексов входят средства измерений и технического оснащения.

В ходе серийного выпуска составных частей РТК требуется снизить трудозатраты, увеличить скорость настройки и измерений электрических параметров модулей. В настоящее время действующие стенды и методы измерения электрических параметров, включают в себя большое количество приборов и множество коммутаций. Для каждого параметра необходимо производить рассоединение и обратное соединение приборов, что приводит к снижению точности измеренных значений параметров, износу соединительных кабелей и радиочастотных переходов, а также к увеличению времени, затраченного на измерение параметров. При таком подходе все получаемые данные записываются в протокол испытаний вручную.

Для автоматизации измерений и исключения всех вышеперечисленных операций из производственного процесса, было разработано автоматизированное рабочее место (АРМ), в состав которого интегрировано контрольное и измерительное оборудование, управляемое специальным программным обеспечением - программным комплексом с общим интерфейсом оператора [9].

Для управления процессом тестирования разработан программный комплекс, который в автоматизированном режиме устанавливает необходимые режимы работы модулей и подает с ВАЦ стимулирующий сигнал в соответствии с заданными параметрами. После окончания тестирования формируется и выводится на печать протокол испытаний. Если проводятся испытания модулей на соответствие ТУ, то протокол формируется в соответствии с ГОСТ.

Тестовая последовательность разрабатывается с помощью среды для организации автоматизированного тестирования NI TestStand, а подпрограммы, управляющие режимами работы изделий, с помощью С/С++ и средствами графической разработки NI LabVIEW.

Разработан алгоритм автоматизированного контроля и испытаний, блок-схема которого приведена на рис. 3. После самотестирования аппаратной части АРМ и ввода необходимой информации запускается пошаговый цикл контроля параметров модуля, начинающийся с подключения тестируемого устройства к АРМ и заканчивающийся составлением протокола испытаний и сообщением о годности или не годности по совокупности измеренных значений параметров.

Результатом автоматизированного многопараметрического контроля является как измеренное значение, так и одно из взаимоисключающих утверждений для каждого параметра:

Заключительный вывод о работоспособности объекта контроля делается автоматически после окончания измерения всех параметров в виде всплывающего диалогового окна, содержащего взаимоисключающее утверждение «Контроль успешно пройден» – «Контроль не пройден».

 

Рис. 3. Блок-схема алгоритма автоматизированного контроля составных частей РТК

Fig. 3. Block diagram of the algorithm for automated control of REC components

 

Заключение

Разработан метод автоматизированного многопараметрического контроля составных частей бортового РТК. АРМ реализует следующие функции:

• функциональный электрический контроль цепей и узлов РЧ модулей, а также РЧ изделий в целом. Данный вид контроля подразумевает подачу электропитания и определенных комбинаций входных тестовых сигналов на отдельные узлы и цепи или РЧ модули в целом с целью контроля правильности функционирования узлов, цепей или модулей путем проверки получаемых выходных сигналов на соответствие ТУ;
• электрический контроль целостности цепей и узлов РЧ модулей. Данный вид контроля включает в себя контроль отсутствия видимых и скрытых дефектов в виде коротких замыканий и разрывов, дефектов паяных соединений, а также контроль целостности внутренней структуры компонентов;
• программирование цифровых компонентов, (ПЛИС, FLASH-память, микроконтроллеры и др.);
• проведение комплексных испытаний РЧ модулей c возможностью выбора отдельных тестов на этапе регулировки и настройки РЧ модулей;

проведение комплексных испытаний антенн и антенных решеток.

Об авторах

Алексей Владимирович Куликов

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Автор, ответственный за переписку.
Email: avksam@mail.ru

аспирант кафедры конструирования и технологии электронных систем и устройств

Россия, 443086, Самара, Московское шоссе, 34

Список литературы

Дополнительные файлы