Для переделки в опытный образец ЦКБ-54 выделили один из первых ДБ-3, выпущенных заводом №18 в Воронеже. Доработку выполнял цех завода №39 в Москве, на котором базировалось ильюшинское ОКБ. Машина имела моторы М-85, винты постоянного шага и шасси раннего типа с пневмогидравлическим механизмом уборки. Все это на опытном ЦКБ-54 сохранили.
Собственно говоря, на этом самолете в первую очередь хотели испытать новое вооружение. Опытный ЦКБ-54 был готов в начале 1938 г. После коротких заводских испытаний, проводившихся В.К.Коккинаки, машину перегнали в НИИ ВВС. Там самолет находился с марта по май 1938 г. И на заводе, и в НИИ ЦКБ-54 летал в основном на лыжах. Поскольку у ДБ-3 ранних серий лыжи не убирались в полете (зимой стойки законтривались в выпущенном положении), то летные данные самолета сопровождения особой выразительностью не отличались. Да и комбинация М-85 со старым винтом ЦКБ-26 в 1938 г. уже явилась устаревшей, на заводах на новые ДБ-3 ставили более мощные М-86 с винтами ЦКБ-30.
Куда важнее казалось испытание вооружения ЦКБ-54. Не все оценили равнозначно. Лучше всего показала себя верхняя башенная установка, носовой точкой пользоваться было гораздо менее удобно, а дистанционно управляемый ШКАС в поворотной гондоле забраковали. Поле обстрела у него действительно было очень большим, но под фюзеляжем гондола создавала большое сопротивление и при резких движениях провоцировала раскачку самолета.
Учтя недостатки первого варианта ЦКБ-54, в 1939 г. создали второй. На этот раз за основу взяли более современный бомбардировщик выпуска конца 1938 г. Переделывали машину из 16-й серии завода №39. Эта серия являлась переходной к модификации ДБ-ЗБ. На самолете стояли моторы М-87А и винты изменяемого шага ВИШ-3. Фонарь пилотской кабины был нового, уширенного типа. Все остекление теперь выполнялось из оргстекла, а не из целлулоида.
Комплект стрелкового вооружения отличался от первого варианта. Под-фюзеляжную гондолу убрали, заменив парой блистеров по бортам. В каждом блистере на шкворне стоял пулемет ШКАС с запасом в 260 патронов. В этих бортовых установках частично использовали детали стандартной ЛУ. Последнюю тоже хотели сохранить, но на опытной машине ее не ставили.
Пушечные установки тоже усовершенствовали. Они получили новые прицелы ППУ. Боезапас носовой пушки довели до 220 снарядов. Механизм носовой турели несколько изменили, переделали снарядный ящик. Все ее остекление теперь было из плексигласа. Стреляные гильзы не собирались в гильзоприемник, как раньше, а выбрасывались за борт.
