基于虛擬儀器的微波功率計(jì)自動(dòng)檢定測(cè)試系統(tǒng)

杜愛華,張 珊,李蘇文

(1.船舶重工集團(tuán)公司723所,揚(yáng)州225001;2.船舶重工集團(tuán)公司715所,杭州310000)

0 引 言

微波功率計(jì)具有可測(cè)功率動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、電子對(duì)抗系統(tǒng)中。特別是在雷達(dá)調(diào)試中,微波功率計(jì)已經(jīng)是必不可少的重要工具。配用不同的功率計(jì)探頭組成完整的峰值功率計(jì),可以對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)真實(shí)有效地采樣而進(jìn)行峰值功率測(cè)量。因此對(duì)微波功率計(jì)線性度、穩(wěn)定度的考核特別重要。微波功率計(jì)的測(cè)試點(diǎn)數(shù)多,在功率比對(duì)測(cè)試中需要較長時(shí)間,目前普遍采用的手動(dòng)測(cè)試方法對(duì)此類功率計(jì)進(jìn)行測(cè)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力,使用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)已勢(shì)在必行。本文以AV2433型微波功率計(jì)為例設(shè)計(jì)了對(duì)微波功率計(jì)的自動(dòng)檢定系統(tǒng)。

1 功率計(jì)檢定測(cè)試原理

微波功率計(jì)由功率敏感器和功率指示器組成。AV23200系列功率敏感器為平衡雙二極管檢波方式,通過置入對(duì)應(yīng)的被測(cè)信號(hào)頻率調(diào)用校準(zhǔn)因子完成功率測(cè)量,由一套高穩(wěn)定信號(hào)源裝置對(duì)被檢功率計(jì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳遞檢定。目前普遍采用交替比較法進(jìn)行檢定,如圖1所示,就是用高一級(jí)的微波功率計(jì)與被檢功率計(jì)進(jìn)行比對(duì)。整個(gè)測(cè)試過程主要是將帶穩(wěn)幅系統(tǒng)的信號(hào)源射頻輸出端口連接到一個(gè)精密功分器的輸入端,功分器的2個(gè)等量輸出端分別連接被測(cè)功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)。信號(hào)發(fā)生器輸出頻率設(shè)置成所需的測(cè)量頻率,輸出幅度被設(shè)置為被檢功率計(jì)所能正常顯示的值。保持信號(hào)發(fā)生器輸出功率不變,將被測(cè)功率計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)的頻率設(shè)置與信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng),分別讀出功率指示器讀數(shù)。在每個(gè)頻率點(diǎn)都進(jìn)行標(biāo)稱值與校準(zhǔn)值的比較,根據(jù)功率計(jì)探頭技術(shù)手冊(cè)所提供的指標(biāo),算出允許相對(duì)誤差。

圖1 比較法檢定框圖

2 基于虛擬儀器的微波功率計(jì)自動(dòng)檢定測(cè)試

基于功率計(jì)檢定測(cè)試時(shí),需要記錄輸入與輸出的數(shù)值,同時(shí)需要改變信號(hào)發(fā)生器的功率,相應(yīng)地,測(cè)量功率計(jì)的頻率也要改變,因此存在不可避免的隨機(jī)誤差,儀器的頻繁操作及測(cè)試過程中因?yàn)橐佑|儀器及連接線路,也會(huì)產(chǎn)生一些人為誤差。而使用虛擬儀器結(jié)合高性能硬件可以解決以上不足。在參考原有手動(dòng)測(cè)試的基礎(chǔ)上,筆者提出了新的基于虛擬儀器的功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)。

2.1 硬件組成方案

該系統(tǒng)的硬件由計(jì)算機(jī)、測(cè)量儀器、接口卡和連接電纜組成,如圖2所示。信號(hào)發(fā)生器射頻輸出端連接到精密功分器(Agilent 11667B)的輸入端,功分器的2個(gè)等量輸出端分別連接被測(cè)功率計(jì)(AV2433)和標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)(Giga8542B)。通過USBGPIB接口卡(Agilent82357A)將功率計(jì)與計(jì)算機(jī)連接起來,利用計(jì)算機(jī)對(duì)帶有GPIB接口的儀器實(shí)現(xiàn)操作和控制。軟件采用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)。測(cè)試中信號(hào)源選用VXI總線信號(hào)發(fā)生器,由硬件(主機(jī)箱、控制器和儀器模塊)和軟件組成,具體情況如下:(1)VXI CT-100C型C尺寸5槽主機(jī)箱;(2)零槽控制器Agilent E8491B;(3)外部控制器(便攜式計(jì)算機(jī));(4)Giga50020B、Giga52000B信號(hào)發(fā)生器儀器模塊;(5)LabVIEW8.6軟件。

VXI總線系統(tǒng)即插即用,易于升級(jí)和擴(kuò)展,易于根據(jù)各種現(xiàn)場(chǎng)的需要方便快速地更換模塊、重新組合系統(tǒng)。如采用VXI功率計(jì)模塊,整個(gè)檢定測(cè)試系統(tǒng)全部集成到VXI主機(jī)箱中,可方便地完成現(xiàn)場(chǎng)檢定測(cè)試功能。根據(jù)VXI總線靈活的控制方式,在這里采用常用的VXI-1394控制方案。通過Agilent E8491B(VXI-1394)與計(jì)算機(jī)連接,如圖2所示。

2.2 軟件組成

圖2 基于虛擬儀器的微波功率計(jì)自動(dòng)檢定系統(tǒng)硬件連接圖

測(cè)試系統(tǒng)的軟件采用 LabVIEW8.6(圖形化的編程環(huán)境)軟件開發(fā)。主要內(nèi)容包括對(duì)儀器通訊(驅(qū)動(dòng)和控制)和自動(dòng)檢定過程進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)對(duì)儀器通訊采用VISA編程方式,VISA是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系的簡稱,它是在LabVIEW8.6平臺(tái)上控制VXI、GPIB以及其他種類儀器的單接口程序庫。VISA功能模塊使用了VISA session參數(shù),VISA資源名稱是儀器I/O會(huì)話句柄的唯一標(biāo)識(shí)引用句柄,指出了VI通信的設(shè)備,并傳遞所有需要的配置信息,以進(jìn)行I/O操作。

通訊子VI包括VISA Open(打開通訊過程)、VISA Write(把數(shù)據(jù)串寫入指定設(shè)備)、VISA Read(從指定設(shè)備中讀入數(shù)據(jù))、VISA Close(關(guān)閉由VISA session指定設(shè)備的通訊過程,釋放系統(tǒng)資源)等功能模塊。采用VISA標(biāo)準(zhǔn),就可以不考慮時(shí)間及儀器接口的選擇,對(duì)驅(qū)動(dòng)程序可以相互兼容使用。在初始VI中,從VISA資源名稱下拉列表中選擇VISA資源名稱。連接至計(jì)算機(jī)的處于上電狀態(tài)的儀器都將出現(xiàn)在VISA資源名稱下拉列表中。

檢定測(cè)試過程先控制信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào),在功率計(jì)上分別進(jìn)行測(cè)量參數(shù)設(shè)置、讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較分析輸出結(jié)果,然后再返回下一個(gè)測(cè)試頻率點(diǎn),直到完成所有點(diǎn)的測(cè)量。

根據(jù)功率計(jì)檢定工作的特點(diǎn),在LabVIEW8.6中采用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)——該模板用于生成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式。每個(gè)狀態(tài)執(zhí)行其代碼并決定下一個(gè)狀態(tài)。采用狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模式也便于以后測(cè)試功能擴(kuò)展。

根據(jù)需要,設(shè)定4種狀態(tài)——初始化、信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置、功率計(jì)測(cè)試參數(shù)設(shè)置、結(jié)束。先進(jìn)行功率計(jì)的自檢測(cè)試,完成后進(jìn)入信號(hào)發(fā)生器參數(shù)設(shè)置狀態(tài),在功率計(jì)測(cè)試參數(shù)設(shè)置狀態(tài)完成數(shù)據(jù)讀取、顯示、分析、輸出結(jié)果并判斷下一個(gè)狀態(tài)。程序流程圖如圖3所示,軟件部分代碼示意圖如圖4所示。

圖3 軟件流程圖

3 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過與原來手動(dòng)測(cè)試結(jié)果比較,新型自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)自動(dòng)化程度較高。原先手動(dòng)記錄數(shù)據(jù),代入公式,用計(jì)算器完成計(jì)算;新型自動(dòng)檢定測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成檢定測(cè)試并自動(dòng)計(jì)算顯示。

(2)大大提高測(cè)試效率。減少了人為頻繁重復(fù)操作,縮短測(cè)試時(shí)間,手動(dòng)操作需要30 min,而現(xiàn)在自動(dòng)檢定測(cè)試只需2 min。

(3)操作簡單,界面設(shè)計(jì)人性化。圖5為實(shí)際測(cè)試界面,結(jié)果在右面顯示,一目了然。界面可保存成Word文檔。

圖4 軟件代碼示意圖

圖5 測(cè)試界面示意圖

4 結(jié)束語

本文分析了微波功率計(jì)的檢定特點(diǎn),利用VXI總線、GPIB總線技術(shù)可以快捷地把計(jì)算機(jī)和信號(hào)發(fā)生器、功率計(jì)連接起來,基于LabVIEW軟件構(gòu)建成一套自動(dòng)檢定測(cè)試系統(tǒng),大大提高了測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化程度,并能顯著地提高測(cè)試工作的效率及測(cè)試準(zhǔn)確度。

[1]劉剛,王立香,張連俊.LabVIEW8.20中文版編程及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2]陳冠玲.基于GPIB接口的功率測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2008,45(9):15-16.