基于IVI技術(shù)的混頻器自動測試系統(tǒng)設(shè)計①

　　摘要設(shè)計了一個基于IVI技術(shù)的混頻器自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩臺GPIB接口的信號源作為混頻器的本振、射頻信號輸入，用一臺GPIB接口的頻譜儀測量混頻器的中頻輸出功率電平，然后按照混頻器性能指標計算、分析、判定，得到測試結(jié)果。按照IVI設(shè)計規(guī)范，設(shè)計了系統(tǒng)儀器的IVI類驅(qū)動和IVI專用驅(qū)動，能夠在不修改上層應(yīng)用程序的情況下實現(xiàn)同類儀器的互換。系統(tǒng)還設(shè)計了系統(tǒng)儀器、連接線損的誤差補償，提高了測試結(jié)果的準確度。
　　關(guān)鍵詞混頻器 自動測試系統(tǒng)GPIBIVI
　　中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2011)05(a)-0000-00
　　
　　1 概述
　　在電路中，混頻就是變頻，即頻率的變換[1]?；祛l器作為一種多頻工作器件，主要用作頻率變換，被廣泛應(yīng)用于射頻和微波電路系統(tǒng)中。由于混頻器是多端口器件，并且輸入和輸出處于不同的頻率，因此混頻器的測量一直以來都是測量領(lǐng)域中的一個難點[2]。
　　混頻器件是一類三端口器件，按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單端混頻器、單平衡混頻器、雙平衡混頻器、三平衡混頻器和鏡像抑制混頻器等?；祛l器在本振功率的驅(qū)動下將射頻信號變?yōu)橹蓄l信號(下變頻) ，或者將中頻信號變?yōu)樯漕l信號(上變頻)。無論那種工作模式，混頻器在工作的時候都需要有兩路信號同時輸入，在第三個端口輸出信號。因此，對混頻器的測試，如果采用傳統(tǒng)的方法，在混頻器的工作頻段內(nèi)按設(shè)置的頻率點依次輸入本振、射頻信號，并測試輸出信號，操作人員至少需要同時操作兩臺儀器，工作量大，費時費力，且容易引入認為誤差。因此，人們除了對混頻器測試方法進行研究[3][4]之外，還設(shè)計了自動測試平臺來實現(xiàn)混頻器的自動測試 [2][5]。
　　在已有的這些測試系統(tǒng)中，一般都是采用幾臺具體型號的程控儀器，然后根據(jù)這些儀器的程控指令，按照混頻器的測試流程控制儀器完成測試[2][5]。如果測試儀器發(fā)生了改變，則系統(tǒng)程序也需要修改，不能實現(xiàn)系統(tǒng)儀器的可互換，給實際應(yīng)用帶來不便。本文采用可互換虛擬儀器技術(shù)(Interchangeable Virtual Instrument，IVI)，當(dāng)測試儀器發(fā)生改變時，只需要更換采用相應(yīng)儀器的IVI驅(qū)動就可以了。
　　
　　2 混頻器性能指標
　　混頻器的基本性能指標包括變頻損耗、隔離度、交調(diào)抑制比等[1][2][4]。下面是對這幾個性能指標和測試方法做簡要說明。
　　2.1 變頻損耗
　　變頻損耗是將輸入射頻信號轉(zhuǎn)換成輸出中頻信號的混頻器效率的量度，定義為：混頻器的輸入射頻功率與混頻器的輸出中頻功率之比，計為 ，即：
　　2.2 隔離度
　　隔離度是混頻器各端口相互影響程度的度量。混頻器有三個外接端口，在一般情況下，各對應(yīng)端口之間的隔離度是分別進行測量的。但由于信號電平總是遠小于本振電平，所以只需要考慮本振端口與中頻輸出端口(LO-IF)及本振端口與信號輸入端口(LO-RF)之間的隔離度。測試的時候，要求在不用的端口接50Ω匹配負載。若測量結(jié)果的隔離度高，即表示混頻器各個端口間的“泄露”或者“穿通”量很小。
　　2.3 交調(diào)抑制比
　　微波混頻器的交調(diào)抑制比是指微波混頻二極管的非線性作用，產(chǎn)生互調(diào)干擾，即：
　?、?br/>　　其中m、n為任意整數(shù)，代表兩個信號的諧波次數(shù)，m+n為互調(diào)階數(shù)。當(dāng)m=1，n=1時為二階互調(diào)干擾；當(dāng)m=2，n=1或者m=1，n=2時為三階互調(diào)干擾。在使用中要求對互調(diào)干擾信號進行抑制。三階互調(diào)干擾是互調(diào)干擾中幅值最強的[1]，所以在混頻器交調(diào)抑制測試的時候，常常只測試三階交調(diào)抑制比[4][5]。
　　2.4 測試方法
　　從以上幾個混頻器測試指標可以看出，在進行混頻器測試的時候，需要給混頻器兩個端口輸入信號，而在輸出端口測試輸出信號。混頻器的測試有功率計法、網(wǎng)絡(luò)分析儀法、和頻譜分析儀法等多種方法[2]，考慮到儀器的通用性，本文亦采用頻譜分析儀法，其基本測試模型如圖1所示。
　　測試時使用兩臺信號源將一定頻率的射頻信號(RF)和本振信號(LO)作為混頻器的輸入，在中頻輸出端(IF)使用頻譜分析儀測量相應(yīng)頻率的輸出信號電平，然后按計算相應(yīng)的測試指標。
　　因為混頻器的類型和用途不同，有時也會測試一些專用性能指標，如幅頻特性、延遲特性等。有關(guān)混頻器更多的性能指標和測試方法請參閱文獻[1][3]。
　　
　　3 系統(tǒng)組成
　　3.1 硬件平臺
　　系統(tǒng)采用兩臺可程控信號源作為信號輸入儀器，一臺可程控頻譜儀作為信號測試儀器，采用GPIB(General Purpose Interface Bus，通用接口總線)線纜將這三臺儀器與插接GPIB接口卡的計算機連接起來，構(gòu)成系統(tǒng)的硬件平臺，如圖2所示。
　　系統(tǒng)中使用了數(shù)據(jù)庫，將按具體測試方法分析所得的測試頻率點保存在數(shù)據(jù)庫中，在進行混頻器測試時將按此設(shè)置進行測試；同時也將測試結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，以便對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。系統(tǒng)還配置了打印機，按照一定的要求設(shè)計打印程序，這樣可以在產(chǎn)品測試完成后按規(guī)定格式生成產(chǎn)品測試報告并直接打印。
　　3.2 軟件平臺
　　系統(tǒng)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫作為后臺支撐，在微軟的Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境中，使用C#作為開發(fā)語言，設(shè)計混頻器自動測試程序。
　　
　　4 IVI技術(shù)
　　通用自動測試系統(tǒng)(Automated Test System，ATS) 設(shè)計是目前各國軍方勢力發(fā)展的方向，其中儀器互換性作為通用A TS設(shè)計的重要指標也顯得格外重要[6]?；祛l器自動測試系統(tǒng)也存在儀器互換的問題。如原來的測試儀器損壞，而該儀器已經(jīng)停產(chǎn)無法再購買，或者將儀器送到計量檢定單位進行檢定期間，都期望能夠用類似的儀器來替代，不影響測試系統(tǒng)的正常運行。而不同的儀器其程控指令不盡相同，替換了儀器之后，常常都需要修改原來的測試程序才能正確的控制新的程控儀器完成系統(tǒng)功能，這會增大系統(tǒng)維護費用，縮短系統(tǒng)的生命周期。
　　本系統(tǒng)采用了IVI技術(shù)實現(xiàn)儀器的可互換。在用新的儀器替換原有儀器的時候，只需要使用新儀器的IVI驅(qū)動就可以了。IVI系統(tǒng)包括IVI類驅(qū)動器、IVI專用驅(qū)動器、IVI引擎等，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　IVI 類驅(qū)動器是儀器的功能和屬性集，通過這些功能和屬性集實現(xiàn)對一種儀器類(示波器、數(shù)字電壓表、函數(shù)發(fā)生器等) 中的儀器進行控制。應(yīng)用測試程序調(diào)用類驅(qū)動器，再由類驅(qū)動器調(diào)用專用驅(qū)動器來控制實際的儀器。而在類驅(qū)動器中不涉及具體儀器的程控指令，這些指令都是封裝在專用驅(qū)動器中的。因此即使測試系統(tǒng)中的具體儀器發(fā)生了變化，只需要改變專用的儀器驅(qū)動器(和對應(yīng)的物理儀器) ，不會使調(diào)用類驅(qū)動器的測試程序代碼受到影響。如果該新儀器的專用驅(qū)動已經(jīng)設(shè)計好了，就只需要使用配置實用程序修改IVI配置信息文件中的配置設(shè)計，這樣IVI類驅(qū)動就調(diào)用新的儀器專用驅(qū)動，控制新儀器實現(xiàn)系統(tǒng)功能了。
　　
　　5 軟件設(shè)計
　　5.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計
　　混頻器測試需要對該混頻器的工作頻段按頻率點進行逐點測試。頻率點選擇過多，會造成產(chǎn)品測試時間長，影響工作速度；頻率點選擇過少，會造成漏測，影響產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)設(shè)計了一個測試點集，包括所有產(chǎn)品的測試頻率點，然后建立了一個測試模板集，一個測試模板包括測試頻點集中的選定測試點，再將某個型號的產(chǎn)品和一個測試模板聯(lián)系起來。這樣，只要選定了某個型號的產(chǎn)品，系統(tǒng)就自動按照與該產(chǎn)品聯(lián)系的模板中的測試點進行測試。系統(tǒng)中的這幾個主要實體，產(chǎn)品、測試模板、測試點之間的實體-聯(lián)系模型(E-R模型)如圖4所示。
　　
　　產(chǎn)品和測試模板之間是一對多的關(guān)系，而測試模板和測試點之間是一個多對多的關(guān)系。根據(jù)此分析，系統(tǒng)設(shè)計了產(chǎn)品、模板、測試點、模板-測試點等幾個關(guān)系模式。
　　5.2 測試程序設(shè)計
　　按照前面對混頻器性能指標分析及測試方法描述，對混頻器的主要性能指標的測試操作包括兩個信號源的輸入控制和一個頻譜儀的信號測試，測試流程按照具體指標的測試方法進行。對測試所得的數(shù)據(jù)還需要進行分析比較，得出該頻率點測試結(jié)果是否合格的測試結(jié)論，然后保存這些測試數(shù)據(jù)，再自動選擇下一個測試頻點進行測試。測試流程中的主要操作如圖5所示。
　　系統(tǒng)測試沒有采用掃頻模式，而是使用點頻的方式，對每個測試頻點的技術(shù)指標進行精確測試。RF信號源和LO信號源的根據(jù)測試需求設(shè)置默認的電平值，一般分別為-10dBm和7dBm。該電平值可以在程序中進行設(shè)置，以滿足特殊產(chǎn)品和特殊測試的需要。測試的時候，為保證信號源的信號輸出達到穩(wěn)定，且頻譜儀也已經(jīng)對穩(wěn)定的混頻器輸出完成一次完整測試，在信號輸出后設(shè)計了一個特定的延時，并在讀取頻譜儀上的功率電平值時，使用了頻譜儀的掃描控制功能，待掃描完成后才能讀數(shù)。
　　一個產(chǎn)品的所有頻率點都測試完成后，將該產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)和計算后的測試結(jié)論保存到數(shù)據(jù)庫中，并根據(jù)用戶的需要，調(diào)用指定的產(chǎn)品測試報告模板，將測試結(jié)果按照一定的格式生成測試報告并自動打印出來。
　　測試程序按照IVI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)儀器的可互換性。按IVI的設(shè)計理念，在測試程序中調(diào)用IVI類驅(qū)動代碼，然后在配置文件中設(shè)置儀器專用驅(qū)動器的相關(guān)信息，如IVI邏輯名、IVI驅(qū)動文件等，IVI類驅(qū)動器根據(jù)指定的IVI邏輯名調(diào)用相應(yīng)的IVI專用驅(qū)動，從而實現(xiàn)儀器的控制。
　　5.3 誤差處理
　　混頻器測試不可避免的存在測量誤差。由于采用自動測試，儀器的設(shè)置、讀數(shù)都通過程控方式，均由儀器自己本身的所提供的功能來完成，這樣就避免了人工操作、讀數(shù)所帶來的人為誤差。因此，該系統(tǒng)的主要測量誤差來自于儀器連接接頭、電纜，以及儀器本身的誤差，如輸出電平、頻譜儀測量值的誤差等。
　　為了盡可能的減小測量誤差，以最大程度的保證測試結(jié)果的準確、可靠，系統(tǒng)除了在測試時采用多次掃描平均的方式外，還對每臺儀器和每根測試電纜都設(shè)置了誤差補償值。該補償值可在測試前由專業(yè)的計量檢定機構(gòu)對儀器設(shè)備進行校準得到。將測得的誤差補償值設(shè)置在測試系統(tǒng)中，測試程序在每一次測試之后都會使用該補償值進行補償。系統(tǒng)經(jīng)實際運行測試驗證，該方法有效減小了測量誤差，提高了測試結(jié)果的準確度。
　　
　　6 結(jié)論
　　本系統(tǒng)使用兩臺信號源和一臺頻譜儀構(gòu)建了一個自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)混頻器主要性能參數(shù)的自動測試、計算、判定、保存，以及打印等功能。系統(tǒng)軟件開發(fā)采用了IVI技術(shù)，可在不改變上層應(yīng)用程序的情況下，用類似功能的儀器替換系統(tǒng)現(xiàn)有儀器，實現(xiàn)系統(tǒng)儀器的可互換性，降低系統(tǒng)的維護成本，延長了系統(tǒng)的使用壽命。系統(tǒng)還針對測試連接電纜、接頭的損耗和儀器輸出、測量誤差設(shè)置誤差補償，有效減小了測量誤差，提高了測試精度。經(jīng)實際運行驗證，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，有效提高了混頻器測試效率和精度。
　　
　　參考文獻
　　[1]