基于LabVIEW的低噪聲放大器增益壓縮自動測量

陳祥龍，田小建

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

功率計是微波射頻測試中的常用儀器，它在幅度測量方面的精度高、動態(tài)范圍大，因而深受廣大測試者歡迎，成為微波測試領(lǐng)域的常用儀器。但是功率計只能點對點測量，不能圖形化顯示動態(tài)數(shù)據(jù)，不能連續(xù)的測量變化量，這些缺點限制了其應(yīng)用。本文以低噪聲放大器增益壓縮特性自動測量為例，介紹的基于LabVIEW的儀器控制[1]方法，可以利用LabVIEW軟件通過總線實現(xiàn)對儀器的遠程控制測量，使信號發(fā)生器和功率計協(xié)同有序的工作，并自動記錄和保存數(shù)據(jù)到計算機，借助計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力直接得到測試曲線，進而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和圖形的實時同步顯示，有效地擴展了功率計的功能。更重要的是，程序可讀性強、便于修改、易于移植，可以一勞永逸地使用，對于不同工作頻段、不同特性的被測器件的測試，只要對程序的輸入?yún)?shù)進行重新設(shè)定就可以實現(xiàn)，可以大大提高工作效率。

1 增益壓縮及逐點測量法簡介

低噪聲放大器，在射頻和微波系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，常用作各類無線電接收機的高頻或中頻前置放大器。在低噪聲放大器的應(yīng)用和研發(fā)過程中，離不開對其性能參數(shù)的測量。放大器的性能參數(shù)中，增益壓縮是指放大器的增益隨輸入電平提高而降低的特性，常用1 dB增益壓縮點[2]來表征，即放大器的增益比線性增益低1 dB時的輸出功率，或者被壓縮1 dB時的輸出功率P1dB。表示為：

它是放大器的一項重要指標(biāo)，反映了放大器的輸出能力和動態(tài)范圍。因此如何測量1 dB增益壓縮點輸出功率是很多人關(guān)注的事情。1 dB增益壓縮點的測量，方法很多，有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功率掃描法、頻譜分析儀雙信號法、功率計逐點測量法等。在這些方法中，功率計逐點測量法因其測試精度高、系統(tǒng)簡單、設(shè)備要求少等優(yōu)點，常常被測試者所選用。功率計逐點測量法測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 放大器增益壓縮點測試系統(tǒng)Fig.1 Amplifier gain compression point test system

測試過程如下：設(shè)置信號發(fā)生器的工作頻率為放大器的中心頻率，逐步增大信號發(fā)生器的輸出信號幅度，使放大器由線性放大區(qū)逐步進入非線性區(qū)，分別記錄功率計在各測量點對應(yīng)的測量值，最后根據(jù)這些測量值繪制出放大器輸出功率或增益隨輸入信號幅度的變化曲線，進而得到放大器的增益壓縮點。

這種方法看似簡單，但是過程繁瑣，需要反復(fù)設(shè)置信號源輸出信號幅度和記錄功率計讀數(shù)，測試完成后還需要利用作圖法才能求出增益壓縮點。如果需要測量不同頻率點上增益壓縮點的話，過程更為復(fù)雜，工作量更大。這一點筆者在做測試的工作中深有體會。于是筆者想到使用LabVIEW儀器控制的方法實現(xiàn)自動化測量，借助LabVIEW軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力直接得到測試曲線。這樣不但可以提高工作效率，而且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖形的實時同步顯示。

2 自動測試系統(tǒng)的構(gòu)建

儀器控制，就是通過計算機上的軟件以及某種形式的總線，按照某種協(xié)議，與各種測量儀器進行通信和控制。它使儀器與計算機協(xié)同工作，這樣即可以有效地利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示及存儲能力，又可以極大地擴展原有儀器的功能。一個完整的儀器控制系統(tǒng)應(yīng)該由軟件和硬件兩部分組成[3-4]。

2.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

硬件部分除了測試儀器、待側(cè)器件和計算機外，還應(yīng)該包括必要的總線和接口卡。本文所選用的總線形式為GPIB總線，所用GPIB接口卡為ADLINK公司的PCI-3488，信號源為安捷倫公司的E4438C，功率計是安捷倫的E4419B，功率計探頭為安捷倫的E4412A。系統(tǒng)的硬件構(gòu)架如圖2所示。

圖2 自動化測量系統(tǒng)的硬件構(gòu)架Fig.2 Hardware architecture of the automated measurement system

LabVIEW軟件支持以下總線形式：串口、并口、GPIB、VXI、PXI、以太網(wǎng)、SCSI以及CAMAC等。

選用哪種總線一般要考慮一下幾點：1）連接端子與線纜情況（如端子數(shù)量、接口形式、線纜長度限制等）；2）電氣特性（如信號電壓范圍、接地形式等）；3）通信協(xié)議（如協(xié)議類型、數(shù)據(jù)形式、命令類型等）；4）驅(qū)動程序（是否容易使用，與現(xiàn)有開發(fā)平臺是否兼容等）。

2.2 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

文中采用的軟件開發(fā)方式是利用儀器驅(qū)動程序。儀器控制程序是在應(yīng)用層面對儀器底層工作細節(jié)的一種封裝，使得用戶可以不必花費過多的精力去了解儀器底層工作細節(jié)就可以方便地編寫出適當(dāng)?shù)某绦?，也增強了?yīng)用程序的可維護性。它符合儀器控制技術(shù)逐步簡化用戶工作，減少用戶在開發(fā)儀器控制程序上所花的工作量的發(fā)展趨勢。一個儀器驅(qū)動程序是一個軟件例程集合，該集合對應(yīng)于一個計劃的操作，如配置儀器、從儀器讀取、向儀器寫入和觸發(fā)儀器等。它將底層的通信命令或寄存器配置等封裝起來，用戶只需要調(diào)用封裝好的函數(shù)庫就能輕松實現(xiàn)對應(yīng)于該儀器的任何功能。

NI公司為200多家公司4000多種儀器設(shè)備提供了儀器驅(qū)動程序，開發(fā)者可以在不離開LabVIEW開發(fā)環(huán)境的情況下安裝即插即用儀器驅(qū)動程序。這些儀器驅(qū)動程序都是用LabVIEW編寫，方便開發(fā)者使用。需要注意的是，在下載安裝儀器驅(qū)動之前，需要先安裝VISA驅(qū)動；要保證GPIB總線的正常工作，需安裝NI488.2模塊。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 程序流程

實現(xiàn)儀器控制自動測量的關(guān)鍵就是軟件編程，即根據(jù)功能和要求編制相應(yīng)的功能模塊，實現(xiàn)通信和控制，并對測試數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理和記錄。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

其主要工作過程是：將設(shè)備和計算機相連接確保能正常通信后，運行程序，程序首先對測試儀器進行初始化和參數(shù)設(shè)定，然后等待被測放大器接入，放大器接入后，通過一個循環(huán)結(jié)構(gòu)控制信號源，使其輸出信號幅度在一定范圍內(nèi)步進掃描，同時功率計讀取在各點上待測放大器的輸出信號幅度，將信號源和功率計的幅值信息經(jīng)過數(shù)學(xué)計算和圖形化處理形成參考和測試曲線，并自動記錄和保存這些測試數(shù)據(jù)和曲線。

3.2 LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)

用LabVIEW開發(fā)的程序一般由一個或多個后綴名為vi的文件組成，這些文件可被稱為VI（Virtual Instrument，虛擬儀器[5-6]）。所有VI都由前面板、框圖及連線板3部分組成。前面板是VI的交互式界面，外觀和功能都類似于測試儀器的面板，用于用戶自定義測量參數(shù)，這些參數(shù)可以通過前面板傳遞給程序框圖進行處理，處理得到的結(jié)果也可以再返回給前面板上以數(shù)字、圖形或表格等形式進行顯示。

一個完整的儀器控制程序一般包括以下幾個模塊：儀器初始化和參數(shù)設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊等[7-8]。每個模塊實現(xiàn)一部分功能，由主控模塊在高層管理并調(diào)度各個子模塊，實現(xiàn)儀器參數(shù)控制與數(shù)據(jù)讀取、處理、顯示、記錄等功能。本系統(tǒng)也是采用模塊化的編程思想來實現(xiàn)的。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Fig.4 Software structure of the system

在通過儀器驅(qū)動實現(xiàn)的儀器控制系統(tǒng)中，儀器初始化、參數(shù)的設(shè)定以及測試數(shù)據(jù)的讀取主要借助于相應(yīng)儀器驅(qū)動中參數(shù)配置模塊和數(shù)據(jù)模塊下的子VI來實現(xiàn)，用戶只要熟悉各模塊下各子VI的基本功能，合理的配置其接線端參數(shù)即可。本系統(tǒng)中信號源和功率計的初始化和參數(shù)設(shè)定以及功率計測量值的讀取等操作，都是通過調(diào)用相應(yīng)子VI這一方式來實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)記錄等功能的實現(xiàn)方式則是靈活多變的，需要用戶根據(jù)自己的需要編寫程序。

本設(shè)計的重點在于：

1）計算機同時與兩臺測試儀器進行通訊，需要解決動作先后順序，控制協(xié)同配合的問題。

要實現(xiàn)信號源每掃過一個點，功率計自動讀取放大器對應(yīng)輸出值這樣一個過程，需要考慮功率計讀取動作和信號源輸出動作的先后順序以及功率計的響應(yīng)時間。因為同時控制兩臺儀器時，程序中有兩個數(shù)據(jù)流同時執(zhí)行，倘若沒有動作順序方面的考慮，很可能導(dǎo)致功率計讀取的測量值與信號源的輸出幅度不是對應(yīng)關(guān)系，從而導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確甚至錯誤。本系統(tǒng)采用的方法是利用順序結(jié)構(gòu)來解決信號源輸出和功率計讀取測量值兩個動作的順序問題，同時考慮到功率計讀數(shù)穩(wěn)定需要一定的響應(yīng)時間，于是在兩個順序動作之間又插入了延時等待函數(shù)，以保證功率計讀取測量值的準(zhǔn)確性。延時等待的時間可以根據(jù)用戶需求進行設(shè)定。

2）解決用XY graph控件顯示測試曲線時不能實時顯示的問題。

我們知道，本文中的X、Y數(shù)據(jù)分別是信號源輸出信號幅度和功率計讀數(shù)，它們是通過一個循環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的一系列點值，倘若我們不加任何處理的將其傳輸給XY graph顯示控件進行顯示，測試曲線需要程序執(zhí)行完畢才能顯示出來。而我們想達到的效果是實時的顯示，這樣便于在實驗過程中觀察到放大器是否發(fā)生增益壓縮情況，判斷我們設(shè)置的掃描范圍是否合適。但是XY graph是表示靜態(tài)數(shù)據(jù)的，本文要用它來顯示動態(tài)數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過一個特別的處理過程。我們知道，chart控件其內(nèi)部有一個先入先出的緩沖區(qū)FIFO，它之所以能夠不斷地顯示連續(xù)數(shù)據(jù)，就是每次調(diào)用時，向這個緩沖去添加新的數(shù)據(jù)，因此我們對X和Y建立兩個FIFO，就可以實現(xiàn)XY連續(xù)數(shù)據(jù)顯示了。具體的作法是：調(diào)用“函數(shù)選板”上，位于“信號處理”子選板中的“數(shù)據(jù)隊列（逐點）”函數(shù)。

3）解決測試數(shù)據(jù)和測試曲線圖的保存問題。

本系統(tǒng)需要保存兩種類型的數(shù)據(jù)：一是測試數(shù)據(jù)，也就是信號源各掃描點的幅值和功率計讀數(shù)，以及由它們計算出的放大器增益值，我們希望能夠保存為電子表格的形式；二是測試的曲線圖，希望保存為圖片格式。第一種數(shù)據(jù)的保存比較簡單，只要調(diào)用文件I/O中的“寫入電子表格”函數(shù)即可；第二種則需要調(diào)用屬性節(jié)點來實現(xiàn)，方法是：右鍵單擊XY graph控件，選擇“創(chuàng)建”，“調(diào)用節(jié)點”，“導(dǎo)出圖像”。解決放大器1 dB增益壓縮點的讀取和顯示問題。

放大器的輸出和增益變化曲線的實時顯示問題已經(jīng)得到解決，但是這樣還不夠，因為要我們的目的是測試放大器的增益壓縮點，如果僅僅得到這些測試曲線和數(shù)據(jù)，那么要得到增益壓縮點還需要經(jīng)過其他的軟件進行數(shù)據(jù)處理才行。我們希望測試系統(tǒng)能夠直接直觀地顯示放大器1dB增益壓縮點的值。為解決這一問題，本程序引入了參考直線。以“輸出-輸入”顯示控件（見圖5，系統(tǒng)前面板）為例，根據(jù)放大器1dB增壓壓縮點的定義，將參考直線設(shè)置為：Pout=Pin+Gain-1。編程使程序前面板的XY圖顯示控件同時顯示測試曲線和參考直線，那么它們產(chǎn)生的交點就是要測的1 dB增益壓縮點。我們可以很方便的利用XY圖中的游標(biāo)，讀出這個交點的橫縱坐標(biāo)值，它們分別對應(yīng)的就是放大器的輸入、輸出1 dB增益壓縮點。增益曲線圖中參考直線只要定義為Z=Gain-1即可。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)被測放大器的工作頻段和增益，設(shè)置信號源工作頻率為220 MHz，信號源輸出信號起始幅度為-30 dBm，放大器的線性增益是20.8 dBm，掃描點數(shù)是20，掃描步進為2 dB，并設(shè)置好數(shù)據(jù)和測試圖的保存路徑，如圖5系統(tǒng)前面板左側(cè)區(qū)域所示。設(shè)置完成后，運行程序，可得到圖5右側(cè)區(qū)域所示的測試結(jié)果，測試圖形和數(shù)據(jù)將自動保存至指定的路徑下。根據(jù)圖5中游標(biāo)的讀數(shù)得到此放大器的輸入1 dB增益壓縮點為-5.5 dBm，輸出1 dB增益壓縮點為14.3 dBm，此值與該放大器的標(biāo)稱值14 dBm僅0.3 dBm之差，精度滿足測試要求。自動保存的測試曲線如圖6和圖7所示。

圖5 前面板Fig.5 Front panel

圖6 輸出測試曲線Fig.6 Output test curve

圖7 增益測試曲線Fig.7 Gain test curve

表1是在相同參數(shù)設(shè)置下手動測量數(shù)據(jù)與自動測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的對比，可以看出它們幾乎完全吻合，因此測試精度可以肯定。

表1 測試數(shù)據(jù)對比Tab.1 Test data comparison

5 結(jié) 論

文中設(shè)計的基于LabVIEW[9]儀器控制的低噪聲放大器增益壓縮特性自動測量系統(tǒng)，通過循環(huán)控制結(jié)構(gòu)和延時函數(shù)解決了同時控制兩臺設(shè)備時的協(xié)同問題，通過引入隊列操作和參考線解決了低噪聲放大器1dB功率壓縮點的求取和實時顯示問題。系統(tǒng)除了可自動配置儀器工作參數(shù)、讀取并顯示測量結(jié)果外，還設(shè)置了數(shù)據(jù)記錄和后期處理模塊，可以同步顯示測試數(shù)據(jù)和測試曲線，直接讀取1dB增益壓縮點測試值，真正實現(xiàn)了低噪聲放大器1dB壓縮點的自動測量。實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)克服了功率計只能點對點測量、不能圖形化顯示動態(tài)數(shù)據(jù)、不能連續(xù)的測量變化量等缺點，使用方便、節(jié)約時間，并且保持了功率計逐點測量法測量精度高的優(yōu)點。

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