基于IVI技術(shù)的頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)設(shè)計

趙汝和，李迅波，李三雁

（1.四川大學錦城學院，四川 成都 611731；2.電子科技大學，四川 成都 610054)

基于IVI技術(shù)的頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)設(shè)計

趙汝和1，李迅波2，李三雁1

（1.四川大學錦城學院，四川 成都 611731；2.電子科技大學，四川 成都 610054)

針對目前頻譜分析檢定過程中面臨的檢定項目多、流程復雜、效率低、自動化程度不高、測試程序無法通用等問題，通過研究頻譜儀的工作原理、檢定方法和IVI技術(shù)，提出以GPIB為總線的頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，設(shè)計檢定系統(tǒng)的軟件架構(gòu)和檢定系統(tǒng)工作流程。在測試軟件架構(gòu)中設(shè)計IVI-C和IVI-COM兩種形式的驅(qū)動器，可隔離測試程序和硬件，使測試程序和硬件無關(guān)，利用IVI驅(qū)動器實現(xiàn)儀器狀態(tài)仿真。實踐證明采用該系統(tǒng)檢定頻譜分析儀E4448A的時間可縮短至2h以內(nèi)，檢定頻譜儀AV4032A，測試程序無需更改。

自動檢定；IVI；VISA；GPIB；頻譜分析儀；ATS

0 引 言

頻譜分析儀可以完成調(diào)頻（FM)、調(diào)幅（AM)、數(shù)字調(diào)制，也可以對信號的頻率、電平、諧波、噪聲、增益、衰減等多種參數(shù)進行測量，被廣泛地應(yīng)用于微波射頻、通信開發(fā)、機械故障診斷等領(lǐng)域，頻譜分析儀是信號頻域分析的強大工具，定期對頻譜分析儀進行校準是保證其工作在合格狀態(tài)的必要手段，但是頻譜分析儀的檢定通常是手工檢定，效率低下、流程復雜，檢定一臺頻譜分析儀的時間通常需要1d以上[1-2]。同時，頻譜儀的型號繁多，不同廠家的頻譜儀、同一廠家不同型號的頻譜儀的檢定方法都不相同，增加了檢定的復雜程度，而且在26.5～50GHz頻譜儀的通用校準技術(shù)和設(shè)備長期被安捷倫、日本安立公司、德國R/S公司壟斷。鑒于此，我國在2013年發(fā)布了JJF 1396——2013《頻譜分析儀校準規(guī)范》，統(tǒng)一了超外差式頻譜分析儀的校準規(guī)范，儀器的檢定范圍從30Hz～26.56GHz擴大到 3Hz～50GHz，同時對計量性能也提出了更高的要求，在檢定項目上增加了噪聲邊帶、剩余調(diào)頻、頻率計數(shù)等項目，取消了頻率穩(wěn)定性檢測，新的國家標準需要對檢定的項目、流程進行相應(yīng)調(diào)整[2]。上海市計量測試技術(shù)研究院、中國計量科學研究院、中電十三所等[3]相關(guān)機構(gòu)進行探索并開發(fā)了檢定系統(tǒng)但是系統(tǒng)存在自動化程度不高，沒有解決儀器互換性，測試程序無法通用等問題，生產(chǎn)現(xiàn)場迫切需要一種可以實現(xiàn)儀器互換的基于自動化技術(shù)的自動檢定方案。本文在研究JJF 1396——2013后， 以IVI（interchangeable virtual instrument)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計儀器可互換的頻譜分析儀的自動檢定系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。

1 頻譜分析儀工作原理以及典型檢定方法研究

1.1 頻譜分析儀的工作原理

頻譜分析儀用于在頻域內(nèi)顯示信號的頻譜特性，頻譜分析儀根據(jù)工作原理的不同有多通道濾波器式頻譜分析儀、FFT頻譜分析儀和超外差式頻譜分析儀3大類。多通道濾波器式頻譜分析儀是利用一組濾波器來分析信號頻率，其性能受濾波器的帶寬和數(shù)目的限制。FFT頻譜分析儀把輸入信號經(jīng)可變衰減器衰減，然后通過低通濾波器濾波去除不需要的高頻信號，經(jīng)過A/D采樣把連續(xù)的模擬信號變成離散的數(shù)字信號，借助傅里葉變換把輸入信號分解成獨立的頻率分量，適合對持續(xù)時間很短的瞬態(tài)信號和非周期信號的頻譜測量。

超外差式頻譜分析儀適合于高頻和超高頻信號的處理，它采用混頻器將輸入高頻信號和本振信號經(jīng)過相乘后成為中頻或低頻信號，采用自動調(diào)諧的方式，通過改變本振的頻率捕獲被測信號的頻率分量[4]。詳見圖1。

圖1 數(shù)字式超外差頻譜分析儀方框圖

1.2 頻譜儀典型檢定方法研究

對于超外差式頻譜分析儀校準的項目達24項，較為基礎(chǔ)和核心的項目有：掃頻寬度、頻率讀數(shù)、參考電平、垂直顯示刻度、分辨力帶寬、噪聲邊帶、輸入頻率響應(yīng)、垂直顯示刻度等。本文以分辨力帶寬和輸入頻率響應(yīng)為例給出了檢定方法。

1.2.1 分辨力帶寬

分辨力帶寬有3dB分辨力帶寬和60dB分辨力帶寬兩個項目，3dB帶寬是測量頻率相差3dB的兩個等幅信號合成后可以在頻譜儀上顯示兩個波峰的能力，60dB帶寬用于表征頻譜儀對不等幅信號的分辨能力[2]。分辨力帶寬測試主要由信號源、電纜和頻譜分析儀構(gòu)成，在檢定過程中由信號源提供1kHz，3kHz，1MHz等不同頻率的信號。儀器連接如圖2所示。

圖2 分辨力帶寬測試連接圖

檢定過程是首先設(shè)置信號源的信號頻率和輸出電平，然后設(shè)置頻譜儀的參考電平、分辨力帶寬、掃頻寬度、掃描時間、然后調(diào)節(jié)信號源電平讀取頻譜儀的相關(guān)參數(shù)，詳見圖3。

分辨力的計算公式為

分辨力的相對誤差為

圖3 分辨力帶寬檢定流程

式中：RBWn——被檢頻譜儀3 dB分辨能力帶寬標稱值，Hz；

Δ——3dB分辨力帶寬相對誤差。

60dB分辨力帶寬的檢定與其類似，不再贅述。

1.2.2 輸入頻率響應(yīng)

輸入頻率響應(yīng)的檢定需要功分器、功率計、信號源以及被檢頻譜儀，頻率響應(yīng)檢定的基本思路是：信號源輸出的信號電平不變，改變其頻率，在頻譜儀中觀察并記錄電平的變化，詳見圖4。

圖4 頻率響應(yīng)檢定連接圖

頻率響應(yīng)的檢定方法是用通信電纜按照圖4連接儀器，選擇參考點頻率，然后完成頻譜儀相關(guān)的設(shè)置。設(shè)置信號源頻率為頻譜儀校準信號頻率，輸出電平為-4 dBm，調(diào)整信號源，讓其峰值為-10 dBm，記錄此時的讀數(shù)為LSAR，用功率計測量信號電平，將它作為LPMR[2-4]。將LSAR和LPMR記錄到相應(yīng)的表中即可得到各個頻率輸入點的頻率響應(yīng)FR。頻率補償要考慮信號頻帶切換時的信號突變。

2 頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文頻譜分析儀檢定系統(tǒng)的硬件組成主要有：主控計算機、矢量信號源、功率計、合成信號發(fā)生器、測量接收機、網(wǎng)絡(luò)分析儀、功分器、程控衰減器、微波開關(guān)組合儀器、頻率計和低通濾波器以及定向耦合器、50Ω匹配負載、連接器、轉(zhuǎn)換器、GPIB接口控制卡等部件[5-6]。

主控計算機是整個檢定系統(tǒng)的控制中心，在主控計算機上記錄相關(guān)的儀器參數(shù)，運行檢定程序，發(fā)送對儀器的控制命令，讀取儀器的相關(guān)參數(shù)，保存檢定數(shù)據(jù)等。

信號源、功率計、頻率計、程控衰減器等儀器通過GPIB（general purpose interface bus)接口連接起來，用于測控計算機和儀器的互聯(lián)，GPIB總線的數(shù)據(jù)傳輸速率可達1MB/s[7]。GPIB系統(tǒng)中的器件可以有控、聽、講3種屬性中的一種或多種。在本系統(tǒng)中測控計算機具有控、聽、講3種屬性，頻譜分析儀可以接受程控命令，同時把測試結(jié)果提供給計算機，因此頻譜分析儀具有聽、講屬性，打印機只接受數(shù)據(jù)，只有聽屬性[7]。

GPIB標準建立了聽者功能、講者功能、控者功能、源方掛鉤功能、服務(wù)請求功能、器件觸發(fā)功能、器件清除功能等10種接口功能。

程控開關(guān)在程序的控制下連接指定儀器和頻譜儀，形成特定的儀器連接。

頻譜分析儀檢定系統(tǒng)所需要的主要儀器型號，如表1所示。

表1 頻譜分析儀檢定系統(tǒng)設(shè)備表

3 頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 基于IVI技術(shù)的驅(qū)動器設(shè)計

IVI（interchangeable virtual instrument)是IVI基金會在1998年發(fā)布的可互換虛擬儀器模型，其目的是實現(xiàn)在自動測試系統(tǒng)中儀器的完全互換。截止到目前為止IVI基金會共發(fā)布了13類儀器。

3.1.1 IVI驅(qū)動器的類型

IVI（interchangeable virtual instrument)的驅(qū)動按照功能分類可以劃分為兩大類驅(qū)動器：IVI類驅(qū)動器（IVI class driver)和IVI專用驅(qū)動器（IVI specific driver)。IVI專用驅(qū)動器分為IVI類兼容專用驅(qū)動器（IVI class-compliant specific driver)和IVI定制專用驅(qū)動器（IVI custom specific driver)[8-9]。

3.1.2 IVI驅(qū)動器的實現(xiàn)形式和手段

IVI驅(qū)動器有 3種形式，IVI-C，IVI-COM和IVI.NET。IVI-C是IVI基金會早期發(fā)布的可以實現(xiàn)儀器簡單互換的一個標準。IVI-COM驅(qū)動器基于組件技術(shù)實現(xiàn)IVI接口，可以采用VC++、C#或者是Nimbus Driver Studio開發(fā)。IVI.NET驅(qū)動器是基于微軟的.NET Framework設(shè)計，用于構(gòu)建分布式測控系統(tǒng)，國內(nèi)開發(fā)IVI.NET基本處于探索階段。

3.1.3 頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)驅(qū)動器設(shè)計

目前LXI儀器都提供IVI-C或IVI-COM的驅(qū)動，但是對于沒有提供IVI驅(qū)動的儀器就需要使用者開發(fā)IVI驅(qū)動程序。在本系統(tǒng)中設(shè)計的驅(qū)動器包括了IVI-C和IVI-COM兩種驅(qū)動形式，具體的講包括了IVI-C類驅(qū)動器，IVI-C類兼容專用驅(qū)動器、定制專用驅(qū)動IVI-C/IVI-COM和IVI-COM類兼容專用驅(qū)動器，詳見圖5。

圖5 基于IVI驅(qū)動器的檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測控程序是上層應(yīng)用，它提供人機界面、調(diào)用驅(qū)動程序、完成運算以及顯示檢定結(jié)果。

IVI-C類驅(qū)動器包含了這一類儀器的功能和屬性，是一個介于測控程序和專用驅(qū)動中的一個過渡層，在IVI-C類中驅(qū)動層必不可少。

類兼容專用驅(qū)動是類驅(qū)動派生出的子類，類兼容專用驅(qū)動實現(xiàn)儀器類80%的共有功能，IVI類兼容驅(qū)動是真正實現(xiàn)儀器可互換的驅(qū)動。

定制專用驅(qū)動實現(xiàn)儀器特殊的功能，有IVI-C和IVI-COM兩種形式。

IVI配置器完成儀器類驅(qū)動到專用驅(qū)動的映射，并實現(xiàn)DLL的加載。VISA儀器驅(qū)動完成IVI驅(qū)動器和儀器的固件程序的通信，從而完成儀器的控制[8-10]。

3.2 儀器可互換性設(shè)計

測控系統(tǒng)中儀器的可互換一直是研究的熱點，IVI技術(shù)是在VXI plug&play基礎(chǔ)上發(fā)展起來的真正實現(xiàn)儀器可互換的技術(shù)。在不具備IVI驅(qū)動器的測控系統(tǒng)中，測試程序和具體的儀器緊密相關(guān)，更換了儀器以后需要改變相應(yīng)的測試程序集（TPS)，在系統(tǒng)中引入IVI驅(qū)動器以后，測控程序并不直接控制儀器，而是通過IVI驅(qū)動器控制儀器，由于IVI驅(qū)動中間層的存在，更換儀器以后，由驅(qū)動器負責和儀器通信，測試程序不用更改和調(diào)整。若驅(qū)動器為IVI-C，由測控程序調(diào)用類驅(qū)動程序，由類驅(qū)動程序調(diào)用IVI類兼容專用驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)儀器的互換而測控程序無需更改。若驅(qū)動器為IVI-COM，可以沒有類驅(qū)動器，它通過COM會話工廠直接調(diào)用類兼容專用驅(qū)動，調(diào)用VISA儀器驅(qū)動實現(xiàn)對儀器的控制[9-11]。

3.3 基于IVI技術(shù)的系統(tǒng)狀態(tài)仿真

系統(tǒng)在引入IVI驅(qū)動器以后，利用驅(qū)動器的仿真功能可以在不接入實際儀器的情況下運行測試程序，IVI將關(guān)閉儀器I/O，由驅(qū)動器檢查數(shù)據(jù)是否在設(shè)定的范圍，并產(chǎn)生仿真輸出數(shù)據(jù)，利用這個特點可以在購買儀器之前運行測試軟件，為是否購買儀器提供決策幫助，同時也可以在沒有配置實物儀器的情況下完成頻譜分析儀檢定系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)、培訓。

3.4 軟件模塊設(shè)計

測試軟件按照功能劃分為檢驗員管理模塊、被檢儀器信息管理模塊、IVI驅(qū)動管理模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、報告輸出與修訂模塊。

檢驗員管理模塊是設(shè)定具有檢定資質(zhì)的檢驗員賬號和密碼。檢驗員得到賬號和密碼后可以登錄系統(tǒng)檢定儀器。

被檢儀器信息管理模塊記錄儀器的型號、生產(chǎn)廠家、廠家推薦的檢定項目等信息。

IVI驅(qū)動程序管理模塊記錄了系統(tǒng)中已經(jīng)加載了的儀器IVI驅(qū)動程序的信息。

數(shù)據(jù)查詢模塊可以查詢系統(tǒng)支持的儀器設(shè)備，系統(tǒng)已經(jīng)檢定完畢的相關(guān)報告數(shù)據(jù)。

報告輸出與修訂模塊為已經(jīng)檢定完畢的設(shè)備打印輸出檢定證書。

3.5 軟件結(jié)構(gòu)化流程設(shè)計

系統(tǒng)開機預熱后，檢定工程師登錄系統(tǒng)，在信息管理模塊查看是否有被檢定的儀器型號，檢查是否安裝IVI驅(qū)動，按照系統(tǒng)的提示連接相關(guān)儀器，系統(tǒng)自動識別儀器，從數(shù)據(jù)庫中讀取被檢儀器的所有可以檢定的項目和項目的標準值，檢定工程師根據(jù)檢定的需要選擇項目逐一檢定，檢定的相關(guān)信息被自動保存到數(shù)據(jù)庫中，當所有的項目檢定完畢后系統(tǒng)結(jié)束測試流程，打印輸出檢定證書，詳細流程見圖6[10-11]。

圖6 檢定程序結(jié)構(gòu)化流程

3.6 軟件平臺的選擇

本系統(tǒng)采用.NET架構(gòu)的VC++開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2013。頻譜儀器的IVI-C驅(qū)動采用LabWindows/CVI 2013作為IVI-C的開發(fā)工具，IVICOM驅(qū)動采用Nimbus Driver Studio組件開發(fā)[12]。

4 應(yīng)用實例

采用本系統(tǒng)檢定Agilent公司的E4448A頻譜分析儀，對功率帶寬、頻率計數(shù)、參考電平、噪聲邊帶、輸入頻響、鏡像響應(yīng)、垂直顯示刻度、二次諧波失真等14個檢定項目進行了檢定，得到的結(jié)果和手工檢定的結(jié)果是一致的，其中參考電平的檢定數(shù)據(jù)見表2。自動校準的時間從手工檢定需要的8h縮短到2h以內(nèi)。對中電44所生產(chǎn)的AV4032A型頻譜分析儀開發(fā)了IVI驅(qū)動程序，完成各項參數(shù)的檢定，測試程序不用更改。

5 結(jié)束語

以IVI技術(shù)為基礎(chǔ)，參考最新的頻譜分析儀國家檢定標準，給出了頻譜分析儀自動檢定系統(tǒng)的架構(gòu)和程序核心流程、完成應(yīng)用軟件的設(shè)計，結(jié)果證明：系統(tǒng)方案是合理的，采用以GPIB為總線，基于IVI技術(shù)的自動檢定系統(tǒng)可以縮短頻譜儀70%的檢定時間，更換頻譜儀器，測試程序無需更改，為構(gòu)建綜合性的儀器儀表自動檢定系統(tǒng)提供了新的方法和途徑。

表2 E4448A參考電平結(jié)果對比表

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Design of automatic verification system for spectrum analyzer based on IVI technology

ZHAO Ruhe1， LI Xunbo2， LI Sanyan1
（1.Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 611731，China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

For the problems in verification test of spectrum analyzer such as more and more verification items， complicated process， low efficiency， low degree of automation， and nonuniversal process，a hardware design plan for automatic verification system of spectrum analyzer with GPIB being bus was proposed and the software architecture and working process of the verification system were also designed by studying the working principle of the spectrum analyzer，the verification method and the IVI technology.The test software architecture included IVI-C driver and IVI-COM driver.The test program and hardware were isolated by driver，which made test program irrelevant to hardware.Besides，IVI driver was used to achieve instrument status simulation.The practice proves that the verification time of the spectrum analyzer E4448A of the system is reduced to less than 2 hours，and the test program is not required to be changed by verify another kind of spectrum analyzer AV4032A.

automatic verification； IVI； VISA； GPIB； spectrum analyzer； ATS

A

1674-5124（2017）10-0114-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.022

2017-03-10；

2017-05-09

趙汝和（1978-)，男，四川綿陽市人，講師，碩士，研究方向為計算機測控技術(shù)、虛擬儀器和機械優(yōu)化設(shè)計。

（編輯：李妮）