基于通用儀器的幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)?

葉 文 關(guān)成準(zhǔn) 祁德元

（1.海軍航空工程學(xué)院兵器科學(xué)與技術(shù)系 煙臺(tái) 264001）（2.中國(guó)人民解放軍92956部隊(duì) 旅順 116041）（3.中國(guó)人民解放軍91115部隊(duì) 舟山 316000）

1 引言

系統(tǒng)幅頻特性是電路網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特性，通過(guò)它可以測(cè)算出電路的頻帶寬度、品質(zhì)因數(shù)、增益、輸入/輸出阻抗及傳輸線特性阻抗等各項(xiàng)參數(shù)。

傳統(tǒng)的幅頻特性測(cè)試方法為點(diǎn)頻測(cè)量法，即通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)量一系列規(guī)定頻率點(diǎn)上的系統(tǒng)增益（或衰減）來(lái)確定幅頻特性曲線的方法。點(diǎn)頻法是一種靜態(tài)測(cè)量法，它的測(cè)量準(zhǔn)確度較高，能反映出被測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，測(cè)量時(shí)不需要特殊儀器。其缺點(diǎn)是操作工作繁瑣、工作量大、容易漏測(cè)某些細(xì)節(jié)，不能反映出被測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

掃頻測(cè)量法是在點(diǎn)頻法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它是利用一個(gè)掃頻信號(hào)發(fā)生器取代了點(diǎn)頻法中的正弦信號(hào)發(fā)生器。其基本工作原理：掃頻振蕩器產(chǎn)生一個(gè)幅度恒定，且頻率隨時(shí)間線性連續(xù)變化的掃頻信號(hào)作為被測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)系統(tǒng)后就不再是等幅的，而是幅度按照被測(cè)系統(tǒng)的幅頻特性做相應(yīng)變化，并直接將幅頻特性曲線顯示在顯示屏上［1］。掃頻測(cè)量法的測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、速度快，也不會(huì)產(chǎn)生漏測(cè)現(xiàn)象，還能邊測(cè)量邊調(diào)試，大大提高了調(diào)試工作效率。它反映的是被測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，測(cè)量結(jié)果與被測(cè)系統(tǒng)實(shí)際工作情況基本吻合，可完成如濾波器的動(dòng)態(tài)濾波特性的測(cè)量等。其不足之處是測(cè)量的準(zhǔn)確度比點(diǎn)頻法低。采用幅頻特性測(cè)試儀或者網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量方法即為掃頻法。

本論文基于現(xiàn)有高性能通用儀器，利用Lab-VIEW開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)，基本測(cè)試原理如圖1所示，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程控制通用信號(hào)源頻率按照指定的規(guī)律進(jìn)行改變，每改變一個(gè)頻點(diǎn)通過(guò)頻譜儀測(cè)試一個(gè)功率值并由計(jì)算機(jī)采集，所有的頻率點(diǎn)測(cè)試完畢由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一生成數(shù)據(jù)表及幅頻特性曲線。該方法能夠便捷、快速、準(zhǔn)確地測(cè)出系統(tǒng)的幅頻特性曲線，具有測(cè)頻范圍寬、測(cè)試準(zhǔn)確性高、測(cè)試方便快捷、測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，可節(jié)約購(gòu)置專用儀器的經(jīng)費(fèi)，提高通用儀器的使用率。

圖1 本文開(kāi)發(fā)的自動(dòng)幅頻測(cè)試系統(tǒng)原理

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)的硬件連接方式如圖2所示，所使用的儀器為現(xiàn)有的Agilent83732B信號(hào)源、Agilent8563EC頻譜儀、Agilent82357B USB/GPIB轉(zhuǎn)換器［2～3］。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

Agilent83732B信號(hào)源是一款微波信號(hào)源，其工作頻率范圍為10MHz～20GHz，帶有GPIB接口，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。

Agilent8563EC是一款微波頻譜分析儀，其工作頻率范圍可達(dá)30Hz～26.5GHz。同樣支持基于GPIB的計(jì)算機(jī)控制。

GPIB是一種通用接口總線。GPIB接口常用在一些儀器設(shè)備上作為通訊控制接口，可以通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)傳輸。GPIB接收不是計(jì)算機(jī)的標(biāo)配接口，可以在計(jì)算機(jī)主板上加裝PCI的GPIB接口板，也可以采用USB轉(zhuǎn)GBIP設(shè)備實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)GPIB接口的支持。Agilent82357B USB/GPIB是一種USB轉(zhuǎn)GBIP的設(shè)備。本系統(tǒng)需要計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)兩臺(tái)儀器通過(guò)GPIB總線進(jìn)行控制，還需要一條GPIB電纜，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)儀器的并聯(lián)，本文選擇的是Agilent 10833D GPIB電纜，在進(jìn)行儀器控制時(shí)，通過(guò)儀器的地址碼進(jìn)行區(qū)分［4～5］。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的選擇

本系統(tǒng)軟件采用LabVIEW編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，它是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）開(kāi)發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。LabVIEW不僅提供了與遵從GPIB、PXI（e）、PCI（e）、VXI、LXI、RS-232和 RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通信的全部功能，還內(nèi)置了支持TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)，而且其圖形化的編程界面使編程過(guò)程變得簡(jiǎn)單，從而可以方便地建立起自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)［6～8］。

3.2 儀器驅(qū)動(dòng)及函數(shù)VI的安裝

LabVIEW不僅提供了NI公司自己產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)和函數(shù)庫(kù)的下載，對(duì)于 Agilent（Key Sight）、R&S、Kenwood等知名廠商的相關(guān)測(cè)量?jī)x器也提供了豐富的LabVIEW驅(qū)動(dòng)和函數(shù)庫(kù)的下載。本文開(kāi)發(fā)系統(tǒng)所需的Agilent 82357B USB/GPIB接口轉(zhuǎn)換器、Agilent 83732B信號(hào)源、Agilent 8563EC頻譜儀的驅(qū)動(dòng)均可在NI官網(wǎng)上下載［9～10］。

按照驅(qū)動(dòng)程序附帶的安裝步驟進(jìn)行安裝，在LabVIEW的函數(shù)庫(kù)→儀器I/O→dir.mnu中可以找到Agilent83732B信號(hào)源（hp837xx）、Agilent8563EC頻譜儀函數(shù)庫(kù)（圖3）。

3.3 軟件設(shè)計(jì)流程

在測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性時(shí)，由于儀器本身和連接電纜的幅頻特性會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)加入了校準(zhǔn)功能，即先將測(cè)試同軸電纜通過(guò)雙陰短接頭短接，測(cè)出其幅頻特性，在測(cè)量被測(cè)系統(tǒng)時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)減去校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（dB值）作為測(cè)試數(shù)據(jù)，可消除儀器本身誤差和電纜特性的影響。

圖3 儀器函數(shù)庫(kù)

在測(cè)試時(shí)，每一個(gè)測(cè)試循環(huán)均應(yīng)先設(shè)置信號(hào)源和頻譜儀的頻率，延遲一段時(shí)間（500ms左右），待儀器工作穩(wěn)定后，啟動(dòng)幅度測(cè)量，以保證較好的準(zhǔn)確性。

測(cè)試完成后自動(dòng)以xls表格文件保存測(cè)試數(shù)據(jù)，以便于數(shù)據(jù)的保存和事后的分析。流程圖如圖4所示。

3.4 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

LabVIEW的程序設(shè)計(jì)包括前面板設(shè)計(jì)和程序框圖設(shè)計(jì)，前面板類(lèi)似于臺(tái)式儀器的前面板，包括輸入、顯示、控制等部件。程序框圖類(lèi)似于臺(tái)式儀器的內(nèi)部電路，又如代碼語(yǔ)言中的程序代碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸?shù)裙δ?。前面板的部件和程序框圖之間有相應(yīng)的接口進(jìn)行連接。

3.5 前面板設(shè)計(jì)

軟件前面板如圖5所示。左半部分為數(shù)據(jù)輸入及顯示區(qū)域，可輸入測(cè)試對(duì)象、測(cè)試人員、起始頻率、終止頻率、頻率間隔、產(chǎn)生信號(hào)功率等參數(shù)，同時(shí)在測(cè)試時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的頻率和功率。

右半部分為一個(gè)選項(xiàng)板，可以選擇顯示使用說(shuō)明，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試頻譜圖以及顯示幅頻特性曲線。

3.6 程序框圖設(shè)計(jì)

程序框圖主要分成兩大部分，第一部分為測(cè)試部分，第二部分為數(shù)據(jù)處理、顯示及存儲(chǔ)部分［11～13］。第一部分如圖6所示，包括以下4個(gè)功能：1）儀器初始化；2）測(cè)試頻率計(jì)算，該功能用于計(jì)算要測(cè)試的頻率點(diǎn)，用于設(shè)置信號(hào)源及頻率儀的頻點(diǎn)，通過(guò)判斷頻率是否超出測(cè)試終止頻率而確定是否跳出測(cè)試循環(huán)；3）設(shè)置信號(hào)源頻點(diǎn)；4）設(shè)置頻譜儀頻點(diǎn)及獲取測(cè)試數(shù)據(jù)［14～15］。

圖4 程序流程圖

圖5 軟件前面板

第二部分如圖7所示，包括以下4個(gè)功能：1）繪制幅頻特性曲線，包括原始數(shù)據(jù)曲線和校準(zhǔn)后的幅頻特性曲線（測(cè)試狀態(tài)，校準(zhǔn)狀態(tài)沒(méi)有該曲線）；2）數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)路徑及命名，這里采用“年月日時(shí)分+測(cè)試對(duì)象+測(cè)試人員”進(jìn)行自動(dòng)命名，在校準(zhǔn)狀態(tài)直接命名為“校準(zhǔn)文件”，再次校準(zhǔn)時(shí)自動(dòng)覆蓋原校準(zhǔn)文件；3）讀取校準(zhǔn)文件數(shù)據(jù)并校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)；4）將測(cè)試數(shù)據(jù)寫(xiě)入表格文件。

圖6 測(cè)試部分程序框圖

圖7 數(shù)據(jù)處理程序框圖

4 實(shí)測(cè)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

選擇“校準(zhǔn)”模式，得到300MHz～600MHz的測(cè)試曲線如圖8所示?？梢?jiàn)，由于測(cè)試儀器、測(cè)試電纜以及接頭的影響，其本身的幅頻特性起伏較大，也說(shuō)明了校準(zhǔn)的必要性。該曲線數(shù)據(jù)自動(dòng)保存為“校準(zhǔn)文件”。

圖8 測(cè)試系統(tǒng)短接得到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)曲線

4.2 設(shè)備測(cè)量

測(cè)試對(duì)象為HS5805Z1，是雙向5.8GHz WIFI功率放大器，本次測(cè)試的是其接收功放的增益。圖9為原始測(cè)試數(shù)據(jù)，圖10為采用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后的增益分布圖，圖11為采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試結(jié)果（增加了28dB的衰減），經(jīng)對(duì)比可見(jiàn)，本文開(kāi)發(fā)的設(shè)備測(cè)試的曲線起伏較大，但幅頻特性曲線的趨勢(shì)和數(shù)值與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的結(jié)果均相匹配，也證明了本文所開(kāi)發(fā)測(cè)試系統(tǒng)的有效性。

圖9 原始測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 校準(zhǔn)護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 Agilent N5230A測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用Agilent83732B信號(hào)源、Agilent8563EC頻譜儀和Agilent82357B USB/GPIB轉(zhuǎn)換器開(kāi)發(fā)出射頻段幅頻特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)量頻率可高達(dá)20GHz，滿足對(duì)射頻段系統(tǒng)的測(cè)量需求。利用LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻信號(hào)的自動(dòng)產(chǎn)生、采集和處理，具有良好的測(cè)試精確度，顯控界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、操作方便，提高了儀器的利用率和測(cè)試效率。