高頻信號發(fā)生器自動校準系統(tǒng)及OLE技術在其應用

浙江省計量科學研究院 孫 杰 陳習權

1.引言

隨著電子技術迅速發(fā)展，出現(xiàn)了大量高精尖電子設備，高頻信號發(fā)生器是該領域中基礎的儀器設備，被廣泛應用與電子技術領域相關的試驗、生產、測試等環(huán)節(jié)。高頻信號發(fā)生器量值溯源準確高效對電子生產科研領域具有重要意義。傳統(tǒng)的人工校準費時費力，不能適應計量校準需求。因此研制高頻信號發(fā)生器校準自動化系統(tǒng)非常必要。

高頻信號發(fā)生器自動校準系統(tǒng)在計量系統(tǒng)內外各個單位都有在應用和開發(fā)。但在實際工作中存在一些問題。首先，基于GPIB接口開發(fā)的自動測量系統(tǒng)基本都是針對生產上的測量而開發(fā)的，針對計量領域的很少。其次，國外開發(fā)的針對計量的自動測量系統(tǒng)存在著計量項目和國內規(guī)范不符，升級效率低下，價格昂貴等問題。同時，國內開發(fā)的一些自動測量系統(tǒng)存在著測量型號不全，缺乏對最新設備支持和缺乏可持續(xù)升級能力以及非計量系統(tǒng)開發(fā)的自動測量系統(tǒng)不適用于計量領域等問題。因此筆者根據(jù)多年從事高頻信號發(fā)生器校準工作經(jīng)驗，研制開發(fā)適合計量系統(tǒng)使用并符合國家檢定規(guī)程要求的高頻信號發(fā)生器自動校準系統(tǒng)

2.高頻信號發(fā)生器介紹

高頻信號發(fā)生器是由振蕩器、頻率合成單元、電平控制單元、調制單元等組成的綜合性電子儀器，其基本功能是提供正弦波信號和調制波信號。[1]。

3.自動校準系統(tǒng)平臺構建

該系統(tǒng)主要由硬件平臺和軟件系統(tǒng)組成，硬件平臺由計量標準設備、GPIB轉換器、GPIB電纜和計算機組成，如圖1所示。計量標準設備包括測量接收機、銣原子頻率標準和頻譜分析儀。軟件系統(tǒng)是以硬件平臺為基礎，主要分為儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和輸入輸出等部分，采用Visual Basic 6.0進行設計開發(fā)，通過GPIB接口對各個儀器設備進行控制并完成自動校準功能。

4.自動測試系統(tǒng)實現(xiàn)及其技術要點

該自動校準系統(tǒng)由通信控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸入輸出、用戶界面等功能部分組成。通信控制和數(shù)據(jù)采集部分用于實現(xiàn)測試儀器工作參數(shù)設置，校準過程控制，獲取測試數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理、輸入輸出部分用于實現(xiàn)從設備讀取數(shù)據(jù)格式通過算法轉換為系統(tǒng)可操作數(shù)值，并采用指令方式實現(xiàn)對WORD格式的原始紀錄調用并讀取測量點和回寫校準數(shù)據(jù)；用戶界面為操作人員提供較好的人機交互界面。在實現(xiàn)過程中，主要有如圖1所示幾部分技術要點。

4.1 計量標準設備和被測設備控制

選定合適指令集來實現(xiàn)對設備的控制，GPIB轉換卡選擇安捷倫公司GPIB轉換卡，使用該卡配套的Agilent IO Libraries作為通信接口。該庫帶有三種指令集，分別是SICL、VISA和VISA COM，經(jīng)過實驗，三種指令集對最近幾年新出的設備支持較好，VISA和VISA COM對舊型號的設備存在兼容性問題，出現(xiàn)一些指令不支持的情況，SICL對舊型號設備兼容性較好，未出現(xiàn)指令不兼容情況，鑒于日常校準工作中 舊型號設備比例較大的情況，選用SICL指令集作為指令集。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)高頻信號發(fā)生器某些參數(shù)校準時，由于軟件運行速度遠遠高于儀器測量速度及儀器本身特性，會造成數(shù)據(jù)讀取出現(xiàn)偏差。為此采取三種方式對儀器進行同步和觸發(fā)，保證數(shù)據(jù)讀取穩(wěn)定準確。先在VB6中采用延時子程序timedelay，通過實驗為不同校準參數(shù)分別選取相應延時，達到數(shù)據(jù)穩(wěn)定讀取。在電平等參數(shù)測量中，實驗發(fā)現(xiàn)單純使用延時子程序timedelay并不能保證數(shù)據(jù)準確讀取，需要在測量接收機代碼中插入代碼T1T3即保持觸發(fā)功能和在頻譜分析儀代碼中插入代碼*WAI即等待上條指令執(zhí)行完畢功能來實現(xiàn)穩(wěn)定讀取數(shù)據(jù)。通過這三種方式互相配合使用，可以保證數(shù)據(jù)讀取準確可靠。通過實驗，電平可以校準到-120dBm以下。

4.2 高頻信號發(fā)生器各項參數(shù)的校準實現(xiàn)

根據(jù)檢定規(guī)程，需要對頻率準確度、絕對電平準確度、相對電平準確度、幅度調制、頻率調制、單邊帶相位噪聲和諧波等參數(shù)進行校準。

將銣原子頻率標準外接至測量接收機頻率參考輸入端，使用“7.1 SPCL”命令調節(jié)測量接收機頻率顯示位數(shù)，程序調整被測高頻信號發(fā)生器輸出頻率，在測量接收機端獲取校準數(shù)據(jù)，實現(xiàn)頻率準確度測量。

程序控制測量接收機先進行頻率調諧，然后測量該頻點的絕對電平值，實現(xiàn)各頻率點絕對電平準確度測量。相對電平準確度測量過程中，代碼控制被測高頻信號發(fā)生器調整輸出電平值和變換頻率點，測量接收機完成相對電平準確度測量，測量接收機在-40dBm和-80dBm處需進行量程校準，等待時間較長，使用T1指令進行保持，然后用T3指令進行延遲觸發(fā)，保證量程校準過程順利完成，幅度調制、頻率調制由測量接收機進行測量，代碼按照參數(shù)設置控制測量接收機和被測高頻信號發(fā)生器，進行這部分參數(shù)測量，通過試驗發(fā)現(xiàn)，在進行解調失真、伴隨調頻和伴隨調幅測量時，須同時使用T1T3指令和timedelay指令，才能使測量結果穩(wěn)定準確。

單邊帶相位噪聲和諧波部分由頻譜儀進行測量，諧波測量中如果采用常規(guī)的同一個屏幕中同時顯示基波、二次諧波和三次諧波并應用峰值搜索指令時，會出現(xiàn)光標不能到達諧波峰值處而到達某些毛刺處的情況，因此采用分離測量方法，即在屏幕處分別單獨顯示基波、二次諧波和三次諧波，設置SPAN為頻率值的二十分之一，同時為避免由于程序運行速度過快造成無法讀取峰值的情況，使用*WAI等待命令和單次掃描的方法，獲取準確諧波結果。

由于被測高頻信號發(fā)生器種類眾多，不同系列間的指令形式各不相同，為解決這種問題，程序將相同系列的高頻信號發(fā)生器分為一組，使用相同的代碼，不同系列間使用判斷語句進行選擇，用戶校準前在主界面選擇被測高頻信號發(fā)生器型號，程序會根據(jù)用戶選擇在執(zhí)行過程中選擇相應的代碼運行，以實現(xiàn)對多種型號高頻信號發(fā)生器校準。

表1 相對電平準確度比較

圖1 系統(tǒng)框圖

4.3 數(shù)據(jù)處理

在設備測量數(shù)據(jù)處理方面，由于測量接收機在測量各個參數(shù)時，測量數(shù)據(jù)在儀器內部以“+**********E+**”的格式存放，并不是直接給出測量結果，頻譜分析儀也存在相同問題，并且不同參數(shù)的測量結果位數(shù)不同。因此在程序中針對不同設備不同測量參數(shù)結果，分別編寫字符處理子過程，在處理結果時調用子過程，將結果處理為正常格式。

5.OLE技術在數(shù)據(jù)輸入輸出的應用

高頻信號發(fā)生器種類繁多，要求校準的點并不相同，存在校準點識別及輸入問題。在輸出方面如果測量數(shù)據(jù)人工記錄就會大大降低效率。筆者在開發(fā)過程中，使用OLE技術實現(xiàn)Word讀寫操作和控制，實現(xiàn)校準過程中實時讀取Word內容和校準數(shù)據(jù)實時回寫到Word表格并實時顯示。

5.1 OLE技術概述

OLE(Object Linking and Embedding，對象鏈接與嵌入)是微軟推出的在不同應用程序間進行互相操控的技術，它允許用戶通過一個程序控制另一個程序，被控方為“自動化服務器”，控制方為“自動化控制器”[2]。OLE可以被編程語言訪問，編程語言通過OLE技術編寫程序對Office軟件進行控制，達到提高操作效率的目的。

5.2 OLE技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出

VB6將Word中如表格，段落等元素作為對象，通過操作各個對象實現(xiàn)對Word操控。本系統(tǒng)中涉及的對象有Application，Range，Documents，Tables(包括Columns，Rows和Cell)[3]。其中Application表示W(wǎng)ord應用程序，Range表示文檔一個連續(xù)范圍，Documents表示被打開的所有文檔，Tables代表表格，其中Columns，Rows和Cell分別代表列，行和單元格。

筆者為不同型號高頻信號發(fā)生器制作不同Word格式原始記錄。

程序運行后進行Word初始化，使用“Set WordApp=CreateObject("Word.Application")”語句返回Word Application對象，并將它賦給WordApp，通過使用該變量對Word進行控制。使用“Set Word=WordApp.Documents.Open(file)”語句打開文件名為“file”的原始記錄文件。以第2個“絕對電平準確度”表格為例說明表格讀寫過程。該表格第一列為絕對電平所在頻率點，第二列為電平測量結果。使用“RowsNumber=ActiveDocument.

Tables(2).Rows.count”語句計算該表格的行數(shù)，用做循環(huán)次數(shù)。從第2行開始使用“tablecontent=ActiveDocument.Tables(2).Cell(RowsID，1).Range.Text”語句讀取第2個表格第1列第RowsID行所在單元格內容，送入系統(tǒng)進行參數(shù)設置和校準，該點計量完畢后使用“Word.Tables(2).Cell(RowsID，1+1)=RFResult”語句將數(shù)據(jù)實時寫入到第2個表格中第2列第RowsID行所在單元格。然后程序重復上述步驟，自動進入下一點測試，直到該表格所有點校準完畢，然后進入下一個表格，進行下一個參數(shù)校準。程序編寫了自動計算表格行數(shù)語句，用戶可以任意刪減表格行數(shù)以達到任意更改絕對電平測量點數(shù)量，同時也可以根據(jù)需要任意修改絕對電平測量點數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)只需修改表格行數(shù)和內容而不需修改程序來達到更改校準點的目的。

6.性能分析

為測試高頻信號發(fā)生器自動校準系統(tǒng)性能，選取典型指標相對電平準確度，采用對人工和自動方式測量結果進行比較進行驗證。在相同條件下，對同一臺高頻信號發(fā)生器測量，測量結果如表1。從表可以看出最大差異為0.03dB，小于評定的校準結果擴展不確定度0.22dB。

7.結束語

本文提出了基于GPIB接口的高頻信號發(fā)生器自動校準系統(tǒng)實現(xiàn)方案，實現(xiàn)過程中充分利用系統(tǒng)資源和指令集，對程序進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和輸入輸出方面的優(yōu)化，使得該設備測量效率大幅提高。系統(tǒng)涵蓋了規(guī)程中規(guī)定的高頻信號發(fā)生器使用中需要進行校準的項目，用戶也可以根據(jù)需要調整改變測量項目，校準速度比手動快4-5倍以上。系統(tǒng)在校準時可以實時打開原始記錄，用戶可以監(jiān)看校準結果，校準完成后生成WORD格式的記錄報告。

[1]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 173-2003信號發(fā)生器檢定規(guī)程.

[2]徐國平,郭力平.VBA中文版程序設計與應用[M].清華大學出版社,1998,10.

[3]何振林,胡綠慧.MS Office與VBA高級應用案例教程[M].中國水利水電出版社,2010,09.