基于LabVIEW的射頻放大器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

周 楊

（貴州廣播電視大學(xué)遵義分校，貴州遵義 563000）

0 引言

微波等離子體光源由于其綠色、節(jié)能、高效的特點(diǎn)受到日益廣泛的關(guān)注。為了進(jìn)一步降低成本，提高系統(tǒng)效率及可靠性，微波等離子體光源使用半導(dǎo)體射頻放大器代替回旋管作為驅(qū)動(dòng)源。射頻放大器模塊將射頻信號(hào)放大，用于激勵(lì)微波等離子體光源燈泡內(nèi)填充物變?yōu)榈入x子體狀態(tài)并發(fā)光。因此，射頻放大器的性能直接影響到微波等離子體光源的發(fā)光特性。本文研究開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的射頻放大器的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)射頻放大器的性能指標(biāo)的自動(dòng)化、長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。

1 硬件設(shè)備

計(jì)算機(jī)對(duì)Agilent N5181A信號(hào)源進(jìn)行控制，產(chǎn)生需求的射頻信號(hào)，進(jìn)入射頻放大器產(chǎn)生放大信號(hào)，通過(guò)耦合器分別使用Agilent U2001A功率探頭采集射頻放大器的輸入輸出功率。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)備連接圖

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)及降低成本，計(jì)算機(jī)沒(méi)有安裝專門的GPIB板卡，使用Aglient公司的USB/GPIB 82357B標(biāo)準(zhǔn)線纜對(duì)信號(hào)源進(jìn)行編程控制；功率探頭采用自帶USB接口的U2001A，僅需兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB接口即可實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的通信。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的操作面板如圖2所示，主要由以下幾個(gè)功能區(qū)構(gòu)成。

（1）運(yùn)行控制區(qū)：完成開(kāi)始/暫停，數(shù)據(jù)保存，軟件停止功能。軟件啟動(dòng)之后，只有“開(kāi)始”按鈕處于可觸發(fā)狀態(tài)，“保存”按鈕和“停止”按鈕都處于灰色禁用狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)處于暫停狀態(tài)，可以觸發(fā)“保存”按鈕對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，當(dāng)再次開(kāi)始測(cè)量后先前的測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)被清除。

（2）數(shù)據(jù)顯示區(qū)：包括曲線顯示、表格顯示、表盤顯示、數(shù)值顯示。曲線用于顯示數(shù)據(jù)連續(xù)變化；當(dāng)選擇保存數(shù)據(jù)功能時(shí)，表格中的數(shù)據(jù)會(huì)被保存至Excel中，并提示用戶選擇保存路徑；表盤和數(shù)值顯示都用于顯示當(dāng)前測(cè)量值。

（3）設(shè)備連接示意區(qū)：包括VISA資源名設(shè)置和儀器連接示意。由于實(shí)際設(shè)備連接，比如環(huán)形器，同軸線等，存在插入損耗，因此可以在該功能區(qū)耦合器中手動(dòng)添加校正值，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（4）信號(hào)源設(shè)置區(qū)：完成對(duì)信號(hào)源頻率和幅度進(jìn)行設(shè)置以及開(kāi)關(guān)操作。為了保證LabVIEW程序框圖設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，對(duì)頻率、功率和開(kāi)關(guān)三個(gè)數(shù)據(jù)源封裝到“簇”中，任何操作只會(huì)產(chǎn)生一個(gè)事件，由軟件自動(dòng)識(shí)別產(chǎn)生該事件的具體操作。

（5）信息提示區(qū)：顯示程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的警告和錯(cuò)誤，提示進(jìn)行正確操作。

2.1 儀器檢測(cè)及初始化

虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu)（VISA：Virtual In?strument Software Architecture） 是一組標(biāo)準(zhǔn)的I/O函數(shù)庫(kù)及其相關(guān)規(guī)范的總稱，它最大的優(yōu)勢(shì)是不區(qū)分具體的接口類型，驅(qū)動(dòng)軟件可以互相兼容使用，這為軟件開(kāi)發(fā)人員提供了極大的便利[1]。系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試之前需要進(jìn)行設(shè)備通信檢測(cè)，保證設(shè)備已經(jīng)正確連接并能夠正常運(yùn)行。設(shè)備檢測(cè)程序框圖如圖3所示。首先，軟件檢測(cè)設(shè)備輸入VISA資源名是否有效，如果檢測(cè)到“空”，則提示用戶對(duì)應(yīng)設(shè)備沒(méi)有連接，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)等待直至檢測(cè)到所有設(shè)備連接正確后，會(huì)將有效VISA資源名傳遞至初始化程序。

圖2 軟件操作面板

圖3 設(shè)備檢測(cè)程序框圖

為了防止測(cè)試儀器信號(hào)源和功率探頭在初始狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)不確定性，因此有必要進(jìn)行正確的初始化。如圖4和圖5所示分別為信號(hào)源和功率探頭初始化程序框圖。本文使用的是Agilent公司開(kāi)發(fā)的儀器控制程序。儀器控制程序是在應(yīng)用層面對(duì)儀器底層工作細(xì)節(jié)的一種封裝，使得用戶不必花費(fèi)過(guò)多的精力去了解儀器底層工作細(xì)節(jié)就可以方便地編寫(xiě)出適當(dāng)?shù)某绦颍鰪?qiáng)了應(yīng)用程序的可維護(hù)性[2]。

在操作面板每個(gè)設(shè)備的VISA資源名輸入端右側(cè)有初始化指示燈。當(dāng)該設(shè)備初始化完成之后，指示燈為亮綠色。反之，指示燈為暗綠色，軟件會(huì)在信息提示區(qū)顯示當(dāng)前異常狀態(tài)，并停止工作。

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

生產(chǎn)者/消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式（事件）是多線程編程中最基本的設(shè)計(jì)模式，它是事件處理器和隊(duì)列消息處理器結(jié)合構(gòu)成的復(fù)合設(shè)計(jì)模式[3]。產(chǎn)生數(shù)據(jù)的線程屬于生產(chǎn)者，處理數(shù)據(jù)的線程屬于消費(fèi)者。本系統(tǒng)采用這種方式可以減少數(shù)據(jù)丟包，同時(shí)保證數(shù)據(jù)同步，方便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。如圖6所示為數(shù)據(jù)采集及處理程序框圖。為輸入功率和輸出功率分別開(kāi)辟隊(duì)列空間，生產(chǎn)者在超時(shí)事件發(fā)生時(shí)同步讀取兩個(gè)功率探頭采集的數(shù)據(jù)，并傳遞至消費(fèi)者線程中。在這個(gè)過(guò)程中，生產(chǎn)者和消費(fèi)者各自獨(dú)立工作，確保當(dāng)其他事件發(fā)生時(shí)不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。

2.3 操作面板響應(yīng)

圖4 信號(hào)源初始化程序框圖

圖5 功率探頭初始化程序框圖

圖6 信號(hào)源設(shè)置響應(yīng)程序框圖

為了保證能夠及時(shí)響應(yīng)操作面板的操作，采用單獨(dú)線程的事件結(jié)構(gòu)。事件結(jié)構(gòu)可以有效減少CPU占用率，響應(yīng)更加及時(shí)，特別適用于人機(jī)界面設(shè)計(jì)[3]。如圖6所示，當(dāng)在操作面板對(duì)信號(hào)源進(jìn)行有效操作時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)源數(shù)據(jù)“簇”值改變時(shí)產(chǎn)生事件，在事件處理函數(shù)中會(huì)對(duì)產(chǎn)生事件的具體操作進(jìn)行判斷，最后對(duì)信號(hào)源做出相應(yīng)的設(shè)置。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的射頻放大器測(cè)試系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)放大器研究設(shè)計(jì)過(guò)程中提供了便利的測(cè)試手段，詳細(xì)的測(cè)量數(shù)據(jù)為提高放大器性能提供了參考。

考慮到可編程直流穩(wěn)壓電源成本較高，因此本系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的監(jiān)控，為了達(dá)到更好的自動(dòng)化測(cè)試效果，后續(xù)系統(tǒng)可考慮采用可編程電源。

［1］張聰，肖藝，陳馨.基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)的隔離放大器的自動(dòng)測(cè)試［J］.船電技術(shù) ， 2012 （32） ：118-120.

［2］ 陳祥龍，田小建.基于LabVIEW的低噪聲放大器增益壓縮自動(dòng)測(cè)量［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（11）：158-161.

［3］ 陳樹(shù)學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.