基于通用儀器的幅頻特性測試系統開發?

葉 文 關成準 祁德元

（1.海軍航空工程學院兵器科學與技術系 煙臺 264001）（2.中國人民解放軍92956部隊 旅順 116041）（3.中國人民解放軍91115部隊 舟山 316000）

1 引言

系統幅頻特性是電路網絡的一個重要特性，通過它可以測算出電路的頻帶寬度、品質因數、增益、輸入/輸出阻抗及傳輸線特性阻抗等各項參數。

傳統的幅頻特性測試方法為點頻測量法，即通過逐點測量一系列規定頻率點上的系統增益（或衰減）來確定幅頻特性曲線的方法。點頻法是一種靜態測量法，它的測量準確度較高，能反映出被測系統的靜態特性，測量時不需要特殊儀器。其缺點是操作工作繁瑣、工作量大、容易漏測某些細節，不能反映出被測系統的動態特性。

掃頻測量法是在點頻法的基礎上發展起來的。它是利用一個掃頻信號發生器取代了點頻法中的正弦信號發生器。其基本工作原理：掃頻振蕩器產生一個幅度恒定，且頻率隨時間線性連續變化的掃頻信號作為被測系統的輸入信號，該信號經過被測系統后就不再是等幅的，而是幅度按照被測系統的幅頻特性做相應變化，并直接將幅頻特性曲線顯示在顯示屏上［1］。掃頻測量法的測量過程簡單、速度快，也不會產生漏測現象，還能邊測量邊調試，大大提高了調試工作效率。它反映的是被測系統的動態特性，測量結果與被測系統實際工作情況基本吻合，可完成如濾波器的動態濾波特性的測量等。其不足之處是測量的準確度比點頻法低。采用幅頻特性測試儀或者網絡分析儀的測量方法即為掃頻法。

本論文基于現有高性能通用儀器，利用Lab-VIEW開發出一種自動幅頻特性測試系統，基本測試原理如圖1所示，通過計算機編程控制通用信號源頻率按照指定的規律進行改變，每改變一個頻點通過頻譜儀測試一個功率值并由計算機采集，所有的頻率點測試完畢由計算機統一生成數據表及幅頻特性曲線。該方法能夠便捷、快速、準確地測出系統的幅頻特性曲線，具有測頻范圍寬、測試準確性高、測試方便快捷、測試數據自動存儲的特點，可節約購置專用儀器的經費，提高通用儀器的使用率。

圖1 本文開發的自動幅頻測試系統原理

2 測試系統硬件架構

測試系統的硬件連接方式如圖2所示，所使用的儀器為現有的Agilent83732B信號源、Agilent8563EC頻譜儀、Agilent82357B USB/GPIB轉換器［2～3］。

圖2 測試系統架構

Agilent83732B信號源是一款微波信號源，其工作頻率范圍為10MHz～20GHz，帶有GPIB接口，可以實現計算機控制。

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

GPIB是一種通用接口總線。GPIB接口常用在一些儀器設備上作為通訊控制接口，可以通過軟件開發，實現對儀器設備的自動控制和數據傳輸。GPIB接收不是計算機的標配接口，可以在計算機主板上加裝PCI的GPIB接口板，也可以采用USB轉GBIP設備實現計算機對GPIB接口的支持。Agilent82357B USB/GPIB是一種USB轉GBIP的設備。本系統需要計算機同時對兩臺儀器通過GPIB總線進行控制，還需要一條GPIB電纜，實現對兩臺儀器的并聯，本文選擇的是Agilent 10833D GPIB電纜，在進行儀器控制時，通過儀器的地址碼進行區分［4～5］。

3 測試系統軟件設計

3.1 軟件開發語言的選擇

本系統軟件采用LabVIEW編程語言進行開發，它是美國國家儀器公司（NI）開發的一種圖形化編程語言，又稱為“G”語言，廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，被公認為是標準的數據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協議的硬件及數據采集卡通信的全部功能，還內置了支持TCP/IP、ActiveX等軟件標準的庫函數，而且其圖形化的編程界面使編程過程變得簡單，從而可以方便地建立起自動測試系統［6～8］。

3.2 儀器驅動及函數VI的安裝

LabVIEW不僅提供了NI公司自己產品的驅動和函數庫的下載，對于 Agilent（Key Sight）、R&S、Kenwood等知名廠商的相關測量儀器也提供了豐富的LabVIEW驅動和函數庫的下載。本文開發系統所需的Agilent 82357B USB/GPIB接口轉換器、Agilent 83732B信號源、Agilent 8563EC頻譜儀的驅動均可在NI官網上下載［9～10］。

按照驅動程序附帶的安裝步驟進行安裝，在LabVIEW的函數庫→儀器I/O→dir.mnu中可以找到Agilent83732B信號源（hp837xx）、Agilent8563EC頻譜儀函數庫（圖3）。

3.3 軟件設計流程

在測試系統的幅頻特性時，由于儀器本身和連接電纜的幅頻特性會對測試結果產生直接的影響，為了解決這個問題，在進行軟件設計時加入了校準功能，即先將測試同軸電纜通過雙陰短接頭短接，測出其幅頻特性，在測量被測系統時，將測試數據減去校準數據（dB值）作為測試數據，可消除儀器本身誤差和電纜特性的影響。

圖3 儀器函數庫

在測試時，每一個測試循環均應先設置信號源和頻譜儀的頻率，延遲一段時間（500ms左右），待儀器工作穩定后，啟動幅度測量，以保證較好的準確性。

測試完成后自動以xls表格文件保存測試數據，以便于數據的保存和事后的分析。流程圖如圖4所示。

3.4 自動測試系統軟件開發

LabVIEW的程序設計包括前面板設計和程序框圖設計，前面板類似于臺式儀器的前面板，包括輸入、顯示、控制等部件。程序框圖類似于臺式儀器的內部電路，又如代碼語言中的程序代碼，實現對儀器的控制、數據的采集、處理與傳輸等功能。前面板的部件和程序框圖之間有相應的接口進行連接。

3.5 前面板設計

軟件前面板如圖5所示。左半部分為數據輸入及顯示區域，可輸入測試對象、測試人員、起始頻率、終止頻率、頻率間隔、產生信號功率等參數，同時在測試時會實時顯示測得的頻率和功率。

右半部分為一個選項板，可以選擇顯示使用說明，實時顯示測試頻譜圖以及顯示幅頻特性曲線。

3.6 程序框圖設計

程序框圖主要分成兩大部分，第一部分為測試部分，第二部分為數據處理、顯示及存儲部分［11～13］。第一部分如圖6所示，包括以下4個功能：1）儀器初始化；2）測試頻率計算，該功能用于計算要測試的頻率點，用于設置信號源及頻率儀的頻點，通過判斷頻率是否超出測試終止頻率而確定是否跳出測試循環；3）設置信號源頻點；4）設置頻譜儀頻點及獲取測試數據［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個功能：1）繪制幅頻特性曲線，包括原始數據曲線和校準后的幅頻特性曲線（測試狀態，校準狀態沒有該曲線）；2）數據文件存儲路徑及命名，這里采用“年月日時分+測試對象+測試人員”進行自動命名，在校準狀態直接命名為“校準文件”，再次校準時自動覆蓋原校準文件；3）讀取校準文件數據并校準測試數據；4）將測試數據寫入表格文件。

圖6 測試部分程序框圖

圖7 數據處理程序框圖

4 實測驗證

4.1 系統校準

選擇“校準”模式，得到300MHz～600MHz的測試曲線如圖8所示。可見，由于測試儀器、測試電纜以及接頭的影響，其本身的幅頻特性起伏較大，也說明了校準的必要性。該曲線數據自動保存為“校準文件”。

圖8 測試系統短接得到的校準數據曲線

4.2 設備測量

測試對象為HS5805Z1，是雙向5.8GHz WIFI功率放大器，本次測試的是其接收功放的增益。圖9為原始測試數據，圖10為采用校準數據校準后的增益分布圖，圖11為采用Agilent N5230A矢量網絡分析儀的測試結果（增加了28dB的衰減），經對比可見，本文開發的設備測試的曲線起伏較大，但幅頻特性曲線的趨勢和數值與矢量網絡分析儀的結果均相匹配，也證明了本文所開發測試系統的有效性。

圖9 原始測試數據

圖10 校準護測試數據

圖11 Agilent N5230A測試結果

5 結語

本文利用Agilent83732B信號源、Agilent8563EC頻譜儀和Agilent82357B USB/GPIB轉換器開發出射頻段幅頻特性自動測試系統，其測量頻率可高達20GHz，滿足對射頻段系統的測量需求。利用LabVIEW軟件實現了對射頻信號的自動產生、采集和處理，具有良好的測試精確度，顯控界面設計簡潔、操作方便，提高了儀器的利用率和測試效率。