基于LabVIEW的幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1.海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001； 2.中國(guó)人民解放軍92956部隊(duì)，遼寧 旅順 116041；3.中國(guó)人民解放軍91115部隊(duì)，浙江 舟山 316000)

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)。目前，常用的幅頻特性測(cè)試方法為點(diǎn)頻測(cè)量法和掃頻測(cè)量法[1]。但是，這些傳統(tǒng)的測(cè)試方法都需要購(gòu)置專用儀器，如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或幅頻特性測(cè)試儀等，并且這些儀器價(jià)格不菲。本文基于現(xiàn)有高性能通用儀器，運(yùn)用LabVIEW開(kāi)發(fā)出一種自動(dòng)幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)。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)試方便快捷和測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)的特點(diǎn)，可節(jié)省購(gòu)置專用儀器的經(jīng)費(fèi)，提高通用儀器的使用率。

LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)的文本編程語(yǔ)言相比，具有編程語(yǔ)言簡(jiǎn)潔易懂，能夠?qū)崿F(xiàn)算法到軟件的快速轉(zhuǎn)變等特點(diǎn)。LabVIEW具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等功能，在數(shù)據(jù)采集與儀器控制等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。

1 自主研制的幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)的基本測(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[2-3]。

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Agilent 83732B信號(hào)源、Agilent 8563EC頻譜儀和Agilent 82357B USB/GPIB轉(zhuǎn)換器[4-5]。

圖1 自動(dòng)幅頻測(cè)試系統(tǒng)原理

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的選擇

本系統(tǒng)軟件運(yùn)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。LabVIEW被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。不僅提供了與遵從GPIB、PXI(e)、PCI(e)、VXI、LXI、RS232和RS485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，從而便于建立自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[6-8]。

2.2 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)源和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)。

圖3 儀器函數(shù)庫(kù)

2.3 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，在軟件設(shè)計(jì)中加入了校準(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。

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(500 ms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。程序流程圖如圖4所示。

2.4 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)，前面板類似于臺(tái)式儀器的前面板，包括輸入、顯示和控制等部件。程序框圖類似于臺(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堋Ｇ懊姘宓牟考统绦蚩驁D之間有相應(yīng)的接口進(jìn)行連接。

2.5 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、頻率間隔和產(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。

圖4 程序流程圖

2.6 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。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，用于計(jì)算要測(cè)試的頻率點(diǎn)，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)試終止頻率來(lái)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)[11-12]。

圖6 測(cè)試部分程序框圖

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)寫入表格文件。

圖7 數(shù)據(jù)處理程序框圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與分析

選擇“校準(zhǔn)”模式，得到4500～6200 MHz的測(cè)試曲線如圖8所示。可見(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

測(cè)試對(duì)象為HS5805Z1，是雙向5.8 GHz 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28 dB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)后測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 Agilent N5230A測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于通用信號(hào)源和頻譜儀的幅頻特性測(cè)試系統(tǒng)，運(yùn)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，能夠提高儀器的利用率和測(cè)試效率。