基于LabVIEW 的測量接收機自動測控系統(tǒng)*

李 凡 李 諾 金月紅 孫家林

（遼寧省計量科學研究院，沈陽 110004）

0 引言

信號發(fā)生器在通信、電子測量儀表、雷達等電子系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著自身頻率、幅度等指標不斷提高，對信號發(fā)生器的計量也提出了更高的要求。信號發(fā)生器需計量的參數(shù)多、量程寬，若采用手動方式，測試人員要同時操作標準器和被測儀器，工作強度大、效率低，以頻率上限為20GHz的微波信號發(fā)生器為例，計量時按鍵次數(shù)可達數(shù)百次，由于人為因素造成的錯誤必然存在。基于上述原因，急需開發(fā)一套自動測控系統(tǒng)，以實現(xiàn)信號發(fā)生器等的自動計量。

我們依據(jù)JJG 173—2003《信號發(fā)生器檢定規(guī)程》，采用R&S 公司生產(chǎn)的FSMR測量接收機作為標準器對信號發(fā)生器進行計量。本系統(tǒng)采用Labview編程的方式實現(xiàn)了計算機對測量接收機和信號發(fā)生器的遠程控制；使用VB和Labview混合編程的方式實現(xiàn)了自動生成記錄和報告以及自動打印的功能。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由測量接收機、被測信號發(fā)生器、GPIB-USB連接線、GPIB線纜、計算機和打印機組成，如圖1 所示。R&S 公司推出的FSMR測量接收機將功率計、寬帶頻譜儀、調(diào)制度分析儀等多種功能集于一身，可以快速準確的完成信號發(fā)生器檢定和校準任務(wù)。

圖1 測量接收機自動測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

測試前，使用GPIB線將被測信號發(fā)生器和FSMR連接起來，通過GPIB轉(zhuǎn)USB線纜與計算機相連，，使用USB線將計算機與打印機連接，然后，運行相應(yīng)的程序?qū)Ρ粶y信號發(fā)生器進行測試。

依據(jù)JJG 173—2003《信號發(fā)生器》，本系統(tǒng)對頻率準確度、絕對電平準確度、相對電平準確度、載波的剩余調(diào)制、諧波、分諧波、調(diào)幅度準確度及頻偏準確度等項目進行計量。

1）頻率準確度的測量：采用DEMOD模式，設(shè)定信號發(fā)生器的待測頻率fU及合適的幅值，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點，連續(xù)測量10 次，取其平均值作為測量結(jié)果fS，最后按照式（1）計算頻率準確度δ。

2）絕對電平準確度的測量：采用POWERMTR模式，設(shè)定信號發(fā)生器的輸出幅值為0dBm（即LU），設(shè)定信號發(fā)生器及FSMR為同一頻率點，連續(xù)讀取3 個值，取其平均值作為測量結(jié)果LS，按照式（2）計算絕對電平準確度△。

3）相對電平準確度的測量：采用RF LEVEL模式，設(shè)定信號發(fā)生器的輸出幅值為0dBm，設(shè)定信號發(fā)生器及FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點，從FSMR讀取測量值LU0，以此為參考，以10dB為步進改變信號發(fā)生器的幅值LU，從FSMR上讀取相應(yīng)的測量值作為LS，按式（3）計算相對電平準確度△。

4）載波的剩余調(diào)制的測量：采用DEMOD模式，設(shè)定合適的頻率和幅值，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點，將FSMR切換到DEMOD的AM或FM狀態(tài)，測定剩余調(diào)幅和剩余調(diào)頻。

5）諧波、分諧波的測量：采用SPECTRUM模式，設(shè)定信號發(fā)生器的輸出幅值為0dBm，設(shè)定輸出頻率，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點及合適的SPAN，讀取基波電平L1，二次諧波電平L2，三次諧波電平L3以及分諧波電平L分，按照式（4）、式（5）、式（6）計算諧波值和分諧波值。

6）幅度調(diào)制準確度的測量：采用DEMOD模式，設(shè)定合適的頻率和幅值，設(shè)置需測定的調(diào)幅度AMU，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點，將FSMR切換到DEMOD的AM狀態(tài)，測定AMS，按照式（7）計算幅度調(diào)制度的準確度δ。

7）頻偏準確度的測量：采用DEMOD模式，設(shè)定合適的頻率和幅值，設(shè)置需測定的頻偏FMU，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點，將FSMR切換到DEMOD的FM狀態(tài)，測定FMS，按照式（8）計算頻偏的準確度δ。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)在Windows XP環(huán)境下采用LabVIEW 語言作為開發(fā)平臺，使用LabVIEW8.5 進行編程，實現(xiàn)測量接收機的自動控制，完成信號發(fā)生器的計量。LabVIEW 是科學研究和工程領(lǐng)域內(nèi)最主要的圖形開發(fā)環(huán)境，廣泛的應(yīng)用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等嵌人式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。，LabVIEW 提供了大量的虛擬儀器和函數(shù)庫以幫助編程，是較為方便快捷的編程語言。

本系統(tǒng)中，LabVIEW 程序負責儀器的I/O控制，對數(shù)據(jù)進行采集、分析、顯示以及實現(xiàn)人機交互。LabVIEW 語言采用了模塊化的編程風格，整個系統(tǒng)包括系統(tǒng)預置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和文檔生成等幾部分，具體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。下面具體說明：

圖2 軟件結(jié)構(gòu)簡圖

1）系統(tǒng)預置功能的軟件實現(xiàn)：系統(tǒng)預置部分完成本系統(tǒng)開始測試工作前的所有準備工作，例如設(shè)置通訊地址、信號發(fā)生器初始化、FSMR初始化、檢測基本信息錄人以及檢測頻率點、幅值點以及各個測量點的技術(shù)指標等測試參數(shù)錄人。

目前，被測信號發(fā)生器型號繁多，產(chǎn)品系列豐富，市場上常見的產(chǎn)品主要有：美國Agilent公司的MXG、ESG、PSG系列；德國R/S 公司的SMF、SMB、SMV系列；日本Anritsu 公司的MG系列；中國電子科技集團公司第41 所的AV系列等，不同廠家、不同系列和型號的信號發(fā)生器內(nèi)部指令幾乎相同，但數(shù)據(jù)的處理方法和指標的判定都不同，這給我們使用一套程序進行控制帶來了很大的困難。本系統(tǒng)通過建立信號發(fā)生器的測試文件解決了這個問題。系統(tǒng)可以根據(jù)被測儀器的具體指標編寫相應(yīng)的測試文件，其結(jié)構(gòu)與MATCAL軟件中的ACC文件結(jié)構(gòu)類似，主要由測試功能項目、范圍以及相應(yīng)的最大允許誤差等參數(shù)組成，具體結(jié)構(gòu)如表1 所示。在測試文件中加人測試點的上限和下限信息，為文檔生成部分提供超差判斷的依據(jù)，該文件對于同型號的設(shè)備只需制作一次，可為今后的測試工作提供便利。

表1 測試文件結(jié)構(gòu)

2）數(shù)據(jù)采集功能的軟件實現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集部分主要依據(jù)測試文件的內(nèi)容來完成對FSMR及被測儀器的功能和參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)儀器的自動測量和數(shù)據(jù)的采集。其整個過程采用LabVIEW 語言進行設(shè)計，通過調(diào)用NI的VISA接口程序來控制GPIB，以控制測量接收機和被測信號發(fā)生器，進而設(shè)置頻率、功率、調(diào)諧電平、調(diào)幅度和頻偏等各參量，然后進行數(shù)據(jù)采集。由于FSMR的功能眾多，為了減少程序編寫的工作量，本系統(tǒng)直接采用由R&S 公司提供的FSMR的專用控件。該控件專門為LabView環(huán)境設(shè)計，將FSMR的基本功能進行整合，極大的提高了LabView程序編寫的效率，降低了程序?qū)SMR的誤操作。該控件是完全公開的，可以在NI的官方網(wǎng)站上進行下載。對于被測信號發(fā)生器的控制，主要采用標準的SCPI語言。這是由于信號發(fā)生器的功能比較類似，大部分只是在頻率范圍上有所區(qū)別，又都支持SCPI語句，所以，可以采用相同的語句對不同的信號發(fā)生器進行控制。

3）數(shù)據(jù)存儲功能的軟件實現(xiàn)：數(shù)據(jù)存儲部分利用LabVIEW 中的數(shù)據(jù)記錄功能將采集到的數(shù)據(jù)先保存到txt文件中，以備Word 的調(diào)用。

4）文檔生成功能的軟件實現(xiàn)：文檔生成部分根據(jù)用戶具體需要對采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理和回放，利用VBA方式調(diào)用Word 程序，導人測量數(shù)據(jù)，自動生成滿足固定格式要求的規(guī)范化電子文檔。這里不再采用LabView對Word 進行操作，主要是由于其程序過于繁瑣，不如VB簡單快捷。僅以相對電平準確度的Word 操作為例，采用LabView這類圖形化語言進行編寫，其程序框圖便已十分復雜，而采用VB只需幾條語句便可實現(xiàn)同樣的功能，由此可知，若整套系統(tǒng)的所有Word 操作均用Lab-View編寫，其工作量的繁重程度可想而知，基于上述原因，本系統(tǒng)采用LabView與VB混合編程的方式進行編寫。采用LabView實現(xiàn)對FSMR和信號發(fā)生器的控制與數(shù)據(jù)采集，采用VB實現(xiàn)測試文檔、報告生成，充分利用LabView和VB的長處，極大的提高編寫效率和程序的可讀性。

3 遇到的問題及解決方案

3.1 硬件部分

FSMR測量接收機在進行相對電平測量時，會根據(jù)信號幅度的大小而自動調(diào)整平均次數(shù)，在測量小信號時候，由于信號幅度小，讀數(shù)的穩(wěn)定度不夠，此時FSMR測量接收機會自動增加平均次數(shù)，如此會大大的增加測試的時間，降低效率。我們在編程時充分考慮到了此類情況，若信號的輸出不足夠穩(wěn)定，則此時其精度要求必然不高，即不必過多的增加測量平均次數(shù)。通過大量反復的實驗，找到了根據(jù)信號電平的高低確定平均次數(shù)的關(guān)系，進而根據(jù)實測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度動態(tài)的改變測量平均的次數(shù)，提高效率，縮短了測量時間。

，為了保證測量精度，要注思控制FSMR在0dBm處進行Calibration Abs Power，當衰減達到40dB后，要進行ReCAL。由于測量接收機量程切換時需要進行ReCAL，當測量到臨界量程的測試點時，若信號的輸出幅度有波動，則FSMR測量接收機會自動改變量程以適應(yīng)電平的變化，但如此，所測得的數(shù)據(jù)其真實性便將大打折扣，有時甚至會出現(xiàn)由于信號過于波動而造成的FSMR測量接收機不斷的在切換量程，進而無法讀取數(shù)據(jù)。我們通過更改FSMR測量接收機的解調(diào)帶寬、采樣時間等參數(shù)，不斷的嘗試，確定了如何依據(jù)信號的輸出穩(wěn)定情況及所處量程來修改測量接收機的相關(guān)參數(shù)，以便實現(xiàn)既保證測試精度，又盡可能的節(jié)約測量時間。

3.2 軟件部分

本系統(tǒng)的測試文件雖然與MATCAL的ACC文件類似，但是信息量遠小于ACC文件，這也是本系統(tǒng)需要進一步解決的問題。MATCAL的ACC文件中還包含了設(shè)備每個量程的最大允許誤差、分辨力等參數(shù)，通過這些參數(shù)，MACTAL可以實現(xiàn)每個測試點的不確定度計算。然而，MATCAL采用的這種方式更適合對數(shù)字表等相關(guān)電磁測試設(shè)備進行計量校準，而對信號發(fā)生器等無線電測試設(shè)備并不適合（通常，信號發(fā)生器的說明書對每個量程的最大允許誤差、分辨力等參數(shù)敘述較少）。由此，今后本系統(tǒng)將對相關(guān)問題進行研究。

4 總結(jié)

利用本套系統(tǒng)進行信號發(fā)生器的自動測試，可以提高效率，降低強度，使得原本需要近一天的工作可以在約1～2 小時內(nèi)完成，節(jié)省了時間，還提升了測量的可靠性。開發(fā)本套系統(tǒng)豐富了實驗室的測試手段，適應(yīng)計量技術(shù)的發(fā)展，更能為其它測試系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。