基于LabVIEW的幅頻特性測試系統(tǒng)軟件設計

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

系統(tǒng)幅頻特性是電路網(wǎng)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(zhì)因數(shù)、增益、輸入/輸出阻抗及傳輸線特性阻抗等各項參數(shù)。目前，常用的幅頻特性測試方法為點頻測量法和掃頻測量法[1]。但是，這些傳統(tǒng)的測試方法都需要購置專用儀器，如矢量網(wǎng)絡分析儀或幅頻特性測試儀等，并且這些儀器價格不菲。本文基于現(xiàn)有高性能通用儀器，運用LabVIEW開發(fā)出一種自動幅頻特性測試系統(tǒng)。該方法能夠便捷、快速、準確地測出系統(tǒng)的幅頻特性曲線，具有測頻范圍寬、測試準確性高、測試方便快捷和測試數(shù)據(jù)自動存儲的特點，可節(jié)省購置專用儀器的經(jīng)費，提高通用儀器的使用率。

LabVIEW是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)的文本編程語言相比，具有編程語言簡潔易懂，能夠實現(xiàn)算法到軟件的快速轉變等特點。LabVIEW具有強大的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲等功能，在數(shù)據(jù)采集與儀器控制等領域有著廣泛的運用。

1 自主研制的幅頻特性測試系統(tǒng)結構

自動幅頻特性測試系統(tǒng)的基本測試原理如圖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(guī)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(tǒng)一生成數(shù)據(jù)表及幅頻特性曲線[2-3]。

測試系統(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信號源、Agilent 8563EC頻譜儀和Agilent 82357B USB/GPIB轉換器[4-5]。

圖1 自動幅頻測試系統(tǒng)原理

圖2 測試系統(tǒng)硬件架構

2 測試系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件開發(fā)語言的選擇

本系統(tǒng)軟件運用LabVIEW編程語言進行開發(fā)，它是美國國家儀器公司(NI)開發(fā)的一種圖形化編程語言，又稱為“G”語言，廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受。LabVIEW被公認為標準的數(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等軟件標準的庫函數(shù)，而且其圖形化的編程界面使編程過程變得簡單，從而便于建立自動測試系統(tǒng)[6-8]。

2.2 儀器驅動及函數(shù)VI的安裝

LabVIEW不僅提供了NI公司自己產(chǎn)品的驅動和函數(shù)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(shù)庫的下載。本文開發(fā)系統(tǒng)所需的Agilent 82357B USB/GPIB接口轉換器、Agilent 83732B信號源和Agilent 8563EC頻譜儀的驅動均可在NI官網(wǎng)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(shù)庫→儀器I/O→dir.mnu中可以找到Agilent83732B信號源(hp837xx)、Agilent8563EC頻譜儀函數(shù)庫(圖3)。

圖3 儀器函數(shù)庫

2.3 軟件設計流程

在測試系統(tǒng)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(chǎn)生直接的影響。為了解決這個問題，在軟件設計中加入了校準功能，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(tǒng)時，將測試數(shù)據(jù)減去校準數(shù)據(jù)(dB值)作為測試數(shù)據(jù)，可消除儀器本身誤差和電纜特性的影響。

在測試時，每一個測試循環(huán)均應先設置信號源和頻譜儀的頻率，延遲一段時間(500 ms左右)，待儀器工作穩(wěn)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(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 自動測試系統(tǒng)軟件開發(fā)

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、顯示和控制等部件。程序框圖類似于臺式儀器的內(nèi)部電路，又如代碼語言中的程序代碼，實現(xiàn)對儀器的控制、數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸?shù)裙δ?。前面板的部件和程序框圖之間有相應的接口進行連接。

2.5 前面板設計

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，可輸入測試對象、測試人員、起始頻率、終止頻率、頻率間隔和產(chǎn)生信號功率等參數(shù)，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。

圖4 程序流程圖

2.6 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(shù)據(jù)處理、顯示及存儲部分。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，用于計算要測試的頻率點，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來確定是否跳出測試循環(huán)；

③ 設置信號源頻點；

④ 設置頻譜儀頻點及獲取測試數(shù)據(jù)[11-12]。

圖6 測試部分程序框圖

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(shù)據(jù)曲線和校準后的幅頻特性曲線(測試狀態(tài)、校準狀態(tài)沒有該曲線)；

② 數(shù)據(jù)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(tài)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(shù)據(jù)并校準測試數(shù)據(jù)；

④ 將測試數(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)運行結果與分析

選擇“校準”模式，得到4500～6200 MHz的測試曲線如圖8所示?？梢?，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(shù)據(jù)自動保存為“校準文件”。

圖8 測試系統(tǒng)短接得到的校準數(shù)據(jù)曲線

測試對象為HS5805Z1，是雙向5.8 GHz 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(shù)據(jù)，圖10為采用校準數(shù)據(jù)校準后的增益分布圖，圖11為采用Agilent N5230A矢量網(wǎng)絡分析儀的測試結果(增加了28 dB的衰減)。經(jīng)對比可見，本文開發(fā)的設備測試的曲線起伏較大，但幅頻特性曲線的趨勢和數(shù)值與矢量網(wǎng)絡分析儀的結果均相匹配，也證明了所開發(fā)測試系統(tǒng)的有效性。

圖9 原始測試數(shù)據(jù)

圖10 校準后測試數(shù)據(jù)

圖11 Agilent N5230A測試結果

4 結束語

本文基于通用信號源和頻譜儀的幅頻特性測試系統(tǒng)，運用LabVIEW軟件實現(xiàn)了對射頻信號的自動產(chǎn)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，能夠提高儀器的利用率和測試效率。