基于LabVIEW的幅频特性测试系统软件设计

2019-09-19

测控技术 2019年2期

(1.海军航空大学岸防兵学院，山东烟台 264001； 2.中国人民解放军92956部队，辽宁旅顺 116041；3.中国人民解放军91115部队，浙江舟山 316000)

系统幅频特性是电路网络的一个重要特性，通过它可以测算出电路的频带宽度、品质因数、增益、输入/输出阻抗及传输线特性阻抗等各项参数。目前，常用的幅频特性测试方法为点频测量法和扫频测量法[1]。但是，这些传统的测试方法都需要购置专用仪器，如矢量网络分析仪或幅频特性测试仪等，并且这些仪器价格不菲。本文基于现有高性能通用仪器，运用LabVIEW开发出一种自动幅频特性测试系统。该方法能够便捷、快速、准确地测出系统的幅频特性曲线，具有测频范围宽、测试准确性高、测试方便快捷和测试数据自动存储的特点，可节省购置专用仪器的经费，提高通用仪器的使用率。

LabVIEW是一种图形化的编程语言和开发环境，与传统的文本编程语言相比，具有编程语言简洁易懂，能够实现算法到软件的快速转变等特点。LabVIEW具有强大的数据采集、分析、显示和存储等功能，在数据采集与仪器控制等领域有着广泛的运用。

1 自主研制的幅频特性测试系统结构

自动幅频特性测试系统的基本测试原理如图1所示。通过计算机编程控制通用信号源频率按照指定的规律进行改变，每改变一个频点通过频谱仪测试一个功率值并由计算机采集，所有的频率点测试完毕由计算机统一生成数据表及幅频特性曲线[2-3]。

测试系统的硬件连接方式如图2所示，所使用的仪器为现有的Agilent 83732B信号源、Agilent 8563EC频谱仪和Agilent 82357B USB/GPIB转换器[4-5]。

图1 自动幅频测试系统原理

图2 测试系统硬件架构

2 测试系统软件设计

2.1 软件开发语言的选择

本系统软件运用LabVIEW编程语言进行开发，它是美国国家仪器公司(NI)开发的一种图形化编程语言，又称为“G”语言，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。LabVIEW被公认为标准的数据采集和仪器控制软件。不仅提供了与遵从GPIB、PXI(e)、PCI(e)、VXI、LXI、RS232和RS485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能，还内置了支持TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数，而且其图形化的编程界面使编程过程变得简单，从而便于建立自动测试系统[6-8]。

2.2 仪器驱动及函数VI的安装

LabVIEW不仅提供了NI公司自己产品的驱动和函数库的下载，对于Agilent(Key Sight)、R&S、Kenwood等知名厂商的相关测量仪器也提供了丰富的LabVIEW驱动和函数库的下载。本文开发系统所需的Agilent 82357B USB/GPIB接口转换器、Agilent 83732B信号源和Agilent 8563EC频谱仪的驱动均可在NI官网上下载[9-10]。

按照驱动程序附带的安装步骤进行安装，在LabVIEW的函数库→仪器I/O→dir.mnu中可以找到Agilent83732B信号源(hp837xx)、Agilent8563EC频谱仪函数库(图3)。

图3 仪器函数库

2.3 软件设计流程

在测试系统的幅频特性时，由于仪器本身和连接电缆的幅频特性会对测试结果产生直接的影响。为了解决这个问题，在软件设计中加入了校准功能，即先将测试同轴电缆通过双阴短接头短接，测出其幅频特性，在测量被测系统时，将测试数据减去校准数据(dB值)作为测试数据，可消除仪器本身误差和电缆特性的影响。

在测试时，每一个测试循环均应先设置信号源和频谱仪的频率，延迟一段时间(500 ms左右)，待仪器工作稳定后，启动幅度测量，以保证较好的准确性。

测试完成后自动以xls表格文件保存测试数据，以便于数据的保存和事后的分析。程序流程图如图4所示。

2.4 自动测试系统软件开发

LabVIEW的程序设计包括前面板设计和程序框图设计，前面板类似于台式仪器的前面板，包括输入、显示和控制等部件。程序框图类似于台式仪器的内部电路，又如代码语言中的程序代码，实现对仪器的控制、数据的采集、处理与传输等功能。前面板的部件和程序框图之间有相应的接口进行连接。

2.5 前面板设计

软件前面板如图5所示。左半部分为数据输入及显示区域，可输入测试对象、测试人员、起始频率、终止频率、频率间隔和产生信号功率等参数，同时在测试时会实时显示测得的频率和功率。

右半部分为一个选项板，可以选择显示使用说明，实时显示测试频谱图以及显示幅频特性曲线。

图4 程序流程图

2.6 程序框图设计

程序框图主要分成两大部分，第一部分为测试部分，第二部分为数据处理、显示及存储部分。第一部分如图6所示，包括以下4个功能：

① 仪器初始化；

② 测试频率计算，用于计算要测试的频率点，设置信号源及频率仪的频点，通过判断频率是否超出测试终止频率来确定是否跳出测试循环；

③ 设置信号源频点；

④ 设置频谱仪频点及获取测试数据[11-12]。

图6 测试部分程序框图

第二部分如图7所示，包括以下4个功能：

① 绘制幅频特性曲线，包括原始数据曲线和校准后的幅频特性曲线(测试状态、校准状态没有该曲线)；

② 数据文件存储路径及命名，这里采用“年月日时分+测试对象+测试人员”进行自动命名，在校准状态直接命名为“校准文件”，再次校准时自动覆盖原校准文件；

③ 读取校准文件数据并校准测试数据；

④ 将测试数据写入表格文件。

图7 数据处理程序框图

3 系统运行结果与分析

选择“校准”模式，得到4500～6200 MHz的测试曲线如图8所示。可见，由于测试仪器、测试电缆以及接头的影响，其本身的幅频特性起伏较大，也说明了校准的必要性。该曲线数据自动保存为“校准文件”。

图8 测试系统短接得到的校准数据曲线

测试对象为HS5805Z1，是双向5.8 GHz WiFi功率放大器，本次测试的是其接收功放的增益。图9为原始测试数据，图10为采用校准数据校准后的增益分布图，图11为采用Agilent N5230A矢量网络分析仪的测试结果(增加了28 dB的衰减)。经对比可见，本文开发的设备测试的曲线起伏较大，但幅频特性曲线的趋势和数值与矢量网络分析仪的结果均相匹配，也证明了所开发测试系统的有效性。