肖苏飞，宋 云，童颖飞，杨沁泓

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

基于通用测试平台的信号分析仪 自动校准系统

肖苏飞，宋 云，童颖飞，杨沁泓

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

设计了一种基于通用测试平台的信号分析仪自动校准系统。该系统可根据不同信号分析仪的校准要求，灵活开发相应的自动校准方法，采用VISA仪器软件接口标准，通过LAN接口实现PC机与可程控校准仪器和被检信号分析仪的TCP/IP通讯，实现校准方法的全自动运行，并生产自定义的校准证书。通过信号分析仪N9020A的校准实例分析，验证了自动校准系统校准数据的准确性和稳定性，且自动校准系统的校准效率相对于手动校准可提高10倍以上。

自动校准；通用测试平台；信号分析仪；VISA

Abstract: An automatic calibration system of the signal analyzer is designed based on the general test platform. According to the calibration requirements of different signal analyzers, the system can flexibly develop the corresponding automatic calibration methods. With the VISA software interface standard, the communication between the PC and the TCP/IP of the program-controlled calibrator and the signal analyzer under test can be performed via the LAN interface, realizing the fully automatic operation of the calibration methods, and the self-defined calibration certificates are produced. The calibration data of the automatic calibration system are verified to be accurate and stable through the analysis of a calibration instance of the signal analyzer N9020A, and the calibration efficiency of the automatic calibration system can be increased by over 10 times relative to manual calibration.

Keywords: automatic calibration; general test platform; signal analyzer; VISA

0 引 言

信号分析仪是一种通用的射频信号分析仪器，被广泛应用于电子测量中。但是，信号分析仪的校准项目多，校准频点多，传统的手动校准效率低，计量工作量较大。现代的大部分仪器均提供了程控接口，这为信号分析仪的自动校准设计提供了前提条件。以往的大部分自动校准软件均存在人机交互较差、新型号仪器无法校准等问题[1-2]，软件通用性和健壮性较差。

本文设计了基于通用测试平台的信号分析仪自动校准系统。通用测试平台采用虚拟仪器软件结构VISA(Virtual Instrument Software Architecture)软件接口标准[3]，通过LAN接口实现PC机与测试仪器的TCP/IP通信。基于通用测试平台，根据被检信号分析仪的校准需求，设计了信号分析仪自动校准系统。该系统由系统管理平台、资源管理平台、校准程序开发平台、校准程序执行平台以及数据管理平台等5个子平台组成。它具有便利的校准方法开发功能和快速的自动校准功能。用户可通过校准程序开发平台便捷地实现不同信号分析仪自动校准方法的二次开发，并且可根据用户需求生成自定义格式的校准证书。同时，系统校准数据保存于SQL Server数据库中，实现了校准数据的永久保存，方便了仪器的问题追溯。

1 通用测试开发平台

通用测试开发平台是面向一般的微波/射频设备复杂系统的自动化测试工具软件平台。系统软件采用Microsoft Visual Studio作为开发工具，基于.NET Framework 4.0平台，并采用Microsoft Access 2003及Microsoft SQL Server 2008作为数据库，可运行于Windows XP及以上的平台。作为涵盖测试创建、执行、分析和管理的一体化自动测试平台，通用测试开发平台具有以下一些特点：

(1) 以通用化设计为原则，可对一般的微波/射频设备进行电性能指标测试。面向对象，依据接口编程，将测试过程模块化，模块之间通过平台交互，达到易于维护的目的；

(2) 系统软件具有开放性、灵活性和扩展性，无需编程，通过简单的图形界面即可创建测试，测试方法易于编辑、仪表资源可扩充/裁减，对于不同测试对象可迅速建立相应的测试流程；

(3) 利用数据库配置系统的测试参数，便于管理，同时具备自动化的测试结果收集、可视化的测试文档和报告生成、数据输出和自动文档记录等功能；

(4) 支持多种测试测量仪器及多种测试仪器控制总线接入方式，具备通用仪器的标准操作函数库，能够灵活地实现仪器仪表的操作；

(5) 软件界面友好，操作方便，易于学习和使用。

2 信号分析仪自动校准系统实现方法

本文中的自动校准系统严格按照JJF 1396-2013《频谱分析仪校准规范》的校准要求[4]进行自动化校准方法设计，包含校准信号频率、输入衰减、频率显示、扫频宽度、中频带宽、中频带宽选择性、垂直刻度、参考电平、输入频响、平均噪声电平、谐波失真、中频带宽转换偏差等12项指标。每个指标需校准多个频点，在手动校准的情况下工作量较大，自动校准技术的引入则可将工作时间和人力大大缩减。

2.1 自动校准系统软件构成及功能

自动校准系统软件由系统管理平台、资源管理平台、校准程序开发平台、校准程序执行平台以及数据管理平台等5个子平台组成。组成框图如图1所示。

图1 自动校准系统软件组成框图

主要使用的功能模块如下：

(1) 资源管理平台

资源管理平台主要实现对自动校准系统硬件测试设备的配置，可实现新增、删除、修改硬件设备的功能。通过资源管理平台，校准系统能够针对不同的被测件进行灵活的系统硬件配置。信号分析仪自动校准系统需要添加被检信号分析仪、信号源、功率计、程控衰减器和程控开发的驱动器等硬件测试设备的配置，根据各类仪器在校准系统的校准需求设计对应的仪器dll驱动文件和xml配置文件，并在资源管理平台中进行选择配置。

(2) 校准程序开发平台

校准程序开发平台主要实现针对不同校准对象、校准指标，在平台中根据已配置的硬件资源编辑对应的测试动作，将测试动作按正确的测试时序排列，构成完整的校准流程，并保存到计算机硬盘。信号分析仪自动校准系统根据JJF 1396-2013《频谱分析仪校准规范》的校准要求对校准信号频率等12项校准项目进行自动化校准方法设计，根据手动校准方法转移成相应的自动校准方法，通过调用各类仪器配置好的测试方法，编辑自动化校准流程，实现自动化校准程序的开发。

(3) 校准程序执行平台

校准程序执行平台主要实现对校准流程执行前系统的自检，以及自检后执行校准程序开发模块中保存的测试流程。选择设计完成的自动校准方法进行运行可实现校准方法的自动化执行，自动实时显示信号分析仪的校准结果，并将校准结果保存至校准结果数据库。

(4) 数据管理平台

数据管理平台主要实现校准结果的查询、校准数据的导出及测试结果的自动报表输出。自动校准软件通过调用C#的Word组件实现校准证书的自动导出，根据给定的校准证书模板进行自定义报表导出软件设计。

2.2 校准系统测试原理

对于信号分析仪的校准，严格按照校准要求对信号分析仪的准信号频率等12项指标进行校准。根据校准规范的需求，配置校准所需的硬件设备，配置后信号分析仪的自动校准系统框图如图2所示。

系统的校准原理：通过TCP/IP网络命令控制信号源产生所需校准频率的信号，再根据校准规范要求以及测试路径的需要，通过驱动器自动控制程控衰减器的衰减量和程控开关的切换路径，进而读取功率计和被检信号分析仪相应参数的值，从而完成对信号分析仪的全自动校准。信号分析仪自动校准系统框图如图2所示。

图2 信号分析仪自动校准系统框图

2.3 系统软件设计

信号分析仪自动校准系统软件通过通用测试开发平台的图形化测试开发环境进行设计。硬件系统配置完成后，在通用测试平台中对校准软件进行设计。自动校准软件是整个系统指挥控制的调度中心，通过仪器接口总线[5]，对系统设备初始化，发出各类仪器的动作控制及数据读取命令，同时接收系统中测试仪器的返回信息，并对其进行分析处理，从而迅速地完成校准的全过程及相应的数据处理，全面完成系统的自动化校准。

通过校准程序开发平台，将校准方法按设计好的测试时序添加校准系统硬件资源节点或者逻辑控制节点，并通过可视化界面设置各个节点的动作和属性。

校准方法编辑完成后，通过校准程序执行平台执行校准流程。方法流程执行到每个节点时按照设置好的动作或者属性控制对应的测试资源，并在显示面板上实时显示校准结果，最后保存至数据库中。通过自动校准系统导出的校准证书可直接提交作为校准结果，省略了数据处理和人工记录的时间。校准软件的控制流程如图3所示。

3 应用实例

下面就信号分析仪Keysight N9020A校准应用情况对自动校准系统的可靠性加以论证说明。校准数据通过自动校准系统自动采集并生成，测试结果取自动校准及手动校准10次结果的RMS值作比较，以手动测试结果为基准。表1、表2分别为频率显示和中频带宽的手动和自动校准数据及对比结果。

图3 校准软件控制流程图

表1 频率显示的校准结果

表2 中频带宽的校准结果

从表中不难看出，自动测试的数据与基准相比误差均在1%以内，能满足校准的要求，从而说明了信号分析仪自动校准系统具有较高精度和可靠性。同时，信号分析仪单次手动校准时间大约为4 h，而自动校准时间只需20 min。同时，自动校准系统可自动导出校准证书，节约了人工手动记录时间，极大地提高了工作效率。通过应用结果证明，该自动化校准系统能够高效的完成信号分析仪的校准工作。

4 结束语

本文依据JJF 1396-2013《频谱分析仪校准规范》的校准要求，设计了基于通用测试平台的信号分析仪自动校准系统，实现了信号分析仪的自动化校准。该系统简单实用，界面友好，且校准结果可根据自定义模板导出，工作效率大大提高，能够满足大批量信号分析仪校准需求，极大缩短了信号分析仪的计量周期，对科研生产工作的顺利开展具有重要的技术支撑作用。

[1] 宋同根，谈东兰，马晖，李平. 基于VC++和SQL-Server的频谱分析仪检定/校准系统设计及实现[J]. 现代电子技术,2013(19):120-123.

[2] 左建生，朱建刚，缪轶，桑昱. 频谱分析仪的自动校准系统 [J]. 上海计量测试, 2012(6):19-21.

[3] 孟馨，王志刚，马文敏，王新磊. 基于GPIB总线和VISA标准自动测试系统的应用 [J].河北工业大学学报, 2009,38(2):83-86.

[4] 国家质量监督检验检疫总局. JJF 1396-2013频谱分析仪校准规范[S].北京：国家质量监督检验检疫总局,2013.

An automatic calibration system of signal analyzer based on general test platform

XIAO Su-fei, SONG Yun, TONG Ying-fei, YANG Qin-hong

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TP311

A

1009-0401(2017)02-0065-04

2017-04-20;

2017-04-28

肖苏飞(1989-)，男，工程师，硕士，研究方向：仪器仪表自动化测试、软件设计；宋云(1968-)，女，高级工程师，研究方向：计量测试技术和计量管理以及T/R组件自动化测试；童颖飞(1989-)，男，工程师，硕士，研究方向：软件工程、自动化仪器仪表；杨沁泓(1988-)，女，工程师，研究方向：无线电、微波计量测试技术、仪器仪表自动化测试。