基于LabVIEW 的测量接收机自动测控系统*

2014-09-26金月红孙家林

计量技术 2014年12期

李凡李诺金月红孙家林

（辽宁省计量科学研究院，沈阳 110004）

0 引言

信号发生器在通信、电子测量仪表、雷达等电子系统中发挥着非常重要的作用。随着自身频率、幅度等指标不断提高，对信号发生器的计量也提出了更高的要求。信号发生器需计量的参数多、量程宽，若采用手动方式，测试人员要同时操作标准器和被测仪器，工作强度大、效率低，以频率上限为20GHz的微波信号发生器为例，计量时按键次数可达数百次，由于人为因素造成的错误必然存在。基于上述原因，急需开发一套自动测控系统，以实现信号发生器等的自动计量。

我们依据JJG 173—2003《信号发生器检定规程》，采用R&S 公司生产的FSMR测量接收机作为标准器对信号发生器进行计量。本系统采用Labview编程的方式实现了计算机对测量接收机和信号发生器的远程控制；使用VB和Labview混合编程的方式实现了自动生成记录和报告以及自动打印的功能。

1 系统硬件组成

系统的硬件结构主要由测量接收机、被测信号发生器、GPIB-USB连接线、GPIB线缆、计算机和打印机组成，如图1 所示。R&S 公司推出的FSMR测量接收机将功率计、宽带频谱仪、调制度分析仪等多种功能集于一身，可以快速准确的完成信号发生器检定和校准任务。

图1 测量接收机自动测控系统结构简图

测试前，使用GPIB线将被测信号发生器和FSMR连接起来，通过GPIB转USB线缆与计算机相连，，使用USB线将计算机与打印机连接，然后，运行相应的程序对被测信号发生器进行测试。

依据JJG 173—2003《信号发生器》，本系统对频率准确度、绝对电平准确度、相对电平准确度、载波的剩余调制、谐波、分谐波、调幅度准确度及频偏准确度等项目进行计量。

1）频率准确度的测量：采用DEMOD模式，设定信号发生器的待测频率fU及合适的幅值，设定FSMR的Center Frequency为相应的频率点，连续测量10 次，取其平均值作为测量结果fS，最后按照式（1）计算频率准确度δ。

2）绝对电平准确度的测量：采用POWERMTR模式，设定信号发生器的输出幅值为0dBm（即LU），设定信号发生器及FSMR为同一频率点，连续读取3 个值，取其平均值作为测量结果LS，按照式（2）计算绝对电平准确度△。

3）相对电平准确度的测量：采用RF LEVEL模式，设定信号发生器的输出幅值为0dBm，设定信号发生器及FSMR的Center Frequency为相应的频率点，从FSMR读取测量值LU0，以此为参考，以10dB为步进改变信号发生器的幅值LU，从FSMR上读取相应的测量值作为LS，按式（3）计算相对电平准确度△。

4）载波的剩余调制的测量：采用DEMOD模式，设定合适的频率和幅值，然后，设定FSMR的Center Frequency为相应的频率点，将FSMR切换到DEMOD的AM或FM状态，测定剩余调幅和剩余调频。

5）谐波、分谐波的测量：采用SPECTRUM模式，设定信号发生器的输出幅值为0dBm，设定输出频率，然后，设定FSMR的Center Frequency为相应的频率点及合适的SPAN，读取基波电平L1，二次谐波电平L2，三次谐波电平L3以及分谐波电平L分，按照式（4）、式（5）、式（6）计算谐波值和分谐波值。

6）幅度调制准确度的测量：采用DEMOD模式，设定合适的频率和幅值，设置需测定的调幅度AMU，然后，设定FSMR的Center Frequency为相应的频率点，将FSMR切换到DEMOD的AM状态，测定AMS，按照式（7）计算幅度调制度的准确度δ。

7）频偏准确度的测量：采用DEMOD模式，设定合适的频率和幅值，设置需测定的频偏FMU，然后，设定FSMR的Center Frequency为相应的频率点，将FSMR切换到DEMOD的FM状态，测定FMS，按照式（8）计算频偏的准确度δ。

2 系统软件设计

本系统在Windows XP环境下采用LabVIEW 语言作为开发平台，使用LabVIEW8.5 进行编程，实现测量接收机的自动控制，完成信号发生器的计量。LabVIEW 是科学研究和工程领域内最主要的图形开发环境，广泛的应用于仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等嵌人式应用系统的开发。，LabVIEW 提供了大量的虚拟仪器和函数库以帮助编程，是较为方便快捷的编程语言。

本系统中，LabVIEW 程序负责仪器的I/O控制，对数据进行采集、分析、显示以及实现人机交互。LabVIEW 语言采用了模块化的编程风格，整个系统包括系统预置、数据采集、数据存储和文档生成等几部分，具体的结构如图2 所示。下面具体说明：

图2 软件结构简图

1）系统预置功能的软件实现：系统预置部分完成本系统开始测试工作前的所有准备工作，例如设置通讯地址、信号发生器初始化、FSMR初始化、检测基本信息录人以及检测频率点、幅值点以及各个测量点的技术指标等测试参数录人。

目前，被测信号发生器型号繁多，产品系列丰富，市场上常见的产品主要有：美国Agilent公司的MXG、ESG、PSG系列；德国R/S 公司的SMF、SMB、SMV系列；日本Anritsu 公司的MG系列；中国电子科技集团公司第41 所的AV系列等，不同厂家、不同系列和型号的信号发生器内部指令几乎相同，但数据的处理方法和指标的判定都不同，这给我们使用一套程序进行控制带来了很大的困难。本系统通过建立信号发生器的测试文件解决了这个问题。系统可以根据被测仪器的具体指标编写相应的测试文件，其结构与MATCAL软件中的ACC文件结构类似，主要由测试功能项目、范围以及相应的最大允许误差等参数组成，具体结构如表1 所示。在测试文件中加人测试点的上限和下限信息，为文档生成部分提供超差判断的依据，该文件对于同型号的设备只需制作一次，可为今后的测试工作提供便利。

表1 测试文件结构

2）数据采集功能的软件实现：数据采集部分主要依据测试文件的内容来完成对FSMR及被测仪器的功能和参数的设置，实现仪器的自动测量和数据的采集。其整个过程采用LabVIEW 语言进行设计，通过调用NI的VISA接口程序来控制GPIB，以控制测量接收机和被测信号发生器，进而设置频率、功率、调谐电平、调幅度和频偏等各参量，然后进行数据采集。由于FSMR的功能众多，为了减少程序编写的工作量，本系统直接采用由R&S 公司提供的FSMR的专用控件。该控件专门为LabView环境设计，将FSMR的基本功能进行整合，极大的提高了LabView程序编写的效率，降低了程序对FSMR的误操作。该控件是完全公开的，可以在NI的官方网站上进行下载。对于被测信号发生器的控制，主要采用标准的SCPI语言。这是由于信号发生器的功能比较类似，大部分只是在频率范围上有所区别，又都支持SCPI语句，所以，可以采用相同的语句对不同的信号发生器进行控制。

3）数据存储功能的软件实现：数据存储部分利用LabVIEW 中的数据记录功能将采集到的数据先保存到txt文件中，以备Word 的调用。

4）文档生成功能的软件实现：文档生成部分根据用户具体需要对采集到的数据进行相应的处理和回放，利用VBA方式调用Word 程序，导人测量数据，自动生成满足固定格式要求的规范化电子文档。这里不再采用LabView对Word 进行操作，主要是由于其程序过于繁琐，不如VB简单快捷。仅以相对电平准确度的Word 操作为例，采用LabView这类图形化语言进行编写，其程序框图便已十分复杂，而采用VB只需几条语句便可实现同样的功能，由此可知，若整套系统的所有Word 操作均用Lab-View编写，其工作量的繁重程度可想而知，基于上述原因，本系统采用LabView与VB混合编程的方式进行编写。采用LabView实现对FSMR和信号发生器的控制与数据采集，采用VB实现测试文档、报告生成，充分利用LabView和VB的长处，极大的提高编写效率和程序的可读性。

3 遇到的问题及解决方案

3.1 硬件部分

FSMR测量接收机在进行相对电平测量时，会根据信号幅度的大小而自动调整平均次数，在测量小信号时候，由于信号幅度小，读数的稳定度不够，此时FSMR测量接收机会自动增加平均次数，如此会大大的增加测试的时间，降低效率。我们在编程时充分考虑到了此类情况，若信号的输出不足够稳定，则此时其精度要求必然不高，即不必过多的增加测量平均次数。通过大量反复的实验，找到了根据信号电平的高低确定平均次数的关系，进而根据实测数据的稳定程度动态的改变测量平均的次数，提高效率，缩短了测量时间。

，为了保证测量精度，要注思控制FSMR在0dBm处进行Calibration Abs Power，当衰减达到40dB后，要进行ReCAL。由于测量接收机量程切换时需要进行ReCAL，当测量到临界量程的测试点时，若信号的输出幅度有波动，则FSMR测量接收机会自动改变量程以适应电平的变化，但如此，所测得的数据其真实性便将大打折扣，有时甚至会出现由于信号过于波动而造成的FSMR测量接收机不断的在切换量程，进而无法读取数据。我们通过更改FSMR测量接收机的解调带宽、采样时间等参数，不断的尝试，确定了如何依据信号的输出稳定情况及所处量程来修改测量接收机的相关参数，以便实现既保证测试精度，又尽可能的节约测量时间。

3.2 软件部分

本系统的测试文件虽然与MATCAL的ACC文件类似，但是信息量远小于ACC文件，这也是本系统需要进一步解决的问题。MATCAL的ACC文件中还包含了设备每个量程的最大允许误差、分辨力等参数，通过这些参数，MACTAL可以实现每个测试点的不确定度计算。然而，MATCAL采用的这种方式更适合对数字表等相关电磁测试设备进行计量校准，而对信号发生器等无线电测试设备并不适合（通常，信号发生器的说明书对每个量程的最大允许误差、分辨力等参数叙述较少）。由此，今后本系统将对相关问题进行研究。