基于通用仪器的幅频特性测试系统开发∗

叶 文 关成准 祁德元

（1.海军航空工程学院兵器科学与技术系 烟台 264001）（2.中国人民解放军92956部队 旅顺 116041）（3.中国人民解放军91115部队 舟山 316000）

1 引言

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。

传统的幅频特性测试方法为点频测量法，即通过逐点测量一系列规定频率点上的系统增益（或衰减）来确定幅频特性曲线的方法。点频法是一种静态测量法，它的测量准确度较高，能反映出被测系统的静态特性，测量时不需要特殊仪器。其缺点是操作工作繁琐、工作量大、容易漏测某些细节，不能反映出被测系统的动态特性。

扫频测量法是在点频法的基础上发展起来的。它是利用一个扫频信号发生器取代了点频法中的正弦信号发生器。其基本工作原理：扫频振荡器产生一个幅度恒定，且频率随时间线性连续变化的扫频信号作为被测系统的输入信号，该信号经过被测系统后就不再是等幅的，而是幅度按照被测系统的幅频特性做相应变化，并直接将幅频特性曲线显示在显示屏上［1］。扫频测量法的测量过程简单、速度快，也不会产生漏测现象，还能边测量边调试，大大提高了调试工作效率。它反映的是被测系统的动态特性，测量结果与被测系统实际工作情况基本吻合，可完成如滤波器的动态滤波特性的测量等。其不足之处是测量的准确度比点频法低。采用幅频特性测试仪或者网络分析仪的测量方法即为扫频法。

本论文基于现有高性能通用仪器，利用Lab-VIEW开发出一种自动幅频特性测试系统，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。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、测试数据自动存储的特点，可节约购置专用仪器的经费，提高通用仪器的使用率。

图1 本文开发的自动幅频测试系统原理

2 测试系统硬件架构

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Agilent83732B信号源、Agilent8563EC频谱仪、Agilent82357B USB/GPIB转换器［2～3］。

图2 测试系统架构

Agilent83732B信号源是一款微波信号源，其工作频率范围为10MHz～20GHz，带有GPIB接口，可以实现计算机控制。

Agilent8563EC是一款微波频谱分析仪，其工作频率范围可达30Hz～26.5GHz。同样支持基于GPIB的计算机控制。

GPIB是一种通用接口总线。GPIB接口常用在一些仪器设备上作为通讯控制接口，可以通过软件开发，实现对仪器设备的自动控制和数据传输。GPIB接收不是计算机的标配接口，可以在计算机主板上加装PCI的GPIB接口板，也可以采用USB转GBIP设备实现计算机对GPIB接口的支持。Agilent82357B USB/GPIB是一种USB转GBIP的设备。本系统需要计算机同时对两台仪器通过GPIB总线进行控制，还需要一条GPIB电缆，实现对两台仪器的并联，本文选择的是Agilent 10833D GPIB电缆，在进行仪器控制时，通过仪器的地址码进行区分［4～5］。

3 测试系统软件设计

3.1 软件开发语言的选择

本系统软件采用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，被公认为是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW不仅提供了与遵从GPIB、PXI（e）、PCI（e）、VXI、LXI、RS-232和 RS-485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，从而可以方便地建立起自动测试系统［6～8］。

3.2 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、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）。

3.3 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，在进行软件设计时加入了校准功能，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。

图3 仪器函数库

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（500ms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。流程图如图4所示。

3.4 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、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。

3.5 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、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。

3.6 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［11～13］。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，该功能用于计算要测试的频率点，用于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而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［14～15］。

图4 程序流程图

图5 软件前面板

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6 测试部分程序框图

图7 数据处理程序框图

4 实测验证

4.1 系统校准

选择“校准”模式，得到300MHz～600MHz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

4.2 设备测量

测试对象为HS5805Z1，是双向5.8GHz 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28dB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，也证明了本文所开发测试系统的有效性。

图9 原始测试数据

图10 校准护测试数据

图11 Agilent N5230A测试结果

5 结语

本文利用Agilent83732B信号源、Agilent8563EC频谱仪和Agilent82357B USB/GPIB转换器开发出射频段幅频特性自动测试系统，其测量频率可高达20GHz，满足对射频段系统的测量需求。利用LabVIEW软件实现了对射频信号的自动产生、采集和处理，具有良好的测试精确度，显控界面设计简洁、操作方便，提高了仪器的利用率和测试效率。