李 凡 李 諾 金月紅 孫家林

（遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110004）

0 引言

信號(hào)發(fā)生器在通信、電子測(cè)量?jī)x表、雷達(dá)等電子系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用。隨著自身頻率、幅度等指標(biāo)不斷提高，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的計(jì)量也提出了更高的要求。信號(hào)發(fā)生器需計(jì)量的參數(shù)多、量程寬，若采用手動(dòng)方式，測(cè)試人員要同時(shí)操作標(biāo)準(zhǔn)器和被測(cè)儀器，工作強(qiáng)度大、效率低，以頻率上限為20GHz的微波信號(hào)發(fā)生器為例，計(jì)量時(shí)按鍵次數(shù)可達(dá)數(shù)百次，由于人為因素造成的錯(cuò)誤必然存在。基于上述原因，急需開發(fā)一套自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器等的自動(dòng)計(jì)量。

我們依據(jù)JJG 173—2003《信號(hào)發(fā)生器檢定規(guī)程》，采用R&S 公司生產(chǎn)的FSMR測(cè)量接收機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行計(jì)量。本系統(tǒng)采用Labview編程的方式實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量接收機(jī)和信號(hào)發(fā)生器的遠(yuǎn)程控制；使用VB和Labview混合編程的方式實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)生成記錄和報(bào)告以及自動(dòng)打印的功能。

1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由測(cè)量接收機(jī)、被測(cè)信號(hào)發(fā)生器、GPIB-USB連接線、GPIB線纜、計(jì)算機(jī)和打印機(jī)組成，如圖1 所示。R&S 公司推出的FSMR測(cè)量接收機(jī)將功率計(jì)、寬帶頻譜儀、調(diào)制度分析儀等多種功能集于一身，可以快速準(zhǔn)確的完成信號(hào)發(fā)生器檢定和校準(zhǔn)任務(wù)。

圖1 測(cè)量接收機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

測(cè)試前，使用GPIB線將被測(cè)信號(hào)發(fā)生器和FSMR連接起來(lái)，通過(guò)GPIB轉(zhuǎn)USB線纜與計(jì)算機(jī)相連，，使用USB線將計(jì)算機(jī)與打印機(jī)連接，然后，運(yùn)行相應(yīng)的程序?qū)Ρ粶y(cè)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試。

依據(jù)JJG 173—2003《信號(hào)發(fā)生器》，本系統(tǒng)對(duì)頻率準(zhǔn)確度、絕對(duì)電平準(zhǔn)確度、相對(duì)電平準(zhǔn)確度、載波的剩余調(diào)制、諧波、分諧波、調(diào)幅度準(zhǔn)確度及頻偏準(zhǔn)確度等項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)量。

1）頻率準(zhǔn)確度的測(cè)量：采用DEMOD模式，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器的待測(cè)頻率fU及合適的幅值，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點(diǎn)，連續(xù)測(cè)量10 次，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果fS，最后按照式（1）計(jì)算頻率準(zhǔn)確度δ。

2）絕對(duì)電平準(zhǔn)確度的測(cè)量：采用POWERMTR模式，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器的輸出幅值為0dBm（即LU），設(shè)定信號(hào)發(fā)生器及FSMR為同一頻率點(diǎn)，連續(xù)讀取3 個(gè)值，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果LS，按照式（2）計(jì)算絕對(duì)電平準(zhǔn)確度△。

3）相對(duì)電平準(zhǔn)確度的測(cè)量：采用RF LEVEL模式，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器的輸出幅值為0dBm，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器及FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點(diǎn)，從FSMR讀取測(cè)量值LU0，以此為參考，以10dB為步進(jìn)改變信號(hào)發(fā)生器的幅值LU，從FSMR上讀取相應(yīng)的測(cè)量值作為L(zhǎng)S，按式（3）計(jì)算相對(duì)電平準(zhǔn)確度△。

4）載波的剩余調(diào)制的測(cè)量：采用DEMOD模式，設(shè)定合適的頻率和幅值，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點(diǎn)，將FSMR切換到DEMOD的AM或FM狀態(tài)，測(cè)定剩余調(diào)幅和剩余調(diào)頻。

5）諧波、分諧波的測(cè)量：采用SPECTRUM模式，設(shè)定信號(hào)發(fā)生器的輸出幅值為0dBm，設(shè)定輸出頻率，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點(diǎn)及合適的SPAN，讀取基波電平L1，二次諧波電平L2，三次諧波電平L3以及分諧波電平L分，按照式（4）、式（5）、式（6）計(jì)算諧波值和分諧波值。

6）幅度調(diào)制準(zhǔn)確度的測(cè)量：采用DEMOD模式，設(shè)定合適的頻率和幅值，設(shè)置需測(cè)定的調(diào)幅度AMU，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點(diǎn)，將FSMR切換到DEMOD的AM狀態(tài)，測(cè)定AMS，按照式（7）計(jì)算幅度調(diào)制度的準(zhǔn)確度δ。

7）頻偏準(zhǔn)確度的測(cè)量：采用DEMOD模式，設(shè)定合適的頻率和幅值，設(shè)置需測(cè)定的頻偏FMU，然后，設(shè)定FSMR的Center Frequency為相應(yīng)的頻率點(diǎn)，將FSMR切換到DEMOD的FM狀態(tài)，測(cè)定FMS，按照式（8）計(jì)算頻偏的準(zhǔn)確度δ。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在Windows XP環(huán)境下采用LabVIEW 語(yǔ)言作為開發(fā)平臺(tái)，使用LabVIEW8.5 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)測(cè)量接收機(jī)的自動(dòng)控制，完成信號(hào)發(fā)生器的計(jì)量。LabVIEW 是科學(xué)研究和工程領(lǐng)域內(nèi)最主要的圖形開發(fā)環(huán)境，廣泛的應(yīng)用于仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)顯示等嵌人式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。，LabVIEW 提供了大量的虛擬儀器和函數(shù)庫(kù)以幫助編程，是較為方便快捷的編程語(yǔ)言。

本系統(tǒng)中，LabVIEW 程序負(fù)責(zé)儀器的I/O控制，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、顯示以及實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。LabVIEW 語(yǔ)言采用了模塊化的編程風(fēng)格，整個(gè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)預(yù)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文檔生成等幾部分，具體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。下面具體說(shuō)明：

圖2 軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1）系統(tǒng)預(yù)置功能的軟件實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)預(yù)置部分完成本系統(tǒng)開始測(cè)試工作前的所有準(zhǔn)備工作，例如設(shè)置通訊地址、信號(hào)發(fā)生器初始化、FSMR初始化、檢測(cè)基本信息錄人以及檢測(cè)頻率點(diǎn)、幅值點(diǎn)以及各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)等測(cè)試參數(shù)錄人。

目前，被測(cè)信號(hào)發(fā)生器型號(hào)繁多，產(chǎn)品系列豐富，市場(chǎng)上常見的產(chǎn)品主要有：美國(guó)Agilent公司的MXG、ESG、PSG系列；德國(guó)R/S 公司的SMF、SMB、SMV系列；日本Anritsu 公司的MG系列；中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41 所的AV系列等，不同廠家、不同系列和型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部指令幾乎相同，但數(shù)據(jù)的處理方法和指標(biāo)的判定都不同，這給我們使用一套程序進(jìn)行控制帶來(lái)了很大的困難。本系統(tǒng)通過(guò)建立信號(hào)發(fā)生器的測(cè)試文件解決了這個(gè)問(wèn)題。系統(tǒng)可以根據(jù)被測(cè)儀器的具體指標(biāo)編寫相應(yīng)的測(cè)試文件，其結(jié)構(gòu)與MATCAL軟件中的ACC文件結(jié)構(gòu)類似，主要由測(cè)試功能項(xiàng)目、范圍以及相應(yīng)的最大允許誤差等參數(shù)組成，具體結(jié)構(gòu)如表1 所示。在測(cè)試文件中加人測(cè)試點(diǎn)的上限和下限信息，為文檔生成部分提供超差判斷的依據(jù)，該文件對(duì)于同型號(hào)的設(shè)備只需制作一次，可為今后的測(cè)試工作提供便利。

表1 測(cè)試文件結(jié)構(gòu)

2）數(shù)據(jù)采集功能的軟件實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集部分主要依據(jù)測(cè)試文件的內(nèi)容來(lái)完成對(duì)FSMR及被測(cè)儀器的功能和參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)的采集。其整個(gè)過(guò)程采用LabVIEW 語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)用NI的VISA接口程序來(lái)控制GPIB，以控制測(cè)量接收機(jī)和被測(cè)信號(hào)發(fā)生器，進(jìn)而設(shè)置頻率、功率、調(diào)諧電平、調(diào)幅度和頻偏等各參量，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于FSMR的功能眾多，為了減少程序編寫的工作量，本系統(tǒng)直接采用由R&S 公司提供的FSMR的專用控件。該控件專門為L(zhǎng)abView環(huán)境設(shè)計(jì)，將FSMR的基本功能進(jìn)行整合，極大的提高了LabView程序編寫的效率，降低了程序?qū)SMR的誤操作。該控件是完全公開的，可以在NI的官方網(wǎng)站上進(jìn)行下載。對(duì)于被測(cè)信號(hào)發(fā)生器的控制，主要采用標(biāo)準(zhǔn)的SCPI語(yǔ)言。這是由于信號(hào)發(fā)生器的功能比較類似，大部分只是在頻率范圍上有所區(qū)別，又都支持SCPI語(yǔ)句，所以，可以采用相同的語(yǔ)句對(duì)不同的信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行控制。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的軟件實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分利用LabVIEW 中的數(shù)據(jù)記錄功能將采集到的數(shù)據(jù)先保存到txt文件中，以備Word 的調(diào)用。

4）文檔生成功能的軟件實(shí)現(xiàn)：文檔生成部分根據(jù)用戶具體需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和回放，利用VBA方式調(diào)用Word 程序，導(dǎo)人測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成滿足固定格式要求的規(guī)范化電子文檔。這里不再采用LabView對(duì)Word 進(jìn)行操作，主要是由于其程序過(guò)于繁瑣，不如VB簡(jiǎn)單快捷。僅以相對(duì)電平準(zhǔn)確度的Word 操作為例，采用LabView這類圖形化語(yǔ)言進(jìn)行編寫，其程序框圖便已十分復(fù)雜，而采用VB只需幾條語(yǔ)句便可實(shí)現(xiàn)同樣的功能，由此可知，若整套系統(tǒng)的所有Word 操作均用Lab-View編寫，其工作量的繁重程度可想而知，基于上述原因，本系統(tǒng)采用LabView與VB混合編程的方式進(jìn)行編寫。采用LabView實(shí)現(xiàn)對(duì)FSMR和信號(hào)發(fā)生器的控制與數(shù)據(jù)采集，采用VB實(shí)現(xiàn)測(cè)試文檔、報(bào)告生成，充分利用LabView和VB的長(zhǎng)處，極大的提高編寫效率和程序的可讀性。

3 遇到的問(wèn)題及解決方案

3.1 硬件部分

FSMR測(cè)量接收機(jī)在進(jìn)行相對(duì)電平測(cè)量時(shí)，會(huì)根據(jù)信號(hào)幅度的大小而自動(dòng)調(diào)整平均次數(shù)，在測(cè)量小信號(hào)時(shí)候，由于信號(hào)幅度小，讀數(shù)的穩(wěn)定度不夠，此時(shí)FSMR測(cè)量接收機(jī)會(huì)自動(dòng)增加平均次數(shù)，如此會(huì)大大的增加測(cè)試的時(shí)間，降低效率。我們?cè)诰幊虝r(shí)充分考慮到了此類情況，若信號(hào)的輸出不足夠穩(wěn)定，則此時(shí)其精度要求必然不高，即不必過(guò)多的增加測(cè)量平均次數(shù)。通過(guò)大量反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，找到了根據(jù)信號(hào)電平的高低確定平均次數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度動(dòng)態(tài)的改變測(cè)量平均的次數(shù)，提高效率，縮短了測(cè)量時(shí)間。

，為了保證測(cè)量精度，要注思控制FSMR在0dBm處進(jìn)行Calibration Abs Power，當(dāng)衰減達(dá)到40dB后，要進(jìn)行ReCAL。由于測(cè)量接收機(jī)量程切換時(shí)需要進(jìn)行ReCAL，當(dāng)測(cè)量到臨界量程的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，若信號(hào)的輸出幅度有波動(dòng)，則FSMR測(cè)量接收機(jī)會(huì)自動(dòng)改變量程以適應(yīng)電平的變化，但如此，所測(cè)得的數(shù)據(jù)其真實(shí)性便將大打折扣，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)由于信號(hào)過(guò)于波動(dòng)而造成的FSMR測(cè)量接收機(jī)不斷的在切換量程，進(jìn)而無(wú)法讀取數(shù)據(jù)。我們通過(guò)更改FSMR測(cè)量接收機(jī)的解調(diào)帶寬、采樣時(shí)間等參數(shù)，不斷的嘗試，確定了如何依據(jù)信號(hào)的輸出穩(wěn)定情況及所處量程來(lái)修改測(cè)量接收機(jī)的相關(guān)參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)既保證測(cè)試精度，又盡可能的節(jié)約測(cè)量時(shí)間。

3.2 軟件部分

本系統(tǒng)的測(cè)試文件雖然與MATCAL的ACC文件類似，但是信息量遠(yuǎn)小于ACC文件，這也是本系統(tǒng)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。MATCAL的ACC文件中還包含了設(shè)備每個(gè)量程的最大允許誤差、分辨力等參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)，MACTAL可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的不確定度計(jì)算。然而，MATCAL采用的這種方式更適合對(duì)數(shù)字表等相關(guān)電磁測(cè)試設(shè)備進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，而對(duì)信號(hào)發(fā)生器等無(wú)線電測(cè)試設(shè)備并不適合（通常，信號(hào)發(fā)生器的說(shuō)明書對(duì)每個(gè)量程的最大允許誤差、分辨力等參數(shù)敘述較少）。由此，今后本系統(tǒng)將對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。

4 總結(jié)

利用本套系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的自動(dòng)測(cè)試，可以提高效率，降低強(qiáng)度，使得原本需要近一天的工作可以在約1～2 小時(shí)內(nèi)完成，節(jié)省了時(shí)間，還提升了測(cè)量的可靠性。開發(fā)本套系統(tǒng)豐富了實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試手段，適應(yīng)計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，更能為其它測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。