本研究開發了基于LabVIEW平臺的多路前置放大器的自動測量系統,可實現多路放大器技術指標的全部自動測量或選項測量.
1 系統功能及組成
1. 1 系統功能
系統能自動測量前置放大器輸出信號的電壓、增益、帶寬、噪聲、失真、串擾、跨阻等性能指標;也可以選擇測量某些性能指標;自動記錄和打印測試數據,并判斷測得的數據是否合格;具有多種介質存儲數據功能;能自動進行測量校準和重新設定指標的參數.
1. 2 系統組成
系統由硬件和軟件兩部分組成. 硬件由測試儀器、工控機、GPIB 接口卡、I/ O 接口卡、可編程控制電路和打印機組成,對放大器的輸入、輸出信號的頻率、電壓值和波形進行測量,測量數據通過GPIB 總線由工控機讀取和處理;軟件由人機界面程序、測量與控制程序和數據處理程序組成,在LabVIEW平臺構建虛擬儀器,靈活地將計算機平臺、硬件、軟件結合起來,組成所需要的特定應用設備,完成放大器各項性能指標的測量和記錄,并標記超標數據和打印測量結果
圖1 系統組成框圖
2 系統硬件構成
a. 測量儀器
數字萬用表：采用Agilent34401A ,其頻率范圍為3Hz～300 kHz ,基本直流精度為15 ×10 - 6 、分辨率為6. 5 ,在本系統中用于測量交、直流電壓、頻率.
數字示波器：采用TDS1002 , 并配接TDS2CMA 通信接口模塊,其頻率范圍為0Hz～60MHz ,采樣速率為1Gbit/ s ,垂直分辨率為8bit ,時間基準精度為50 ×10 - 6 ,在系統中用于測量波形和進行FFT 分析.
任意波形發生器： 采用Agilent33220A ,其頻率范圍為1μHz～20 MHz ,分辨率為14 bit ,采樣速率為50 Mbit/ s ,具有線性和對數掃描功能,掃描速率可在1ms～500s 范圍內選擇,在系統中用于產生幅度、頻率可變的點頻信號和掃頻信號.3 臺儀器均具有GPIB 接口儀器,既可以作為獨立的單臺儀器使用,也可以構成GPIB 總線虛擬儀器測試系統.
b. GPIB 接口卡
采用NI公司生產的PCI-GPIB 接口卡,完成GPIB總線和PCI 總線的連接,實現工控機與測量儀器的通信、控制. 本系統用GPIB 電纜將GPIB 卡、工控機與3 臺儀器作星形連接,實時測量多路前置放大器的工作狀態. 儀器通過GPIB 接口卡以1000/s 讀數的速度將測得的數據送入工控機顯示、存儲并處理,從而實現一個閉環反饋的自動測量系統. 它擴展了現有儀器的功能,使測量工作變得快捷、簡便、精確和高效.
c. I/ O 接口卡
采用NI 公司生產的PCI26503 數字I/ O卡,該卡提供了24bit 并行的數字I/ O界面,在系統中用于控制測量端口和測量儀器的轉換.
d. 可編程控制電路板
自行設計的可編程控制電路板,用于完成被測模塊的選擇、模塊內部各通路及連接方式的選取、向被測產品提供電源和激勵信號.
3 系統軟件構成
軟件構成框圖如圖2 所示. 其中測量與控制部分的功能劃分為多個子模塊進行設計,提高了軟件的可靠性、可維護性和可擴展性.
圖2 系統測試程序框圖
A. 人機界面
用于確定用戶類別和各類用戶的操作權限.最高為系統管理員的操作權限,包括:開始測試、數據管理、參數修改三大功能. 其中“開始測試”操作包括自動測試和選項測試,選擇后可以進行多路放大器模塊的測試操作;“數據管理”操作包括測試記錄的查詢、保存、打印等操作;“參數修改”操作包括芯片的參數指標修改.
B. 測量與控制部分
用于完成各項指標的測量. 測控程序分為3類:
a. 儀器通信子VI ,為每臺GPIB 儀器構建通信子VI. 通信子VI 采用VISA 方式和IVI 方式編程實現. VISA 是虛擬儀器軟件結構體系(Virtual Inst rument Software Architecture) ,實質是一個I/ O 接口軟件庫. 采用了VISA 標準,就可以不考慮時間及儀器I/ O 選擇項. IVI 是可互換虛擬儀器( Interchangeable Virtual Instrument ) ,其實質是一個以儀器類別劃分的儀器驅動程序庫,采用IVI 編程可直接調用LabVIEW 工作平臺提供的虛擬儀器驅動程序. 本系統對采用傳輸VISA Session 和IVI Session 參數進行控制.
b. 指標測量子VI ,將需測試的各項指標編寫成獨立的測試子VI ,采用調用LabVIEW函數方式編程實現. 程序運行順序采用順序結構和事件結構實現,既能單獨調用一個測試子VI程序,也能同時調用多個測試子VI 程序,使各個測試項目有序進行, 互不干擾.
c. 采集控制子VI ,發送各測量端口轉換控制命令. 通過調用“確定端口”和“寫端口”傳輸控制參數至數字I/ O卡.
C. 數據處理部分
用于對測量到的數據進行處理計算、匯總,得到所需的信息,并嵌入打印程序,可隨時對數據進行打印.
4 系統工作原理與工作過程
系統工作時,首先進入系統登錄界面,輸入用戶名和密碼可確定操作人員的工作權限,無權限的操作按鈕被隱藏.“測試”操作包括自動測試和選項測試,33 項測試參數通過“建立數組”函數,形成參數變量子VI ,供各項參數測試時調用. 開始測量時,先依次初始化萬用表、示波器、任意波發生器和I/O 接口,并通過檢查取樣電阻上的電壓,檢查多路前置放大器模塊上的電源連接和模塊的接入. 然后,調用數據庫中的測試條件參數對儀器進行測試環境設置和向I/ O接口卡發送控制命令. 可編程控制電路板上的CPLD 對控制命令進行譯碼,進而實現對測試點的選擇;工控機通過GPIB 總線讀取萬用表、示波器所測的數據. 對于可直接測量的指標,工控機存儲所測數據并在人機交互界面顯示;對于不能用萬用表、示波器直接測量的指標,則通過LabVIEW 平臺的數據處理來獲得,即在測試程序中嵌入“公式節點”函數,計算出間接測量的指標,如放大倍數、帶寬、噪聲、串擾、跨阻等性能指標的測量. 測得的參數都將與測試條件參數比較,判定合格與否.
基于LabVIEW 工作平臺自動測量系統,為多路前置放大器技術參數的快速測試提供了一個實時可靠的解決方案,經過大量仿真和實際測試,結果表明:該測量系統能在30min 時間內,自動完成5 路放大器165個參數的測量、記錄、標出不合格參數以及打印,滿足系統要求,目前已投入使用. 采用虛擬測試技術取代傳統的測試手段,可以極大地提高工作效率.