基于IVI技術的頻譜分析儀自動檢定系統設計

趙汝和，李迅波，李三雁

（1.四川大學錦城學院，四川 成都 611731；2.電子科技大學，四川 成都 610054)

基于IVI技術的頻譜分析儀自動檢定系統設計

趙汝和1，李迅波2，李三雁1

（1.四川大學錦城學院，四川 成都 611731；2.電子科技大學，四川 成都 610054)

針對目前頻譜分析檢定過程中面臨的檢定項目多、流程復雜、效率低、自動化程度不高、測試程序無法通用等問題，通過研究頻譜儀的工作原理、檢定方法和IVI技術，提出以GPIB為總線的頻譜分析儀自動檢定系統的硬件設計方案，設計檢定系統的軟件架構和檢定系統工作流程。在測試軟件架構中設計IVI-C和IVI-COM兩種形式的驅動器，可隔離測試程序和硬件，使測試程序和硬件無關，利用IVI驅動器實現儀器狀態仿真。實踐證明采用該系統檢定頻譜分析儀E4448A的時間可縮短至2h以內，檢定頻譜儀AV4032A，測試程序無需更改。

自動檢定；IVI；VISA；GPIB；頻譜分析儀；ATS

0 引 言

頻譜分析儀可以完成調頻（FM)、調幅（AM)、數字調制，也可以對信號的頻率、電平、諧波、噪聲、增益、衰減等多種參數進行測量，被廣泛地應用于微波射頻、通信開發、機械故障診斷等領域，頻譜分析儀是信號頻域分析的強大工具，定期對頻譜分析儀進行校準是保證其工作在合格狀態的必要手段，但是頻譜分析儀的檢定通常是手工檢定，效率低下、流程復雜，檢定一臺頻譜分析儀的時間通常需要1d以上[1-2]。同時，頻譜儀的型號繁多，不同廠家的頻譜儀、同一廠家不同型號的頻譜儀的檢定方法都不相同，增加了檢定的復雜程度，而且在26.5～50GHz頻譜儀的通用校準技術和設備長期被安捷倫、日本安立公司、德國R/S公司壟斷。鑒于此，我國在2013年發布了JJF 1396——2013《頻譜分析儀校準規范》，統一了超外差式頻譜分析儀的校準規范，儀器的檢定范圍從30Hz～26.56GHz擴大到 3Hz～50GHz，同時對計量性能也提出了更高的要求，在檢定項目上增加了噪聲邊帶、剩余調頻、頻率計數等項目，取消了頻率穩定性檢測，新的國家標準需要對檢定的項目、流程進行相應調整[2]。上海市計量測試技術研究院、中國計量科學研究院、中電十三所等[3]相關機構進行探索并開發了檢定系統但是系統存在自動化程度不高，沒有解決儀器互換性，測試程序無法通用等問題，生產現場迫切需要一種可以實現儀器互換的基于自動化技術的自動檢定方案。本文在研究JJF 1396——2013后， 以IVI（interchangeable virtual instrument)技術為基礎，設計儀器可互換的頻譜分析儀的自動檢定系統，完成系統的軟、硬件設計。

1 頻譜分析儀工作原理以及典型檢定方法研究

1.1 頻譜分析儀的工作原理

頻譜分析儀用于在頻域內顯示信號的頻譜特性，頻譜分析儀根據工作原理的不同有多通道濾波器式頻譜分析儀、FFT頻譜分析儀和超外差式頻譜分析儀3大類。多通道濾波器式頻譜分析儀是利用一組濾波器來分析信號頻率，其性能受濾波器的帶寬和數目的限制。FFT頻譜分析儀把輸入信號經可變衰減器衰減，然后通過低通濾波器濾波去除不需要的高頻信號，經過A/D采樣把連續的模擬信號變成離散的數字信號，借助傅里葉變換把輸入信號分解成獨立的頻率分量，適合對持續時間很短的瞬態信號和非周期信號的頻譜測量。

超外差式頻譜分析儀適合于高頻和超高頻信號的處理，它采用混頻器將輸入高頻信號和本振信號經過相乘后成為中頻或低頻信號，采用自動調諧的方式，通過改變本振的頻率捕獲被測信號的頻率分量[4]。詳見圖1。

圖1 數字式超外差頻譜分析儀方框圖

1.2 頻譜儀典型檢定方法研究

對于超外差式頻譜分析儀校準的項目達24項，較為基礎和核心的項目有：掃頻寬度、頻率讀數、參考電平、垂直顯示刻度、分辨力帶寬、噪聲邊帶、輸入頻率響應、垂直顯示刻度等。本文以分辨力帶寬和輸入頻率響應為例給出了檢定方法。

1.2.1 分辨力帶寬

分辨力帶寬有3dB分辨力帶寬和60dB分辨力帶寬兩個項目，3dB帶寬是測量頻率相差3dB的兩個等幅信號合成后可以在頻譜儀上顯示兩個波峰的能力，60dB帶寬用于表征頻譜儀對不等幅信號的分辨能力[2]。分辨力帶寬測試主要由信號源、電纜和頻譜分析儀構成，在檢定過程中由信號源提供1kHz，3kHz，1MHz等不同頻率的信號。儀器連接如圖2所示。

圖2 分辨力帶寬測試連接圖

檢定過程是首先設置信號源的信號頻率和輸出電平，然后設置頻譜儀的參考電平、分辨力帶寬、掃頻寬度、掃描時間、然后調節信號源電平讀取頻譜儀的相關參數，詳見圖3。

分辨力的計算公式為

分辨力的相對誤差為

圖3 分辨力帶寬檢定流程

式中：RBWn——被檢頻譜儀3 dB分辨能力帶寬標稱值，Hz；

Δ——3dB分辨力帶寬相對誤差。

60dB分辨力帶寬的檢定與其類似，不再贅述。

1.2.2 輸入頻率響應

輸入頻率響應的檢定需要功分器、功率計、信號源以及被檢頻譜儀，頻率響應檢定的基本思路是：信號源輸出的信號電平不變，改變其頻率，在頻譜儀中觀察并記錄電平的變化，詳見圖4。

圖4 頻率響應檢定連接圖

頻率響應的檢定方法是用通信電纜按照圖4連接儀器，選擇參考點頻率，然后完成頻譜儀相關的設置。設置信號源頻率為頻譜儀校準信號頻率，輸出電平為-4 dBm，調整信號源，讓其峰值為-10 dBm，記錄此時的讀數為LSAR，用功率計測量信號電平，將它作為LPMR[2-4]。將LSAR和LPMR記錄到相應的表中即可得到各個頻率輸入點的頻率響應FR。頻率補償要考慮信號頻帶切換時的信號突變。

2 頻譜分析儀自動檢定系統硬件設計

本文頻譜分析儀檢定系統的硬件組成主要有：主控計算機、矢量信號源、功率計、合成信號發生器、測量接收機、網絡分析儀、功分器、程控衰減器、微波開關組合儀器、頻率計和低通濾波器以及定向耦合器、50Ω匹配負載、連接器、轉換器、GPIB接口控制卡等部件[5-6]。

主控計算機是整個檢定系統的控制中心，在主控計算機上記錄相關的儀器參數，運行檢定程序，發送對儀器的控制命令，讀取儀器的相關參數，保存檢定數據等。

信號源、功率計、頻率計、程控衰減器等儀器通過GPIB（general purpose interface bus)接口連接起來，用于測控計算機和儀器的互聯，GPIB總線的數據傳輸速率可達1MB/s[7]。GPIB系統中的器件可以有控、聽、講3種屬性中的一種或多種。在本系統中測控計算機具有控、聽、講3種屬性，頻譜分析儀可以接受程控命令，同時把測試結果提供給計算機，因此頻譜分析儀具有聽、講屬性，打印機只接受數據，只有聽屬性[7]。

GPIB標準建立了聽者功能、講者功能、控者功能、源方掛鉤功能、服務請求功能、器件觸發功能、器件清除功能等10種接口功能。

程控開關在程序的控制下連接指定儀器和頻譜儀，形成特定的儀器連接。

頻譜分析儀檢定系統所需要的主要儀器型號，如表1所示。

表1 頻譜分析儀檢定系統設備表

3 頻譜分析儀自動檢定系統軟件設計

3.1 基于IVI技術的驅動器設計

IVI（interchangeable virtual instrument)是IVI基金會在1998年發布的可互換虛擬儀器模型，其目的是實現在自動測試系統中儀器的完全互換。截止到目前為止IVI基金會共發布了13類儀器。

3.1.1 IVI驅動器的類型

IVI（interchangeable virtual instrument)的驅動按照功能分類可以劃分為兩大類驅動器：IVI類驅動器（IVI class driver)和IVI專用驅動器（IVI specific driver)。IVI專用驅動器分為IVI類兼容專用驅動器（IVI class-compliant specific driver)和IVI定制專用驅動器（IVI custom specific driver)[8-9]。

3.1.2 IVI驅動器的實現形式和手段

IVI驅動器有 3種形式，IVI-C，IVI-COM和IVI.NET。IVI-C是IVI基金會早期發布的可以實現儀器簡單互換的一個標準。IVI-COM驅動器基于組件技術實現IVI接口，可以采用VC++、C#或者是Nimbus Driver Studio開發。IVI.NET驅動器是基于微軟的.NET Framework設計，用于構建分布式測控系統，國內開發IVI.NET基本處于探索階段。

3.1.3 頻譜分析儀自動檢定系統驅動器設計

目前LXI儀器都提供IVI-C或IVI-COM的驅動，但是對于沒有提供IVI驅動的儀器就需要使用者開發IVI驅動程序。在本系統中設計的驅動器包括了IVI-C和IVI-COM兩種驅動形式，具體的講包括了IVI-C類驅動器，IVI-C類兼容專用驅動器、定制專用驅動IVI-C/IVI-COM和IVI-COM類兼容專用驅動器，詳見圖5。

圖5 基于IVI驅動器的檢定系統結構圖

測控程序是上層應用，它提供人機界面、調用驅動程序、完成運算以及顯示檢定結果。

IVI-C類驅動器包含了這一類儀器的功能和屬性，是一個介于測控程序和專用驅動中的一個過渡層，在IVI-C類中驅動層必不可少。

類兼容專用驅動是類驅動派生出的子類，類兼容專用驅動實現儀器類80%的共有功能，IVI類兼容驅動是真正實現儀器可互換的驅動。

定制專用驅動實現儀器特殊的功能，有IVI-C和IVI-COM兩種形式。

IVI配置器完成儀器類驅動到專用驅動的映射，并實現DLL的加載。VISA儀器驅動完成IVI驅動器和儀器的固件程序的通信，從而完成儀器的控制[8-10]。

3.2 儀器可互換性設計

測控系統中儀器的可互換一直是研究的熱點，IVI技術是在VXI plug&play基礎上發展起來的真正實現儀器可互換的技術。在不具備IVI驅動器的測控系統中，測試程序和具體的儀器緊密相關，更換了儀器以后需要改變相應的測試程序集（TPS)，在系統中引入IVI驅動器以后，測控程序并不直接控制儀器，而是通過IVI驅動器控制儀器，由于IVI驅動中間層的存在，更換儀器以后，由驅動器負責和儀器通信，測試程序不用更改和調整。若驅動器為IVI-C，由測控程序調用類驅動程序，由類驅動程序調用IVI類兼容專用驅動程序實現儀器的互換而測控程序無需更改。若驅動器為IVI-COM，可以沒有類驅動器，它通過COM會話工廠直接調用類兼容專用驅動，調用VISA儀器驅動實現對儀器的控制[9-11]。

3.3 基于IVI技術的系統狀態仿真

系統在引入IVI驅動器以后，利用驅動器的仿真功能可以在不接入實際儀器的情況下運行測試程序，IVI將關閉儀器I/O，由驅動器檢查數據是否在設定的范圍，并產生仿真輸出數據，利用這個特點可以在購買儀器之前運行測試軟件，為是否購買儀器提供決策幫助，同時也可以在沒有配置實物儀器的情況下完成頻譜分析儀檢定系統應用軟件的開發、培訓。

3.4 軟件模塊設計

測試軟件按照功能劃分為檢驗員管理模塊、被檢儀器信息管理模塊、IVI驅動管理模塊、數據查詢模塊、報告輸出與修訂模塊。

檢驗員管理模塊是設定具有檢定資質的檢驗員賬號和密碼。檢驗員得到賬號和密碼后可以登錄系統檢定儀器。

被檢儀器信息管理模塊記錄儀器的型號、生產廠家、廠家推薦的檢定項目等信息。

IVI驅動程序管理模塊記錄了系統中已經加載了的儀器IVI驅動程序的信息。

數據查詢模塊可以查詢系統支持的儀器設備，系統已經檢定完畢的相關報告數據。

報告輸出與修訂模塊為已經檢定完畢的設備打印輸出檢定證書。

3.5 軟件結構化流程設計

系統開機預熱后，檢定工程師登錄系統，在信息管理模塊查看是否有被檢定的儀器型號，檢查是否安裝IVI驅動，按照系統的提示連接相關儀器，系統自動識別儀器，從數據庫中讀取被檢儀器的所有可以檢定的項目和項目的標準值，檢定工程師根據檢定的需要選擇項目逐一檢定，檢定的相關信息被自動保存到數據庫中，當所有的項目檢定完畢后系統結束測試流程，打印輸出檢定證書，詳細流程見圖6[10-11]。

圖6 檢定程序結構化流程

3.6 軟件平臺的選擇

本系統采用.NET架構的VC++開發，數據庫采用SQL Server 2013。頻譜儀器的IVI-C驅動采用LabWindows/CVI 2013作為IVI-C的開發工具，IVICOM驅動采用Nimbus Driver Studio組件開發[12]。

4 應用實例

采用本系統檢定Agilent公司的E4448A頻譜分析儀，對功率帶寬、頻率計數、參考電平、噪聲邊帶、輸入頻響、鏡像響應、垂直顯示刻度、二次諧波失真等14個檢定項目進行了檢定，得到的結果和手工檢定的結果是一致的，其中參考電平的檢定數據見表2。自動校準的時間從手工檢定需要的8h縮短到2h以內。對中電44所生產的AV4032A型頻譜分析儀開發了IVI驅動程序，完成各項參數的檢定，測試程序不用更改。

5 結束語

以IVI技術為基礎，參考最新的頻譜分析儀國家檢定標準，給出了頻譜分析儀自動檢定系統的架構和程序核心流程、完成應用軟件的設計，結果證明：系統方案是合理的，采用以GPIB為總線，基于IVI技術的自動檢定系統可以縮短頻譜儀70%的檢定時間，更換頻譜儀器，測試程序無需更改，為構建綜合性的儀器儀表自動檢定系統提供了新的方法和途徑。

表2 E4448A參考電平結果對比表

[1]段美霞.頻譜分析儀校準研究[J].北京：化工自動化及儀表，2012，39（3)：399-402.

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Design of automatic verification system for spectrum analyzer based on IVI technology

ZHAO Ruhe1， LI Xunbo2， LI Sanyan1
（1.Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 611731，China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

For the problems in verification test of spectrum analyzer such as more and more verification items， complicated process， low efficiency， low degree of automation， and nonuniversal process，a hardware design plan for automatic verification system of spectrum analyzer with GPIB being bus was proposed and the software architecture and working process of the verification system were also designed by studying the working principle of the spectrum analyzer，the verification method and the IVI technology.The test software architecture included IVI-C driver and IVI-COM driver.The test program and hardware were isolated by driver，which made test program irrelevant to hardware.Besides，IVI driver was used to achieve instrument status simulation.The practice proves that the verification time of the spectrum analyzer E4448A of the system is reduced to less than 2 hours，and the test program is not required to be changed by verify another kind of spectrum analyzer AV4032A.

automatic verification； IVI； VISA； GPIB； spectrum analyzer； ATS

A

1674-5124（2017）10-0114-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.022

2017-03-10；

2017-05-09

趙汝和（1978-)，男，四川綿陽市人，講師，碩士，研究方向為計算機測控技術、虛擬儀器和機械優化設計。

（編輯：李妮）