USB總線微波功率計(jì)設(shè)計(jì)

3.2 底層驅(qū)動(dòng)程序
　本文在LabWindows/CVI環(huán)境下通過(guò)NI-VISA開(kāi)發(fā)能驅(qū)動(dòng)用戶USB設(shè)備的程序，降低了開(kāi)發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。VISA是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接,利用VISA開(kāi)發(fā)的軟件具有較好的可移植性。
　在LabWindows/CVI環(huán)境下使用VISA實(shí)現(xiàn)USB通信需要先對(duì)NI-VISA進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，然后使用相關(guān)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。NI-VISA的具體配置步驟：(1)使用Driver Development Wizard(驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔；(2)安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備；(3)使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互動(dòng)控制工具)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。完成NI-VISA的配置后，就可以在LabWindows/CVI中使用VISA提供的函數(shù)實(shí)現(xiàn)與USB驅(qū)動(dòng)程序的通信，以實(shí)現(xiàn)各種功能。
3.3用戶應(yīng)用程序
　USB總線微波功率計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：對(duì)USB外設(shè)的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)、響應(yīng)用戶請(qǐng)求、實(shí)現(xiàn)其他功能。為合理利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，本文采用LabWindows/CVI多線程技術(shù)編寫(xiě)了并行執(zhí)行的多任務(wù)程序。在軟件的編寫(xiě)過(guò)程中，采用VISA技術(shù)和多線程的編程思想，以圖形用戶接口為主線程，以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示為次線程。數(shù)據(jù)采集線程中使用VISA技術(shù)完成對(duì)USB設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取和控制，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)放入線程安全隊(duì)列TSQ中，然后數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)線程從線程安全隊(duì)列TSQ讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，最后再將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)顯示線程，完成數(shù)據(jù)的顯示。線程間的控制調(diào)度和數(shù)據(jù)信息的傳輸如圖6所示。

4 多維數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)
由參考文獻(xiàn)[4]可知，由于二極管檢波器檢波存在平方率—非平方率特性，即使輸入純線性功率變化的微波信號(hào)進(jìn)入功率計(jì)探頭，檢波二極管也不能得到線性的檢波直流電壓,要想使用檢波電壓得到準(zhǔn)確的輸入功率，必須進(jìn)行線性校準(zhǔn)。二極管檢波還存在檢波頻響特性，即檢波直流電壓的效率隨著輸入微波信號(hào)的頻率變化而不同,二極管檢波的頻響特性主要由檢波組件的微帶電路、二極管材料及其制作工藝等決定，需要頻響校準(zhǔn)予以消除。此外，二極管檢波還受工作溫度的影響，本文的校準(zhǔn)工作在常溫下完成。
4.1二極管檢波的線性校準(zhǔn)
　功率線性校準(zhǔn)的作用就是使位于不同特性區(qū)的檢波電壓的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)線性數(shù)據(jù)校準(zhǔn)之后，能夠得到與輸入功率對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確功率表示值。
　本文采用高精度的ADC對(duì)二極管檢波電壓完成ADC轉(zhuǎn)換。常溫下,采用AV1487超寬帶合成掃頻信號(hào)發(fā)生器以1 dB為步進(jìn)在-55 dBm～+20 dBm范圍內(nèi)產(chǎn)生76個(gè)信號(hào)樣本點(diǎn)，為保證其準(zhǔn)確性，每個(gè)樣本點(diǎn)利用安捷倫E4419A微波功率計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，然后改用本文試制的功率計(jì)測(cè)量，記錄每個(gè)信號(hào)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ADC值，建立一組ADC基本數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)?；竟β市?zhǔn)節(jié)點(diǎn)建立完畢后，為了減小測(cè)試誤差，依據(jù)三次樣條插值算法，增加數(shù)據(jù)插值節(jié)點(diǎn)。本文將全量程ADC分為四段處理，每大段等分為N小段,可以根據(jù)測(cè)量精度的需要進(jìn)行設(shè)置，相鄰量程之間保留1 dBm的過(guò)渡帶。設(shè)定每大段內(nèi)ADC最小值和最大值分別為ADCmin和ADCmax。大段的劃分規(guī)則為：

式中，i=1，2，3，4，這樣總共產(chǎn)生了(N1+N2+N3+N4)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將此四個(gè)數(shù)組稱作功率線性校準(zhǔn)表格，分別記為CALTab[n](n=1,2,3,4)，每個(gè)ADC數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值由三次樣條插值算法產(chǎn)生。測(cè)量過(guò)程中得到的ADC值對(duì)應(yīng)的功率表示值就通過(guò)這(N1+N2+N3+N4)個(gè)功率線性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表格查表得到。

5 測(cè)試與測(cè)試結(jié)果分析
常溫下，在10 MHz～18 GHz頻率范圍、-55 dBm～+20 dBm功率范圍內(nèi)隨機(jī)抽取50個(gè)待測(cè)功率樣本點(diǎn)，使用本文設(shè)計(jì)的USB總線微波功率計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)先后進(jìn)行測(cè)量，表1給出了其中7個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果：
由表1可以看出，在輸入信號(hào)整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)兩端的相對(duì)誤差較大，分析低端誤差產(chǎn)生的原因是微弱信號(hào)檢測(cè)電路穩(wěn)定性有待提高，高端產(chǎn)生誤差原因是二極管受溫度影響較強(qiáng)。

本文介紹了一種USB總線微波功率計(jì)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)采用虛擬儀器思想，重點(diǎn)研究了強(qiáng)背景噪聲條件下微弱直流信號(hào)檢測(cè)、USB通信和數(shù)字校準(zhǔn)等技術(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的USB總線微波功率計(jì)經(jīng)過(guò)數(shù)字校準(zhǔn)后能夠?qū)崿F(xiàn)-55 dBm～+20 dBm范圍內(nèi)連續(xù)波平均功率測(cè)量。同時(shí)具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、體積小巧等特點(diǎn)，可以同Windows平臺(tái)的計(jì)算機(jī)或其他測(cè)試儀器等多種設(shè)備適配。
參考文獻(xiàn)
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[3] 竇穎艷,肖伸平,龍永紅,等.基于LabWindows/CVI 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2009,35(22):230-235.
[4] 李坤黨,徐達(dá)旺.二極管功率計(jì)的數(shù)字校準(zhǔn)補(bǔ)償技術(shù)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2007,26(7):45-46.