基于Labwindows/CVI和Matlab高頻衰減模型建立與應(yīng)用
摘要:LabWindows/CVI是一款面向測控領(lǐng)域的開發(fā)工具,而Matlab則是一款在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中優(yōu)秀的軟件。在結(jié)合兩者優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,提出了利用軟件補償來滿足高頻信號功率測試精度需求的方法。首先利用Matlab對某平臺高頻傳輸通道建立功率衰減模型.之后根據(jù)此模型采用LabWindows/CVI控制測試儀器資源對所得到的高頻信號功率值予以補償。最后,對已知高頻信號源進行測試,所得測試數(shù)據(jù)滿足平臺測試精度要求。
關(guān)鍵詞:LabWindows/CVI;Matlab;高頻通道;衰減模型
0 引言
LabWindows/CVI美國國家儀器公司(NI公司)推出的交互式C語言開發(fā)環(huán)境。LabWindows/CVI以ANSIC為核心,將功能強大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了C語言的功能,為熟悉C語言的開發(fā)人員建立了檢測系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、虛擬儀器等提供了一個軟件開發(fā)平臺。Matlab是由Math Works公司于1984年推出的一套科學(xué)計算軟件。它具有強大的矩陣計算和數(shù)據(jù)可視化能力,一方面可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解等若干個領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計算;另一方面可以實現(xiàn)二維、三維圖形繪制,圖像處理、虛擬現(xiàn)實等方面的處理。
本文的出發(fā)點是利用Matlab強大的數(shù)學(xué)處理功能,對某平臺高頻測試功率衰減問題進行數(shù)據(jù)分析,并以此建立高頻通道功率衰減數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上采用LabWindows/CVI這一軟件開發(fā)平臺,利用其靈活豐富的庫函數(shù),以及可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示的軟面板功能來控制測試儀器,在獲取儀器測試實際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,將測試得到高頻信號頻率帶入建立的衰減數(shù)學(xué)模型進行計算得到此時的功率衰減值,并將此數(shù)值與實際測得功率值相加顯示到虛擬儀器面板上,作為最終的測試結(jié)果。從而實現(xiàn)了編程環(huán)境中C語言的高效執(zhí)行效率和科學(xué)計算相結(jié)合的目的,試驗證明了該方法的有效性。
1 通用ATS傳輸通道結(jié)構(gòu)分析
ATS硬件結(jié)構(gòu)和接口電路設(shè)計具有一定的共性,其一般測試結(jié)構(gòu)如圖1所示,從圖中可以看出實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)主要包括2個部分:一是ATE(Auto Test Equipment,自動測試設(shè)備)中信號流經(jīng)的途徑,一般流程部件為測試儀器-連接線纜-開關(guān)-連接器;二是適配器結(jié)構(gòu),根據(jù)UUT測試需求實現(xiàn)開關(guān)系統(tǒng)的靈活配置,以及完成信號調(diào)理。適配器設(shè)計一方面存在功能上的共性,即需要完成放大、衰減、濾波、隔離、線性化等信號調(diào)理功能;另一方面也有其特殊性,如必須結(jié)合UUT具體測試要求,設(shè)計各種調(diào)理電路。而ATE在設(shè)計完成后,具有結(jié)構(gòu)功能不變性,特別對高頻信號而言,其本身特點不能按一般的集總系統(tǒng)理解,故此需要對這一特定的信號傳輸特性進行分析。
ATE中測試高頻信號主要關(guān)注其頻率和功率2個參數(shù),經(jīng)過試驗已證實,高頻信號經(jīng)過傳輸通道(電纜、開關(guān)、連接器)時對頻率測試精度影響很小,可以忽略;而信號的功率會隨著頻率的改變而有規(guī)律的變化。這種衰減產(chǎn)生的原因包括以下幾個方面:
(1)電纜在傳輸信號時會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗。其中高頻信號沿著導(dǎo)體內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鬏?,這種現(xiàn)象即為所謂的趨膚效應(yīng);絕緣材料在電場作用下,由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng),在內(nèi)部引起的能量損耗,由于電介質(zhì)絕緣體會影響電纜的電容,電介質(zhì)絕緣體同樣會產(chǎn)生與頻率相關(guān)的電纜損耗,即介質(zhì)損耗。在自動測試設(shè)備中,介電損效應(yīng)是高頻信號產(chǎn)生損耗的主要原因。
(2)開關(guān)和連接器作為特殊的連接線,同樣會使信號傳輸時產(chǎn)生衰減。
(3)這些元件連接到一起后,由于阻抗不完全匹配會引起信號波反射,產(chǎn)生反射損耗,并且元件之間焊接處不可避免地會產(chǎn)生頻譜泄漏等,都將導(dǎo)致信號功率衰減。對于前2種功率損耗,電纜、開關(guān)和連接器在出廠時都給出了不同頻率段下功率衰減值,而對于第3種因素產(chǎn)生的損耗,是不可預(yù)知的,需要在完成設(shè)計后進行測定。
另外,上述幾種元件使用時,因其老化和溫度變化不可避免的會產(chǎn)生隨機誤差,如連接器的本振頻率會隨著溫度變化產(chǎn)生漂移等。因此,為減小這些隨機誤差,一方面應(yīng)選擇高質(zhì)量的元件;另一方面要定期對ATE進行計量,以便及時調(diào)整相關(guān)測試參數(shù)。
2 基于Matlab建立高頻傳輸衰減模型
2.1 獲取高頻信號傳輸通道功率衰減值
本文旨在結(jié)合Matlab和LabWindows/CVI兩者的優(yōu)勢,為ATS中高頻通道傳輸損耗設(shè)計一種軟件補償?shù)姆椒ā9β仕p與其大小無關(guān),而是隨頻率改變而變化,本文以某平臺為基礎(chǔ),對頻率范圍在[30 MHz,2.7 GHz]內(nèi)的高頻信號源進行測試,得到(不同頻率、功率)信號經(jīng)過傳輸通道的功率衰減值,如表1所示。
2.2 高頻信號傳輸通道功率衰減建模
在測量數(shù)據(jù)處理中,常常遇到根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定給定模型的參數(shù);為離散測量數(shù)據(jù)建立連續(xù)模型2類問題。本文的數(shù)據(jù)處理工作屬于第2種,在這類問題的測量數(shù)據(jù)處理方法中,比較好的是選取能夠描述測量數(shù)據(jù)特征的某類曲線,在一定意義下從這類曲線中尋求一條“最好”的曲線作為實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的連續(xù)模型,并給出該連續(xù)模型對應(yīng)的參數(shù)。這種處理思想被稱為“擬合”,本文將采用經(jīng)典的最小二乘擬合方法進行數(shù)據(jù)處理。
2.2.1 最小二乘擬合
以兩元模型為例,假設(shè)x和y分別為測量數(shù)據(jù)矢量,x*和y*分別為對應(yīng)的真值矢量,f為擬合模型,θ為模型參數(shù)矢量,則:
由式(2)列出對應(yīng)的正規(guī)方程并求解就可以得出模型參數(shù)的最小二乘估計值。最小二乘擬合的理論基礎(chǔ)是高斯-馬爾可夫定理,其發(fā)展已有約兩百年的歷史,在數(shù)據(jù)處理中被廣泛應(yīng)用。最小二乘估計具有無偏性和方差最小的性質(zhì),且與測量矢量所服從的概率分布無關(guān),因而當測量矢量的概率分布形式不能嚴格知道,無法使用經(jīng)典統(tǒng)計中的參數(shù)估計理論時,最小二乘擬合成為了數(shù)據(jù)處理的一種簡便方法,同時這也是最小二乘擬合在數(shù)據(jù)處理中被廣泛使用的原因?;谏鲜鲈?,本文選取最小二乘擬合方法對測試數(shù)據(jù)進行處理。
2.2.2 Matlab建立數(shù)學(xué)模型
首先,以頻率f=[0.03,0.1,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,2.7],以及各頻率點對應(yīng)的功率衰減平均值p=[0.948,1.934,6.995,12.131,13.294,14.269,14.518,14.720]為數(shù)據(jù)點,畫出二維空間的散點圖,如圖2所示。
根據(jù)其分布形狀,選取三次多項式作為擬合曲線模型函數(shù):
具體實現(xiàn)步驟:
(1)將f=[0.03,0.1,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,2.7],p=[0.948,1.934,6.995,12.131,13.294,14.269,14.518,14.720]寫入Matlab命令窗口;
(2)輸入命令函數(shù)cftool,回車彈出“Curve Fitting
Tool”窗口,如圖3(a)所示;
(3)點擊按鈕“Data”設(shè)置擬合數(shù)據(jù)分別為f,p,如圖3(b)所示;
(4)點擊按鈕“Fitting”,彈出窗口“Fitting”,選取擬合函數(shù)“cubic polynomial”,點擊“Apply”即可得到擬合數(shù)據(jù)模型,如圖3(c)所示。
3 LabWindows/CVI實現(xiàn)軟件補償
根據(jù)依據(jù)最小二乘原理擬合得到的高頻通道功率衰減模型,采用LabWindows/CVI編程對高頻測試儀器進行控制,實現(xiàn)信號功率的補償,其面板設(shè)計如圖4所示,軟件測試算法流程如圖5所示。
以此試驗平臺為例,外部信號源輸出(900 MHz,-5.60 dBm)的高頻信號。平臺對此信號進行測量,測量結(jié)果如圖4所示:儀器測得功率為-16.5 dBm,將f=900 MHz帶入式(4),計算的修正值為10.94 dB,所以最終測試結(jié)果為(-16.5+10.94)dBm,即-5.56 dBm。這一數(shù)據(jù)與-5.60 dBm相比較,滿足平臺測試精度要求。
4 結(jié)語
本文在結(jié)合Matlab和LabWindows/CVI兩者優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,采用了軟件補償?shù)姆绞浇鉀Q了高頻功率衰減問題。首先利用Matlab強大的數(shù)學(xué)處理能力,以最小二乘擬合原理對功率衰減數(shù)據(jù)進行處理,得到了較高精度的功率衰減數(shù)學(xué)模型,之后采用LabWindows/CVI設(shè)計了高頻測試儀器面板,經(jīng)編程實現(xiàn)了功率測試補償。經(jīng)試驗驗證,該方法能有效滿足平臺測試精度要求,為ATS測試高頻信號提供了一種實用的方法。
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