基于LabVIEW的多路前置放大器的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

本研究開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW平臺(tái)的多路前置放大器的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)多路放大器技術(shù)指標(biāo)的全部自動(dòng)測(cè)量或選項(xiàng)測(cè)量.

1 　系統(tǒng)功能及組成

1. 1 　系統(tǒng)功能

系統(tǒng)能自動(dòng)測(cè)量前置放大器輸出信號(hào)的電壓、增益、帶寬、噪聲、失真、串?dāng)_、跨阻等性能指標(biāo);也可以選擇測(cè)量某些性能指標(biāo);自動(dòng)記錄和打印測(cè)試數(shù)據(jù),并判斷測(cè)得的數(shù)據(jù)是否合格;具有多種介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能;能自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)和重新設(shè)定指標(biāo)的參數(shù).

1. 2 　系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成. 硬件由測(cè)試儀器、工控機(jī)、GPIB 接口卡、I/ O 接口卡、可編程控制電路和打印機(jī)組成,對(duì)放大器的輸入、輸出信號(hào)的頻率、電壓值和波形進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)GPIB 總線由工控機(jī)讀取和處理;軟件由人機(jī)界面程序、測(cè)量與控制程序和數(shù)據(jù)處理程序組成,在LabVIEW平臺(tái)構(gòu)建虛擬儀器,靈活地將計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件結(jié)合起來(lái),組成所需要的特定應(yīng)用設(shè)備,完成放大器各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)量和記錄,并標(biāo)記超標(biāo)數(shù)據(jù)和打印測(cè)量結(jié)果

圖1 　系統(tǒng)組成框圖

2 　系統(tǒng)硬件構(gòu)成

a. 測(cè)量?jī)x器

數(shù)字萬(wàn)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(tǒng)中用于測(cè)量交、直流電壓、頻率.

數(shù)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(shí)間基準(zhǔn)精度為50 ×10 - 6 ,在系統(tǒng)中用于測(cè)量波形和進(jìn)行FFT 分析.

任意波形發(fā)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(duì)數(shù)掃描功能,掃描速率可在1ms～500s 范圍內(nèi)選擇,在系統(tǒng)中用于產(chǎn)生幅度、頻率可變的點(diǎn)頻信號(hào)和掃頻信號(hào).3 臺(tái)儀器均具有GPIB 接口儀器,既可以作為獨(dú)立的單臺(tái)儀器使用,也可以構(gòu)成GPIB 總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng).

b. GPIB 接口卡

采用NI公司生產(chǎn)的PCI-GPIB 接口卡,完成GPIB總線和PCI 總線的連接,實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與測(cè)量?jī)x器的通信、控制. 本系統(tǒng)用GPIB 電纜將GPIB 卡、工控機(jī)與3 臺(tái)儀器作星形連接,實(shí)時(shí)測(cè)量多路前置放大器的工作狀態(tài). 儀器通過(guò)GPIB 接口卡以1000/s 讀數(shù)的速度將測(cè)得的數(shù)據(jù)送入工控機(jī)顯示、存儲(chǔ)并處理,從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)反饋的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng). 它擴(kuò)展了現(xiàn)有儀器的功能,使測(cè)量工作變得快捷、簡(jiǎn)便、精確和高效.

c. I/ O 接口卡

采用NI 公司生產(chǎn)的PCI26503 數(shù)字I/ O卡,該卡提供了24bit 并行的數(shù)字I/ O界面,在系統(tǒng)中用于控制測(cè)量端口和測(cè)量?jī)x器的轉(zhuǎn)換.

d. 可編程控制電路板

自行設(shè)計(jì)的可編程控制電路板,用于完成被測(cè)模塊的選擇、模塊內(nèi)部各通路及連接方式的選取、向被測(cè)產(chǎn)品提供電源和激勵(lì)信號(hào).

3 　系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件構(gòu)成框圖如圖2 所示. 其中測(cè)量與控制部分的功能劃分為多個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),提高了軟件的可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性.

圖2 　系統(tǒng)測(cè)試程序框圖

A. 人機(jī)界面

用于確定用戶類別和各類用戶的操作權(quán)限.最高為系統(tǒng)管理員的操作權(quán)限,包括:開(kāi)始測(cè)試、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)修改三大功能. 其中“開(kāi)始測(cè)試”操作包括自動(dòng)測(cè)試和選項(xiàng)測(cè)試,選擇后可以進(jìn)行多路放大器模塊的測(cè)試操作;“數(shù)據(jù)管理”操作包括測(cè)試記錄的查詢、保存、打印等操作;“參數(shù)修改”操作包括芯片的參數(shù)指標(biāo)修改.

B. 測(cè)量與控制部分

用于完成各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量. 測(cè)控程序分為3類:

a. 儀器通信子VI ,為每臺(tái)GPIB 儀器構(gòu)建通信子VI. 通信子VI 采用VISA 方式和IVI 方式編程實(shí)現(xiàn). VISA 是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系(Virtual Inst rument Software Architecture) ,實(shí)質(zhì)是一個(gè)I/ O 接口軟件庫(kù). 采用了VISA 標(biāo)準(zhǔn),就可以不考慮時(shí)間及儀器I/ O 選擇項(xiàng). IVI 是可互換虛擬儀器( Interchangeable Virtual Instrument ) ,其實(shí)質(zhì)是一個(gè)以儀器類別劃分的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù),采用IVI 編程可直接調(diào)用LabVIEW 工作平臺(tái)提供的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序. 本系統(tǒng)對(duì)采用傳輸VISA Session 和IVI Session 參數(shù)進(jìn)行控制.

b. 指標(biāo)測(cè)量子VI ,將需測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo)編寫(xiě)成獨(dú)立的測(cè)試子VI ,采用調(diào)用LabVIEW函數(shù)方式編程實(shí)現(xiàn). 程序運(yùn)行順序采用順序結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),既能單獨(dú)調(diào)用一個(gè)測(cè)試子VI程序,也能同時(shí)調(diào)用多個(gè)測(cè)試子VI 程序,使各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目有序進(jìn)行, 互不干擾.

c. 采集控制子VI ,發(fā)送各測(cè)量端口轉(zhuǎn)換控制命令. 通過(guò)調(diào)用“確定端口”和“寫(xiě)端口”傳輸控制參數(shù)至數(shù)字I/ O卡.

C. 數(shù)據(jù)處理部分

用于對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算、匯總,得到所需的信息,并嵌入打印程序,可隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印.

4 　系統(tǒng)工作原理與工作過(guò)程

系統(tǒng)工作時(shí),首先進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面,輸入用戶名和密碼可確定操作人員的工作權(quán)限,無(wú)權(quán)限的操作按鈕被隱藏.“測(cè)試”操作包括自動(dòng)測(cè)試和選項(xiàng)測(cè)試,33 項(xiàng)測(cè)試參數(shù)通過(guò)“建立數(shù)組”函數(shù),形成參數(shù)變量子VI ,供各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試時(shí)調(diào)用. 開(kāi)始測(cè)量時(shí),先依次初始化萬(wàn)用表、示波器、任意波發(fā)生器和I/O 接口,并通過(guò)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(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)試條件參數(shù)對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)試環(huán)境設(shè)置和向I/ O接口卡發(fā)送控制命令. 可編程控制電路板上的CPLD 對(duì)控制命令進(jìn)行譯碼,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試點(diǎn)的選擇;工控機(jī)通過(guò)GPIB 總線讀取萬(wàn)用表、示波器所測(cè)的數(shù)據(jù). 對(duì)于可直接測(cè)量的指標(biāo),工控機(jī)存儲(chǔ)所測(cè)數(shù)據(jù)并在人機(jī)交互界面顯示;對(duì)于不能用萬(wàn)用表、示波器直接測(cè)量的指標(biāo),則通過(guò)LabVIEW 平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理來(lái)獲得,即在測(cè)試程序中嵌入“公式節(jié)點(diǎn)”函數(shù),計(jì)算出間接測(cè)量的指標(biāo),如放大倍數(shù)、帶寬、噪聲、串?dāng)_、跨阻等性能指標(biāo)的測(cè)量. 測(cè)得的參數(shù)都將與測(cè)試條件參數(shù)比較,判定合格與否.

基于LabVIEW 工作平臺(tái)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),為多路前置放大器技術(shù)參數(shù)的快速測(cè)試提供了一個(gè)實(shí)時(shí)可靠的解決方案,經(jīng)過(guò)大量仿真和實(shí)際測(cè)試,結(jié)果表明:該測(cè)量系統(tǒng)能在30min 時(shí)間內(nèi),自動(dòng)完成5 路放大器165個(gè)參數(shù)的測(cè)量、記錄、標(biāo)出不合格參數(shù)以及打印,滿足系統(tǒng)要求,目前已投入使用. 采用虛擬測(cè)試技術(shù)取代傳統(tǒng)的測(cè)試手段,可以極大地提高工作效率.