林洪文， 王 碩

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系， 山東 煙臺 264001)

一種基于LabVIEW的噪聲發(fā)生器自動計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林洪文， 王 碩

(海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系， 山東 煙臺 264001)

針對傳統(tǒng)計(jì)量操作繁瑣、 效率低下、 精度不足等問題， 設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的噪聲發(fā)生器自動計(jì)量系統(tǒng). 新方法實(shí)現(xiàn)了自動控制儀器， 獲取儀器讀數(shù)， 導(dǎo)出到校準(zhǔn)表格等功能， 從程序角度提出了自動計(jì)量方法新思路. 該方法便于擴(kuò)展， 可在各種設(shè)備的計(jì)量方法中推廣應(yīng)用， 對計(jì)量系統(tǒng)自動化的進(jìn)一步研究和實(shí)現(xiàn)有積極作用， 具有較高的參考價值.

噪聲發(fā)生器； 自動計(jì)量； LabVIEW

0 引 言

計(jì)量校準(zhǔn)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)研發(fā)中極其重要的一環(huán)， 計(jì)量人員使用標(biāo)準(zhǔn)儀器對生產(chǎn)研發(fā)用設(shè)備在滿足準(zhǔn)確性， 一致性， 溯源性和法制性的情況下給出校準(zhǔn)結(jié)果這一過程至關(guān)重要. 傳統(tǒng)的計(jì)量方式由專業(yè)計(jì)量人員根據(jù)被校儀器校準(zhǔn)規(guī)范， 手動選擇逐項(xiàng)計(jì)量， 由于多臺儀器聯(lián)測、 個人操作習(xí)慣影響、 不準(zhǔn)確讀數(shù)等原因， 存在較大的偶然誤差， 在及時性、 正確性和應(yīng)用性等方面也都存在著諸多不足之處[1]. 因此， 自動計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生， 該系統(tǒng)可以將計(jì)量技術(shù)， 通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)計(jì)量系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時雙向交換數(shù)據(jù)， 避免大量人為因素的錯誤， 有效解決以上存在的不足. 目前已有的自動計(jì)量系統(tǒng)在一些步驟上如儀器參數(shù)讀取、 填寫報表等仍需要人工主動參與， 且模塊化程度不高.

虛擬儀器是美國國家儀器公司推出的一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具， 主要用于開發(fā)測試、 測量與控制系統(tǒng). 利用NI的虛擬儀器技術(shù)， 可以使復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集工作變得簡單， 讓工程師和科研人員得以把更多的精力放于實(shí)驗(yàn)過程、 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論總結(jié)上[2]. 本文結(jié)合電子計(jì)量站的實(shí)際情況， 以寬帶同軸噪聲發(fā)生器(以下簡稱噪聲發(fā)生器)N4000A自動計(jì)量系統(tǒng)為例， 設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的計(jì)量自動化系統(tǒng)建設(shè)方法， 以克服傳統(tǒng)計(jì)量方法存在的問題， 使計(jì)量過程易操作， 效率高.

1 噪聲發(fā)生器自動計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

噪聲發(fā)生器由噪聲產(chǎn)生器件和匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成， 常見的噪聲產(chǎn)生器件有雪崩二極管、 氣體放電管等. 噪聲發(fā)生器主要用于測量放大器、 混頻器和接收機(jī)等元器件和儀器設(shè)備的噪聲系數(shù). 噪聲發(fā)生器的超噪比ENR(Excess Noise Ratio)通過校準(zhǔn)給出.

式中：ENR為超噪比， 單位為dB； T為噪聲發(fā)生器輸出噪聲溫度， 單位為K;T0為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度， 即T0=290 K.

當(dāng)在二端口網(wǎng)絡(luò)輸入端依次輸入兩個資用噪聲功率時， 網(wǎng)絡(luò)的輸出端可得到兩個相應(yīng)資用噪聲功率之比， 即為Y系數(shù)：

式中：N1和N2分別為第一次和第二次網(wǎng)絡(luò)輸出端得到的資用噪聲功率， 單位為W.

計(jì)量噪聲發(fā)生器需使用符合使用要求的， 并在有效期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器， 噪聲系數(shù)分析儀、 程控衰減器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀. 標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器采用與被計(jì)量型號相同的N4000A， 用于提供標(biāo)準(zhǔn)ENR； 噪聲系數(shù)分析儀采用Agilent N8975A， 用于測量噪聲發(fā)生器在10 M到18 G的Y系數(shù)； 程控衰減器采用11713B程控衰減器， 用于降低噪聲系數(shù)分析儀測量噪聲源Y系數(shù)時的失配誤差； 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用Keysight E5071C， 用于測量噪聲發(fā)生器在10 M到18 G的駐波比.

主要校準(zhǔn)項(xiàng)目為： ① 外觀及工作正常性檢查； ② 超噪比； ③ 電壓駐波比.

1) 超噪比校準(zhǔn)具體步驟(以Keysight N4000A為例)：

① 校準(zhǔn)用設(shè)備預(yù)熱不少于1 h后， 按規(guī)定連接設(shè)備.

② 設(shè)置噪聲系數(shù)分析儀Agilent N8975A的測量頻率為10 MHz， 測量平均次數(shù)為10.

③ 連接標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器經(jīng)可程控衰減器11713B至噪聲系數(shù)分析儀， 測量其Y系數(shù)記為Ys.

④ 連接被校噪聲發(fā)生器經(jīng)可程控衰減器11713B至噪聲系數(shù)分析儀， 測量其Y系數(shù)記為Yu.

⑤ 根據(jù)式(3)計(jì)算被測噪聲發(fā)生器超噪比

式中：ENRs為標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器超噪比.

⑥ 改變噪聲系數(shù)分析儀測量頻率， 重復(fù)步驟②至⑤得到被校噪聲發(fā)生器在其他頻率點(diǎn)的超噪比.

2) 電壓駐波比校準(zhǔn)具體步驟：

① 按規(guī)定連接設(shè)備：

② 設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀頻率為被校噪聲發(fā)生器的頻率范圍.

③ 在測試端口上進(jìn)行開路、 短路、 匹配負(fù)載校準(zhǔn).

④ 被校噪聲發(fā)生器接到測試端口， 依次測量相應(yīng)頻率點(diǎn)在斷電狀態(tài)下的電壓駐波比[3].

標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)量規(guī)范需要對同一個測試步驟進(jìn)行數(shù)十， 甚至上百次測試， 例如上述的KeysightN4000A需要測量20個頻率點(diǎn)， 標(biāo)準(zhǔn)件和待測件完成超噪比和電壓駐波比的測量需要進(jìn)行80次完全相同的操作步驟， 重復(fù)枯燥過程使工程師讀數(shù)準(zhǔn)確度下降， 影響了計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性. 因此本文提出了一種基于順序結(jié)構(gòu)的， 結(jié)合觸發(fā)事件結(jié)構(gòu)對已有子程序進(jìn)行調(diào)用的自動計(jì)量方法， 實(shí)現(xiàn)簡便操作完成計(jì)量的目的. 該方法包括硬件和軟件兩部分， 硬件由Agilent N8975A， KeysightE5071C， 11713B程控衰減器、 GPIB總線和控制計(jì)算機(jī)組成.

軟件由LabVIEW編寫， 主要由主控界面和測試參數(shù)設(shè)置子界面組成. 自動計(jì)量系統(tǒng)的主界面如圖 1 所示.

圖 1 噪聲發(fā)生器自動計(jì)量系統(tǒng)主界面Fig.1 Main interface of noise generator automaticmetering system

程序?qū)崿F(xiàn)思路為： 利用循環(huán)結(jié)構(gòu)依序執(zhí)行計(jì)量步驟， 通過在事件結(jié)構(gòu)中復(fù)合套用順序結(jié)構(gòu)多次循環(huán)寫入命令到下位機(jī)后讀取下位機(jī)反饋信息. 分別采集標(biāo)準(zhǔn)件和被測件的參數(shù)信息寫入到緩存中， 完成采集后提示操作人員， 操作人員確認(rèn)數(shù)據(jù)無誤點(diǎn)擊“導(dǎo)出到報告”將其自動輸出到校準(zhǔn)記錄工作薄相應(yīng)位置.

2 基于LabVIEW的自動計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 事件結(jié)構(gòu)技術(shù)

事件結(jié)構(gòu)用于編寫等待事件發(fā)生的高效代碼， 控件的值發(fā)生改變時將觸發(fā)一個事件. 事件是對活動發(fā)生的異步通知. 本方法采用事件結(jié)構(gòu)接收主界面控件值的改變， 點(diǎn)擊“開始計(jì)量”、 “結(jié)束計(jì)量”和“導(dǎo)出到報告”等控件將會觸發(fā)相應(yīng)的事件， 運(yùn)行該結(jié)構(gòu)下的程序.

如圖 2 所示： 在運(yùn)行的程序中點(diǎn)擊前面板“生成報告”鍵位后， 事件結(jié)構(gòu)將定位至“生成報告”事件分支， 調(diào)用圖3程序?qū)y得數(shù)據(jù)導(dǎo)出至 EXCEL工作薄.

圖 2 事件：“生成報告”Fig.2 Event:“generate report”

2.2 順序結(jié)構(gòu)技術(shù)

傳統(tǒng)編程語言中， 程序是按照語句出現(xiàn)的順序執(zhí)行， 而LabVIEW是一種數(shù)據(jù)流程序設(shè)計(jì)語言， 沒有明確的先后順序， 當(dāng)節(jié)點(diǎn)所有輸入端的數(shù)據(jù)全部有效時， 節(jié)點(diǎn)才執(zhí)行. 當(dāng)需要使某個節(jié)點(diǎn)先于另外一個節(jié)點(diǎn)發(fā)生時， 可以用順序結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn). 順序結(jié)構(gòu)以幀為單位， 每一幀為一段框圖程序， 按照幀的順序來執(zhí)行框圖程序.

如圖 3 所示， 基于LabVIEW的自動計(jì)量系統(tǒng)主程序使用層疊式順序結(jié)構(gòu)模式， 設(shè)置數(shù)個幀來對應(yīng)驅(qū)動每個步驟相應(yīng)子程序， 在圖示的“4”步驟中又使用了一個嵌入在For循環(huán)中的平鋪式順序結(jié)構(gòu)， 在該子結(jié)構(gòu)中， 第1幀根據(jù)兩儀器的地址通過GPIB連接線向?qū)?yīng)的儀器傳送和接收命令完成儀器參數(shù)設(shè)置， 在第2幀中等待2 s， 在第3幀中讀回噪聲系數(shù)分析儀的返回值輸出到緩存數(shù)組. 通過這樣的順序結(jié)構(gòu)完成了一個頻率點(diǎn)下的Y系數(shù)測量[4].

圖 3 讀取待測噪聲發(fā)生器Y系數(shù)Fig.3 Read the Y-factor of the noise generator to be measured

2.3 循環(huán)結(jié)構(gòu)技術(shù)

類似于傳統(tǒng)編程語言， 在LabVIEW中For循環(huán)結(jié)構(gòu)將程序重復(fù)執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的次數(shù)， While循環(huán)是重復(fù)執(zhí)行代碼直到滿足某個條件. 因?yàn)樽詣佑?jì)量系統(tǒng)多是在已知測試項(xiàng)的基礎(chǔ)上， 所以本系統(tǒng)采用For循環(huán)， 設(shè)置同一測試項(xiàng)重復(fù)次數(shù)為循環(huán)次數(shù)， 通過多次循環(huán)取出數(shù)據(jù)并導(dǎo)出.

2.4 局部變量技術(shù)

LabVIEW的局部變量主要用于程序內(nèi)部傳遞數(shù)據(jù)， 利用局部變量也可以對前面板上的控件進(jìn)行讀寫操作. 每一個局部變量都是對某一個前面板控件數(shù)據(jù)的引用. 可以為一個輸入量或輸出量建立多個局部變量， 從局部變量中的任何一個都可以讀取控件中的數(shù)據(jù)， 向這些局部變量中的任何一個寫入數(shù)據(jù)， 都將改變控件本身和其他局部變量. 在順序結(jié)構(gòu)中使用局部變量可以使異步執(zhí)行程序共享信息. 整個自動計(jì)量系統(tǒng)中多處使用局部變量技術(shù)， 例如待計(jì)量噪聲源Y系數(shù)等的顯示和導(dǎo)出到工作簿， 圖3所示步驟中錯誤處理就是通過創(chuàng)建ret值x的局部變量實(shí)現(xiàn)的.

2.5 計(jì)量參數(shù)設(shè)置技術(shù)

2.5.1 對儀器設(shè)備寫入控制命令和讀取數(shù)據(jù)

整個自動計(jì)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對設(shè)備進(jìn)行I/O操作， 循環(huán)地對設(shè)備發(fā)送命令， 完成參數(shù)設(shè)置或者使設(shè)備響應(yīng)一串?dāng)?shù)據(jù)并讀回. 這一過程主要是通過GPIB板卡連接， 通過調(diào)用VISA Write和VISA Read函數(shù)實(shí)現(xiàn)[1]. 具體程序如圖 4 所示.

圖 4 儀器設(shè)備讀寫操作Fig.4 Equipment read and write

2.5.2 儀器參數(shù)初始化

圖 5 網(wǎng)絡(luò)分析儀初始化Fig.5 Initialize the network analyzer

以Keysight E5071C為例， 其初始化程序框圖如圖 5 所示， 通過GPIB總線向儀器發(fā)送初始化命令“*RST”， 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀到初始化狀態(tài).

2.5.3 儀器參數(shù)控制設(shè)置技術(shù)

噪聲發(fā)生器的自動計(jì)量系統(tǒng)中， 儀器參數(shù)設(shè)置有： 噪聲系數(shù)分析儀N8975A的測試頻點(diǎn)設(shè)置， 掃描模式設(shè)置和最終Y系數(shù)顯示方式設(shè)置， 衰減器11713B的衰減值設(shè)置， 網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C的工作模式設(shè)置.

以圖3顯示的步驟“讀取待測噪聲源Y系數(shù)”為例， 向噪聲系數(shù)分析儀發(fā)送FREQ:MODE FIX命令， 設(shè)置噪聲系數(shù)分析儀頻率模式由sweeped轉(zhuǎn)換為fixed， 之后將從數(shù)組中提取出來的數(shù)字轉(zhuǎn)換成命令發(fā)送到噪聲系數(shù)分析儀； 通過判斷數(shù)字大小確定程控衰減器的工作頻率， 提取相應(yīng)的命令行發(fā)送給程控衰減器； 2 s后， 向噪聲系數(shù)分析儀發(fā)送READ∶SCAL∶UNC∶YFAC? LIN命令， 詢問線性表示法表示的Y系數(shù)的值并返回.

2.6 EXCEL工作簿寫入技術(shù)

利用LabVIEW的 EXCEL specific類函數(shù)將操作過程中得到的數(shù)據(jù)， 諸如待測儀器序列號， 得到的測量數(shù)據(jù)等依次寫入到EXCEL工作簿相應(yīng)位置， 完成計(jì)量數(shù)據(jù)的保存[5]. 所計(jì)量項(xiàng)目的結(jié)果通過調(diào)用 EXCEL自帶的函數(shù)功能得出， 實(shí)現(xiàn)該功能的 EXCEL工作簿寫入及保存程序， 如圖 6 所示.

圖 6 寫入EXCEL工作薄Fig.6 Write into EXCEL workbook

利用Copy控件從原始校準(zhǔn)文件路徑復(fù)制到指定路徑； 使用新建報表子VI創(chuàng)建一個新的 EXCEL報表寫入測得數(shù)據(jù)后導(dǎo)入 EXCEL工作簿， 選擇以最小化形式對 EXCEL工作簿進(jìn)行數(shù)據(jù)操作以不影響操作人員操作并利于后期查看； 利用Get Work Sheet控件定位到 EXCEL工作簿的Sheet4表格， 首先利用局部變量寫入之前步驟得到的儀器序列號到指定位置， 然后進(jìn)入For循環(huán)， 依次使用局部變量技術(shù)從數(shù)組中提取之前得到的待計(jì)量噪聲發(fā)生器Y系數(shù)、 標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器Y系數(shù)和駐波比到相應(yīng)位置， 完成校準(zhǔn)文件生成， 結(jié)束計(jì)量過程.

利用該系統(tǒng)， 對某噪聲發(fā)生器KeysightN4000A進(jìn)行了計(jì)量， 計(jì)量部分結(jié)果如圖 7 所示.

圖 7 自動計(jì)量系統(tǒng)導(dǎo)出的工作簿(部分)Fig.7 Workbookexported by automatic metering system (partial)

與傳統(tǒng)計(jì)量方法相比， 基于LabVIEW的自動計(jì)量系統(tǒng)效率高， 僅需15 min就完成了整個計(jì)量過程， 同樣的工作手動操作至少需要1 h， 從設(shè)備內(nèi)部直接讀取數(shù)據(jù)， 相對手動操作準(zhǔn)確度較高. 測試結(jié)果表明： 新的基于LabVIEW的計(jì)量自動化系統(tǒng)建設(shè)方法不僅能擺脫繁瑣操作， 滿足測試精度要求， 而且工作效率高， 可擴(kuò)展性強(qiáng)， 在正確性和應(yīng)用性等方面有較好的參考價值.

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于LabVIEW的自動計(jì)量系統(tǒng)， 在正確性和應(yīng)用性方面具有一定的優(yōu)越性. 傳統(tǒng)計(jì)量方式根據(jù)被校儀器校準(zhǔn)規(guī)范， 手動控制儀器逐項(xiàng)計(jì)量， 人工讀取測試數(shù)據(jù). 本系統(tǒng)將計(jì)量技術(shù)， 通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合， 擺脫了繁瑣的手動操作過程， 內(nèi)部讀數(shù)準(zhǔn)確率高， 提高了測試效率， 在自動計(jì)量方面有一定的借鑒意義.

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Design of Automatic Measurement System for Noise Generator Based on LabVIEW

LIN Hongwen, WANG Shuo

(Dept.of Electronic and Information Engineering, Naval Aeronautical and Astronautial University, Yantai 264001, China)

An automatic noise measurement system for the noise generator based on LabVIEW was designed for the problems such as the cumbersome, inefficient and low precision of the traditional metering operation . This method , which is the point of the program, is a new idea of automatic measurement, realizing the control of instruments and leading to the table automatically. This method can be widely used in the measurement method of various equipments for its expansibility. It also can effect on the further research and implementation of the measurement system automation with a high reference value positively.

noise generator; automatic measurement; LabVIEW

2016-12-15

林洪文(1966-)， 男， 教授， 博士， 碩士生導(dǎo)師， 主要從事信息獲取， 處理與電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究.

1671-7449(2017)04-0335-06

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.010