基于LabVIEW 的放大器自动测量系统的实现

摘要: 本文介绍了一个基于LabVIEW工作平台的自动测量系统,可完成多路前置放大器的电压、增益、带宽、失真、噪声、串扰、跨阻等性能指标的快速测试. 系统由硬件和软件两部分组成. 硬件由测试仪器、工控机、GPIB接口卡、I/ O 接口卡、可编程控制电路和打印机组成;软件由人机界面程序、测量与控制程序和数据后处理程序组成. 系统采用虚拟仪器测试技术,将测量与控制、信号处理、软件工程等多项技术集于一体,构成一个灵活、高效、个性化的自动测量系统,能在30 min 时间内自动完成5 路放大器165 项性能指标的测量、记录,标出不合格参数并打印.

关键词: 放大器; LabVIEW; 自动测量; 虚拟仪器

多路前置放大器用于将红外探测器输出的电流信号转换成电压信号,并对信号进行放大、滤波、求和,输出送至后续电路,对信号和干扰进行处理. 多路前置放大器的性能直接影响到后续处理的效果. 本研究开发了基于LabVIEW 平台的多路前置放大器的自动测量系统,可实现多路放大器技术指标的全部自动测量或选项测量.

1 　系统功能及组成

1. 1 　系统功能
系统能自动测量前置放大器输出信号的电压、增益、带宽、噪声、失真、串扰、跨阻等性能指标;也可以选择测量某些性能指标;自动记录和打印测试数据,并判断测得的数据是否合格;具有多种介质存储数据功能;能自动进行测量校准和重新设定指标的参数.

1. 2 　系统组成
系统由硬件和软件两部分组成. 硬件由测试仪器、工控机、GPIB 接口卡、I/ O 接口卡、可编程控制电路和打印机组成,对放大器的输入、输出信号的频率、电压值和波形进行测量,测量数据通过GPIB 总线由工控机读取和处理;软件由人机界面程序、测量与控制程序和数据处理程序组成,在LabVIEW平台构建虚拟仪器,灵活地将计算机平台、硬件、软件结合起来,组成所需要的特定应用设备,完成放大器各项性能指标的测量和记录,并标记超标数据和打印测量结果

图1 　系统组成框图

2 　系统硬件构成

a. 测量仪器
数字万用表：采用Agilent34401A ,其频率范围为3Hz～300 kHz ,基本直流精度为15 ×10 ^{- 6} 、分辨率为6. 5 ,在本系统中用于测量交、直流电压、频率.
数字示波器：采用TDS1002 , 并配接TDS2CMA 通信接口模块,其频率范围为0Hz～60MHz ,采样速率为1Gbit/ s ,垂直分辨率为8bit ,时间基准精度为50 ×10 ^{- 6} ,在系统中用于测量波形和进行FFT 分析.
任意波形发生器： 采用Agilent33220A ,其频率范围为1μHz～20 MHz ,分辨率为14 bit ,采样速率为50 Mbit/ s ,具有线性和对数扫描功能,扫描速率可在1ms～500s 范围内选择,在系统中用于产生幅度、频率可变的点频信号和扫频信号.3 台仪器均具有GPIB 接口仪器,既可以作为独立的单台仪器使用,也可以构成GPIB 总线虚拟仪器测试系统.

b. GPIB 接口卡
采用NI公司生产的PCI-GPIB 接口卡,完成GPIB总线和PCI 总线的连接,实现工控机与测量仪器的通信、控制. 本系统用GPIB 电缆将GPIB 卡、工控机与3 台仪器作星形连接,实时测量多路前置放大器的工作状态. 仪器通过GPIB 接口卡以1000/s 读数的速度将测得的数据送入工控机显示、存储并处理,从而实现一个闭环反馈的自动测量系统. 它扩展了现有仪器的功能,使测量工作变得快捷、简便、精确和高效.

c. I/ O 接口卡
采用NI 公司生产的PCI26503 数字I/ O卡,该卡提供了24bit 并行的数字I/ O界面,在系统中用于控制测量端口和测量仪器的转换.

d. 可编程控制电路板
自行设计的可编程控制电路板,用于完成被测模块的选择、模块内部各通路及连接方式的选取、向被测产品提供电源和激励信号.

3 　系统软件构成

软件构成框图如图2 所示. 其中测量与控制部分的功能划分为多个子模块进行设计,提高了软件的可靠性、可维护性和可扩展性.

图2 　系统测试程序框图

A. 人机界面
用于确定用户类别和各类用户的操作权限.最高为系统管理员的操作权限,包括:开始测试、数据管理、参数修改三大功能. 其中“开始测试”操作包括自动测试和选项测试,选择后可以进行多路放大器模块的测试操作;“数据管理”操作包括测试记录的查询、保存、打印等操作;“参数修改”操作包括芯片的参数指标修改.

B. 测量与控制部分
用于完成各项指标的测量. 测控程序分为3类:
a. 仪器通信子VI ,为每台GPIB 仪器构建通信子VI. 通信子VI 采用VISA 方式和IVI 方式编程实现. VISA 是虚拟仪器软件结构体系(Virtual Inst rument Software Architecture) ,实质是一个I/ O 接口软件库. 采用了VISA 标准,就可以不考虑时间及仪器I/ O 选择项. IVI 是可互换虚拟仪器( Interchangeable Virtual Instrument ) ,其实质是一个以仪器类别划分的仪器驱动程序库,采用IVI 编程可直接调用LabVIEW 工作平台提供的虚拟仪器驱动程序. 本系统对采用传输VISA Session 和IVI Session 参数进行控制.
b. 指标测量子VI ,将需测试的各项指标编写成独立的测试子VI ,采用调用LabVIEW函数方式编程实现. 程序运行顺序采用顺序结构和事件结构实现,既能单独调用一个测试子VI程序,也能同时调用多个测试子VI 程序,使各个测试项目有序进行, 互不干扰.
c. 采集控制子VI ,发送各测量端口转换控制命令. 通过调用“确定端口”和“写端口”传输控制参数至数字I/ O卡.

C. 数据处理部分
用于对测量到的数据进行处理计算、汇总,得到所需的信息,并嵌入打印程序,可随时对数据进行打印.

4 　系统工作原理与工作过程

系统工作时,首先进入系统登录界面,输入用户名和密码可确定操作人员的工作权限,无权限的操作按钮被隐藏.“测试”操作包括自动测试和选项测试,33 项测试参数通过“建立数组”函数,形成参数变量子VI ,供各项参数测试时调用. 开始测量时,先依次初始化万用表、示波器、任意波发生器和I/O 接口,并通过检查取样电阻上的电压,检查多路前置放大器模块上的电源连接和模块的接入. 然后,调用数据库中的测试条件参数对仪器进行测试环境设置和向I/ O接口卡发送控制命令. 可编程控制电路板上的CPLD 对控制命令进行译码,进而实现对测试点的选择;工控机通过GPIB 总线读取万用表、示波器所测的数据. 对于可直接测量的指标,工控机存储所测数据并在人机交互界面显示;对于不能用万用表、示波器直接测量的指标,则通过LabVIEW 平台的数据处理来获得,即在测试程序中嵌入“公式节点”函数,计算出间接测量的指标,如放大倍数、带宽、噪声、串扰、跨阻等性能指标的测量. 测得的参数都将与测试条件参数比较,判定合格与否.

基于LabVIEW 工作平台自动测量系统,为多路前置放大器技术参数的快速测试提供了一个实时可靠的解决方案,经过大量仿真和实际测试,结果表明:该测量系统能在30min 时间内,自动完成5 路放大器165个参数的测量、记录、标出不合格参数以及打印,满足系统要求,目前已投入使用. 采用虚拟测试技术取代传统的测试手段,可以极大地提高工作效率.