一种基于LabVIEW的噪声发生器自动计量系统设计

林洪文， 王 硕

(海军航空工程学院 电子信息工程系， 山东 烟台 264001)

一种基于LabVIEW的噪声发生器自动计量系统设计

林洪文， 王 硕

(海军航空工程学院 电子信息工程系， 山东 烟台 264001)

针对传统计量操作繁琐、 效率低下、 精度不足等问题， 设计了一种基于LabVIEW的噪声发生器自动计量系统. 新方法实现了自动控制仪器， 获取仪器读数， 导出到校准表格等功能， 从程序角度提出了自动计量方法新思路. 该方法便于扩展， 可在各种设备的计量方法中推广应用， 对计量系统自动化的进一步研究和实现有积极作用， 具有较高的参考价值.

噪声发生器； 自动计量； LabVIEW

0 引 言

计量校准是现代工业生产研发中极其重要的一环， 计量人员使用标准仪器对生产研发用设备在满足准确性， 一致性， 溯源性和法制性的情况下给出校准结果这一过程至关重要. 传统的计量方式由专业计量人员根据被校仪器校准规范， 手动选择逐项计量， 由于多台仪器联测、 个人操作习惯影响、 不准确读数等原因， 存在较大的偶然误差， 在及时性、 正确性和应用性等方面也都存在着诸多不足之处[1]. 因此， 自动计量系统应运而生， 该系统可以将计量技术， 通信技术和计算机技术相结合， 实现计量系统与计算机系统实时双向交换数据， 避免大量人为因素的错误， 有效解决以上存在的不足. 目前已有的自动计量系统在一些步骤上如仪器参数读取、 填写报表等仍需要人工主动参与， 且模块化程度不高.

虚拟仪器是美国国家仪器公司推出的一种业界领先的工业标准图形化编程工具， 主要用于开发测试、 测量与控制系统. 利用NI的虚拟仪器技术， 可以使复杂的数据采集工作变得简单， 让工程师和科研人员得以把更多的精力放于实验过程、 数据分析和结论总结上[2]. 本文结合电子计量站的实际情况， 以宽带同轴噪声发生器(以下简称噪声发生器)N4000A自动计量系统为例， 设计了一种基于LabVIEW的计量自动化系统建设方法， 以克服传统计量方法存在的问题， 使计量过程易操作， 效率高.

1 噪声发生器自动计量系统设计背景

噪声发生器由噪声产生器件和匹配网络构成， 常见的噪声产生器件有雪崩二极管、 气体放电管等. 噪声发生器主要用于测量放大器、 混频器和接收机等元器件和仪器设备的噪声系数. 噪声发生器的超噪比ENR(Excess Noise Ratio)通过校准给出.

式中：ENR为超噪比， 单位为dB； T为噪声发生器输出噪声温度， 单位为K;T0为标准噪声温度， 即T0=290 K.

当在二端口网络输入端依次输入两个资用噪声功率时， 网络的输出端可得到两个相应资用噪声功率之比， 即为Y系数：

式中：N1和N2分别为第一次和第二次网络输出端得到的资用噪声功率， 单位为W.

计量噪声发生器需使用符合使用要求的， 并在有效期内的标准噪声发生器， 噪声系数分析仪、 程控衰减器和矢量网络分析仪. 标准噪声发生器采用与被计量型号相同的N4000A， 用于提供标准ENR； 噪声系数分析仪采用Agilent N8975A， 用于测量噪声发生器在10 M到18 G的Y系数； 程控衰减器采用11713B程控衰减器， 用于降低噪声系数分析仪测量噪声源Y系数时的失配误差； 矢量网络分析仪采用Keysight E5071C， 用于测量噪声发生器在10 M到18 G的驻波比.

主要校准项目为： ① 外观及工作正常性检查； ② 超噪比； ③ 电压驻波比.

1) 超噪比校准具体步骤(以Keysight N4000A为例)：

① 校准用设备预热不少于1 h后， 按规定连接设备.

② 设置噪声系数分析仪Agilent N8975A的测量频率为10 MHz， 测量平均次数为10.

③ 连接标准噪声发生器经可程控衰减器11713B至噪声系数分析仪， 测量其Y系数记为Ys.

④ 连接被校噪声发生器经可程控衰减器11713B至噪声系数分析仪， 测量其Y系数记为Yu.

⑤ 根据式(3)计算被测噪声发生器超噪比

式中：ENRs为标准噪声发生器超噪比.

⑥ 改变噪声系数分析仪测量频率， 重复步骤②至⑤得到被校噪声发生器在其他频率点的超噪比.

2) 电压驻波比校准具体步骤：

① 按规定连接设备：

② 设置矢量网络分析仪频率为被校噪声发生器的频率范围.

③ 在测试端口上进行开路、 短路、 匹配负载校准.

④ 被校噪声发生器接到测试端口， 依次测量相应频率点在断电状态下的电压驻波比[3].

标准的计量规范需要对同一个测试步骤进行数十， 甚至上百次测试， 例如上述的KeysightN4000A需要测量20个频率点， 标准件和待测件完成超噪比和电压驻波比的测量需要进行80次完全相同的操作步骤， 重复枯燥过程使工程师读数准确度下降， 影响了计量结果的准确性. 因此本文提出了一种基于顺序结构的， 结合触发事件结构对已有子程序进行调用的自动计量方法， 实现简便操作完成计量的目的. 该方法包括硬件和软件两部分， 硬件由Agilent N8975A， KeysightE5071C， 11713B程控衰减器、 GPIB总线和控制计算机组成.

软件由LabVIEW编写， 主要由主控界面和测试参数设置子界面组成. 自动计量系统的主界面如图 1 所示.

图 1 噪声发生器自动计量系统主界面Fig.1 Main interface of noise generator automaticmetering system

程序实现思路为： 利用循环结构依序执行计量步骤， 通过在事件结构中复合套用顺序结构多次循环写入命令到下位机后读取下位机反馈信息. 分别采集标准件和被测件的参数信息写入到缓存中， 完成采集后提示操作人员， 操作人员确认数据无误点击“导出到报告”将其自动输出到校准记录工作薄相应位置.

2 基于LabVIEW的自动计量系统设计中的关键技术

2.1 事件结构技术

事件结构用于编写等待事件发生的高效代码， 控件的值发生改变时将触发一个事件. 事件是对活动发生的异步通知. 本方法采用事件结构接收主界面控件值的改变， 点击“开始计量”、 “结束计量”和“导出到报告”等控件将会触发相应的事件， 运行该结构下的程序.

如图 2 所示： 在运行的程序中点击前面板“生成报告”键位后， 事件结构将定位至“生成报告”事件分支， 调用图3程序将测得数据导出至 EXCEL工作薄.

图 2 事件：“生成报告”Fig.2 Event:“generate report”

2.2 顺序结构技术

传统编程语言中， 程序是按照语句出现的顺序执行， 而LabVIEW是一种数据流程序设计语言， 没有明确的先后顺序， 当节点所有输入端的数据全部有效时， 节点才执行. 当需要使某个节点先于另外一个节点发生时， 可以用顺序结构来实现. 顺序结构以帧为单位， 每一帧为一段框图程序， 按照帧的顺序来执行框图程序.

如图 3 所示， 基于LabVIEW的自动计量系统主程序使用层叠式顺序结构模式， 设置数个帧来对应驱动每个步骤相应子程序， 在图示的“4”步骤中又使用了一个嵌入在For循环中的平铺式顺序结构， 在该子结构中， 第1帧根据两仪器的地址通过GPIB连接线向对应的仪器传送和接收命令完成仪器参数设置， 在第2帧中等待2 s， 在第3帧中读回噪声系数分析仪的返回值输出到缓存数组. 通过这样的顺序结构完成了一个频率点下的Y系数测量[4].

图 3 读取待测噪声发生器Y系数Fig.3 Read the Y-factor of the noise generator to be measured

2.3 循环结构技术

类似于传统编程语言， 在LabVIEW中For循环结构将程序重复执行预先设定的次数， While循环是重复执行代码直到满足某个条件. 因为自动计量系统多是在已知测试项的基础上， 所以本系统采用For循环， 设置同一测试项重复次数为循环次数， 通过多次循环取出数据并导出.

2.4 局部变量技术

LabVIEW的局部变量主要用于程序内部传递数据， 利用局部变量也可以对前面板上的控件进行读写操作. 每一个局部变量都是对某一个前面板控件数据的引用. 可以为一个输入量或输出量建立多个局部变量， 从局部变量中的任何一个都可以读取控件中的数据， 向这些局部变量中的任何一个写入数据， 都将改变控件本身和其他局部变量. 在顺序结构中使用局部变量可以使异步执行程序共享信息. 整个自动计量系统中多处使用局部变量技术， 例如待计量噪声源Y系数等的显示和导出到工作簿， 图3所示步骤中错误处理就是通过创建ret值x的局部变量实现的.

2.5 计量参数设置技术

2.5.1 对仪器设备写入控制命令和读取数据

整个自动计量系统的基础是对设备进行I/O操作， 循环地对设备发送命令， 完成参数设置或者使设备响应一串数据并读回. 这一过程主要是通过GPIB板卡连接， 通过调用VISA Write和VISA Read函数实现[1]. 具体程序如图 4 所示.

图 4 仪器设备读写操作Fig.4 Equipment read and write

2.5.2 仪器参数初始化

图 5 网络分析仪初始化Fig.5 Initialize the network analyzer

以Keysight E5071C为例， 其初始化程序框图如图 5 所示， 通过GPIB总线向仪器发送初始化命令“*RST”， 设置网络分析仪到初始化状态.

2.5.3 仪器参数控制设置技术

噪声发生器的自动计量系统中， 仪器参数设置有： 噪声系数分析仪N8975A的测试频点设置， 扫描模式设置和最终Y系数显示方式设置， 衰减器11713B的衰减值设置， 网络分析仪E5071C的工作模式设置.

以图3显示的步骤“读取待测噪声源Y系数”为例， 向噪声系数分析仪发送FREQ:MODE FIX命令， 设置噪声系数分析仪频率模式由sweeped转换为fixed， 之后将从数组中提取出来的数字转换成命令发送到噪声系数分析仪； 通过判断数字大小确定程控衰减器的工作频率， 提取相应的命令行发送给程控衰减器； 2 s后， 向噪声系数分析仪发送READ∶SCAL∶UNC∶YFAC? LIN命令， 询问线性表示法表示的Y系数的值并返回.

2.6 EXCEL工作簿写入技术

利用LabVIEW的 EXCEL specific类函数将操作过程中得到的数据， 诸如待测仪器序列号， 得到的测量数据等依次写入到EXCEL工作簿相应位置， 完成计量数据的保存[5]. 所计量项目的结果通过调用 EXCEL自带的函数功能得出， 实现该功能的 EXCEL工作簿写入及保存程序， 如图 6 所示.

图 6 写入EXCEL工作薄Fig.6 Write into EXCEL workbook

利用Copy控件从原始校准文件路径复制到指定路径； 使用新建报表子VI创建一个新的 EXCEL报表写入测得数据后导入 EXCEL工作簿， 选择以最小化形式对 EXCEL工作簿进行数据操作以不影响操作人员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， 首先利用局部变量写入之前步骤得到的仪器序列号到指定位置， 然后进入For循环， 依次使用局部变量技术从数组中提取之前得到的待计量噪声发生器Y系数、 标准噪声发生器Y系数和驻波比到相应位置， 完成校准文件生成， 结束计量过程.

利用该系统， 对某噪声发生器KeysightN4000A进行了计量， 计量部分结果如图 7 所示.

图 7 自动计量系统导出的工作簿(部分)Fig.7 Workbookexported by automatic metering system (partial)

与传统计量方法相比， 基于LabVIEW的自动计量系统效率高， 仅需15 min就完成了整个计量过程， 同样的工作手动操作至少需要1 h， 从设备内部直接读取数据， 相对手动操作准确度较高. 测试结果表明： 新的基于LabVIEW的计量自动化系统建设方法不仅能摆脱繁琐操作， 满足测试精度要求， 而且工作效率高， 可扩展性强， 在正确性和应用性等方面有较好的参考价值.

3 结束语

本文提出了一种基于LabVIEW的自动计量系统， 在正确性和应用性方面具有一定的优越性. 传统计量方式根据被校仪器校准规范， 手动控制仪器逐项计量， 人工读取测试数据. 本系统将计量技术， 通信技术和计算机技术相结合， 摆脱了繁琐的手动操作过程， 内部读数准确率高， 提高了测试效率， 在自动计量方面有一定的借鉴意义.

[1] 张华春， 吕继宇， 禹卫东. 基于虚拟仪器的功率计控制设计[J]. 测试技术学报， 2016， 30(6)： 518-523. Zhang Huachun, LüJiyu, Yu Weidong. Design of control system for power meter based on virtual instrument technology[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2016， 30(6)： 518-523. (in Chinese)

[2] Rick B, Taqi M, MatthewN. LabVIEW advanced programming techniques[M]. BocaRaton: CRCPress, 2000.

[3] JJF 1442-2014， 宽带同轴噪声发生器校准规范[S]. 2014.

[4] 陈挺， 周闻青， 茅振华. 基于虚拟仪器的光纤多参数自动校准测试平台[J]. 中国测试， 2015， 41(12)： 74-78. Chen Ting, Zhou Wenqing, Mao Zhenhua. Automatic platform for calibrating and testing multi-parameter of optical fiber communication based on virtual instrument technology[J]. China Measurement & Test, 2015, 41(12)： 74-78. (in Chinese)

[5] 赵建， 谢力元， 陈强. 基于LabVIEW的虚拟仪器报表生成技术的研究[J]. 计量技术， 2005(3)： 12-15. Zhao Jian, XieLiyuan, Chen Qiang. Research on the report generationof virtual instrument based on LabVIEW[J]. Measurement Technique, 2005(3)： 12-15. (in Chinese)

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， 硕士生导师， 主要从事信息获取， 处理与电路实现技术的研究.

1671-7449(2017)04-0335-06

TP273+.5

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.04.010