基于IVI技术的频谱分析仪自动检定系统设计

赵汝和，李迅波，李三雁

（1.四川大学锦城学院，四川 成都 611731；2.电子科技大学，四川 成都 610054)

基于IVI技术的频谱分析仪自动检定系统设计

赵汝和1，李迅波2，李三雁1

（1.四川大学锦城学院，四川 成都 611731；2.电子科技大学，四川 成都 610054)

针对目前频谱分析检定过程中面临的检定项目多、流程复杂、效率低、自动化程度不高、测试程序无法通用等问题，通过研究频谱仪的工作原理、检定方法和IVI技术，提出以GPIB为总线的频谱分析仪自动检定系统的硬件设计方案，设计检定系统的软件架构和检定系统工作流程。在测试软件架构中设计IVI-C和IVI-COM两种形式的驱动器，可隔离测试程序和硬件，使测试程序和硬件无关，利用IVI驱动器实现仪器状态仿真。实践证明采用该系统检定频谱分析仪E4448A的时间可缩短至2h以内，检定频谱仪AV4032A，测试程序无需更改。

自动检定；IVI；VISA；GPIB；频谱分析仪；ATS

0 引 言

频谱分析仪可以完成调频（FM)、调幅（AM)、数字调制，也可以对信号的频率、电平、谐波、噪声、增益、衰减等多种参数进行测量，被广泛地应用于微波射频、通信开发、机械故障诊断等领域，频谱分析仪是信号频域分析的强大工具，定期对频谱分析仪进行校准是保证其工作在合格状态的必要手段，但是频谱分析仪的检定通常是手工检定，效率低下、流程复杂，检定一台频谱分析仪的时间通常需要1d以上[1-2]。同时，频谱仪的型号繁多，不同厂家的频谱仪、同一厂家不同型号的频谱仪的检定方法都不相同，增加了检定的复杂程度，而且在26.5～50GHz频谱仪的通用校准技术和设备长期被安捷伦、日本安立公司、德国R/S公司垄断。鉴于此，我国在2013年发布了JJF 1396——2013《频谱分析仪校准规范》，统一了超外差式频谱分析仪的校准规范，仪器的检定范围从30Hz～26.56GHz扩大到 3Hz～50GHz，同时对计量性能也提出了更高的要求，在检定项目上增加了噪声边带、剩余调频、频率计数等项目，取消了频率稳定性检测，新的国家标准需要对检定的项目、流程进行相应调整[2]。上海市计量测试技术研究院、中国计量科学研究院、中电十三所等[3]相关机构进行探索并开发了检定系统但是系统存在自动化程度不高，没有解决仪器互换性，测试程序无法通用等问题，生产现场迫切需要一种可以实现仪器互换的基于自动化技术的自动检定方案。本文在研究JJF 1396——2013后， 以IVI（interchangeable virtual instrument)技术为基础，设计仪器可互换的频谱分析仪的自动检定系统，完成系统的软、硬件设计。

1 频谱分析仪工作原理以及典型检定方法研究

1.1 频谱分析仪的工作原理

频谱分析仪用于在频域内显示信号的频谱特性，频谱分析仪根据工作原理的不同有多通道滤波器式频谱分析仪、FFT频谱分析仪和超外差式频谱分析仪3大类。多通道滤波器式频谱分析仪是利用一组滤波器来分析信号频率，其性能受滤波器的带宽和数目的限制。FFT频谱分析仪把输入信号经可变衰减器衰减，然后通过低通滤波器滤波去除不需要的高频信号，经过A/D采样把连续的模拟信号变成离散的数字信号，借助傅里叶变换把输入信号分解成独立的频率分量，适合对持续时间很短的瞬态信号和非周期信号的频谱测量。

超外差式频谱分析仪适合于高频和超高频信号的处理，它采用混频器将输入高频信号和本振信号经过相乘后成为中频或低频信号，采用自动调谐的方式，通过改变本振的频率捕获被测信号的频率分量[4]。详见图1。

图1 数字式超外差频谱分析仪方框图

1.2 频谱仪典型检定方法研究

对于超外差式频谱分析仪校准的项目达24项，较为基础和核心的项目有：扫频宽度、频率读数、参考电平、垂直显示刻度、分辨力带宽、噪声边带、输入频率响应、垂直显示刻度等。本文以分辨力带宽和输入频率响应为例给出了检定方法。

1.2.1 分辨力带宽

分辨力带宽有3dB分辨力带宽和60dB分辨力带宽两个项目，3dB带宽是测量频率相差3dB的两个等幅信号合成后可以在频谱仪上显示两个波峰的能力，60dB带宽用于表征频谱仪对不等幅信号的分辨能力[2]。分辨力带宽测试主要由信号源、电缆和频谱分析仪构成，在检定过程中由信号源提供1kHz，3kHz，1MHz等不同频率的信号。仪器连接如图2所示。

图2 分辨力带宽测试连接图

检定过程是首先设置信号源的信号频率和输出电平，然后设置频谱仪的参考电平、分辨力带宽、扫频宽度、扫描时间、然后调节信号源电平读取频谱仪的相关参数，详见图3。

分辨力的计算公式为

分辨力的相对误差为

图3 分辨力带宽检定流程

式中：RBWn——被检频谱仪3 dB分辨能力带宽标称值，Hz；

Δ——3dB分辨力带宽相对误差。

60dB分辨力带宽的检定与其类似，不再赘述。

1.2.2 输入频率响应

输入频率响应的检定需要功分器、功率计、信号源以及被检频谱仪，频率响应检定的基本思路是：信号源输出的信号电平不变，改变其频率，在频谱仪中观察并记录电平的变化，详见图4。

图4 频率响应检定连接图

频率响应的检定方法是用通信电缆按照图4连接仪器，选择参考点频率，然后完成频谱仪相关的设置。设置信号源频率为频谱仪校准信号频率，输出电平为-4 dBm，调整信号源，让其峰值为-10 dBm，记录此时的读数为LSAR，用功率计测量信号电平，将它作为LPMR[2-4]。将LSAR和LPMR记录到相应的表中即可得到各个频率输入点的频率响应FR。频率补偿要考虑信号频带切换时的信号突变。

2 频谱分析仪自动检定系统硬件设计

本文频谱分析仪检定系统的硬件组成主要有：主控计算机、矢量信号源、功率计、合成信号发生器、测量接收机、网络分析仪、功分器、程控衰减器、微波开关组合仪器、频率计和低通滤波器以及定向耦合器、50Ω匹配负载、连接器、转换器、GPIB接口控制卡等部件[5-6]。

主控计算机是整个检定系统的控制中心，在主控计算机上记录相关的仪器参数，运行检定程序，发送对仪器的控制命令，读取仪器的相关参数，保存检定数据等。

信号源、功率计、频率计、程控衰减器等仪器通过GPIB（general purpose interface bus)接口连接起来，用于测控计算机和仪器的互联，GPIB总线的数据传输速率可达1MB/s[7]。GPIB系统中的器件可以有控、听、讲3种属性中的一种或多种。在本系统中测控计算机具有控、听、讲3种属性，频谱分析仪可以接受程控命令，同时把测试结果提供给计算机，因此频谱分析仪具有听、讲属性，打印机只接受数据，只有听属性[7]。

GPIB标准建立了听者功能、讲者功能、控者功能、源方挂钩功能、服务请求功能、器件触发功能、器件清除功能等10种接口功能。

程控开关在程序的控制下连接指定仪器和频谱仪，形成特定的仪器连接。

频谱分析仪检定系统所需要的主要仪器型号，如表1所示。

表1 频谱分析仪检定系统设备表

3 频谱分析仪自动检定系统软件设计

3.1 基于IVI技术的驱动器设计

IVI（interchangeable virtual instrument)是IVI基金会在1998年发布的可互换虚拟仪器模型，其目的是实现在自动测试系统中仪器的完全互换。截止到目前为止IVI基金会共发布了13类仪器。

3.1.1 IVI驱动器的类型

IVI（interchangeable virtual instrument)的驱动按照功能分类可以划分为两大类驱动器：IVI类驱动器（IVI class driver)和IVI专用驱动器（IVI specific driver)。IVI专用驱动器分为IVI类兼容专用驱动器（IVI class-compliant specific driver)和IVI定制专用驱动器（IVI custom specific driver)[8-9]。

3.1.2 IVI驱动器的实现形式和手段

IVI驱动器有 3种形式，IVI-C，IVI-COM和IVI.NET。IVI-C是IVI基金会早期发布的可以实现仪器简单互换的一个标准。IVI-COM驱动器基于组件技术实现IVI接口，可以采用VC++、C#或者是Nimbus Driver Studio开发。IVI.NET驱动器是基于微软的.NET Framework设计，用于构建分布式测控系统，国内开发IVI.NET基本处于探索阶段。

3.1.3 频谱分析仪自动检定系统驱动器设计

目前LXI仪器都提供IVI-C或IVI-COM的驱动，但是对于没有提供IVI驱动的仪器就需要使用者开发IVI驱动程序。在本系统中设计的驱动器包括了IVI-C和IVI-COM两种驱动形式，具体的讲包括了IVI-C类驱动器，IVI-C类兼容专用驱动器、定制专用驱动IVI-C/IVI-COM和IVI-COM类兼容专用驱动器，详见图5。

图5 基于IVI驱动器的检定系统结构图

测控程序是上层应用，它提供人机界面、调用驱动程序、完成运算以及显示检定结果。

IVI-C类驱动器包含了这一类仪器的功能和属性，是一个介于测控程序和专用驱动中的一个过渡层，在IVI-C类中驱动层必不可少。

类兼容专用驱动是类驱动派生出的子类，类兼容专用驱动实现仪器类80%的共有功能，IVI类兼容驱动是真正实现仪器可互换的驱动。

定制专用驱动实现仪器特殊的功能，有IVI-C和IVI-COM两种形式。

IVI配置器完成仪器类驱动到专用驱动的映射，并实现DLL的加载。VISA仪器驱动完成IVI驱动器和仪器的固件程序的通信，从而完成仪器的控制[8-10]。

3.2 仪器可互换性设计

测控系统中仪器的可互换一直是研究的热点，IVI技术是在VXI plug&play基础上发展起来的真正实现仪器可互换的技术。在不具备IVI驱动器的测控系统中，测试程序和具体的仪器紧密相关，更换了仪器以后需要改变相应的测试程序集（TPS)，在系统中引入IVI驱动器以后，测控程序并不直接控制仪器，而是通过IVI驱动器控制仪器，由于IVI驱动中间层的存在，更换仪器以后，由驱动器负责和仪器通信，测试程序不用更改和调整。若驱动器为IVI-C，由测控程序调用类驱动程序，由类驱动程序调用IVI类兼容专用驱动程序实现仪器的互换而测控程序无需更改。若驱动器为IVI-COM，可以没有类驱动器，它通过COM会话工厂直接调用类兼容专用驱动，调用VISA仪器驱动实现对仪器的控制[9-11]。

3.3 基于IVI技术的系统状态仿真

系统在引入IVI驱动器以后，利用驱动器的仿真功能可以在不接入实际仪器的情况下运行测试程序，IVI将关闭仪器I/O，由驱动器检查数据是否在设定的范围，并产生仿真输出数据，利用这个特点可以在购买仪器之前运行测试软件，为是否购买仪器提供决策帮助，同时也可以在没有配置实物仪器的情况下完成频谱分析仪检定系统应用软件的开发、培训。

3.4 软件模块设计

测试软件按照功能划分为检验员管理模块、被检仪器信息管理模块、IVI驱动管理模块、数据查询模块、报告输出与修订模块。

检验员管理模块是设定具有检定资质的检验员账号和密码。检验员得到账号和密码后可以登录系统检定仪器。

被检仪器信息管理模块记录仪器的型号、生产厂家、厂家推荐的检定项目等信息。

IVI驱动程序管理模块记录了系统中已经加载了的仪器IVI驱动程序的信息。

数据查询模块可以查询系统支持的仪器设备，系统已经检定完毕的相关报告数据。

报告输出与修订模块为已经检定完毕的设备打印输出检定证书。

3.5 软件结构化流程设计

系统开机预热后，检定工程师登录系统，在信息管理模块查看是否有被检定的仪器型号，检查是否安装IVI驱动，按照系统的提示连接相关仪器，系统自动识别仪器，从数据库中读取被检仪器的所有可以检定的项目和项目的标准值，检定工程师根据检定的需要选择项目逐一检定，检定的相关信息被自动保存到数据库中，当所有的项目检定完毕后系统结束测试流程，打印输出检定证书，详细流程见图6[10-11]。

图6 检定程序结构化流程

3.6 软件平台的选择

本系统采用.NET架构的VC++开发，数据库采用SQL Server 2013。频谱仪器的IVI-C驱动采用LabWindows/CVI 2013作为IVI-C的开发工具，IVICOM驱动采用Nimbus Driver Studio组件开发[12]。

4 应用实例

采用本系统检定Agilent公司的E4448A频谱分析仪，对功率带宽、频率计数、参考电平、噪声边带、输入频响、镜像响应、垂直显示刻度、二次谐波失真等14个检定项目进行了检定，得到的结果和手工检定的结果是一致的，其中参考电平的检定数据见表2。自动校准的时间从手工检定需要的8h缩短到2h以内。对中电44所生产的AV4032A型频谱分析仪开发了IVI驱动程序，完成各项参数的检定，测试程序不用更改。

5 结束语

以IVI技术为基础，参考最新的频谱分析仪国家检定标准，给出了频谱分析仪自动检定系统的架构和程序核心流程、完成应用软件的设计，结果证明：系统方案是合理的，采用以GPIB为总线，基于IVI技术的自动检定系统可以缩短频谱仪70%的检定时间，更换频谱仪器，测试程序无需更改，为构建综合性的仪器仪表自动检定系统提供了新的方法和途径。

表2 E4448A参考电平结果对比表

[1]段美霞.频谱分析仪校准研究[J].北京：化工自动化及仪表，2012，39（3)：399-402.

[2]频谱分析仪校准规范：JJF 1396-2013[S].北京：中国质检出版社，2013.

[3]左建生，朱建刚，缪铁，等.频谱分析仪的自动校准系统[J].上海计量测试，2012（6)：19-21.

[4] 李剑雄.频谱分析仪与测量技术基础[M].北京：人民邮电出版社，2011：18-26.

[5] 郭猛.基于IVI技术的多接口测控平台的实现[D].西安：西安邮电大学，2014.

[6]杨志兴.基于合成仪器的频谱分析仪构建方法及实现[J].仪器仪表学报，2013，34（12)：59-62.

[7] 孟馨，王志刚，马文敏，等.基于GPIB总线和VISA标准自动测试系统的应用[J].河北工业大学学报，2009，38（2)：83-86.

[8] 徐卫，贺正军.基于Nimbus的IVI-COM仪器驱动设计[J].电子测量技术，2014，37（2)：82-85.

[9]唐希浪，肖明清，薛辉，等.IVI.NET仪器驱动及其应用研究[J].测控技术，2015，34（10)：111-114.

[10]卢丹.LXI仪器IVI驱动程序的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012.

[11]周媛，闻扬，王慧芬，等.基于LUA嵌入式板级硬件及驱动自动化测试框架[J].控制工程，2012，19（10)：154-160.

[12]宋同根，谈东兰，马辉，等.基于VC++和SQL Server的频谱分析仪检定/校准系统设计及实现[J].现代电子技术，2013，36（19)：120-126.

Design of automatic verification system for spectrum analyzer based on IVI technology

ZHAO Ruhe1， LI Xunbo2， LI Sanyan1
（1.Jincheng College of Sichuan University，Chengdu 611731，China；2.University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China)

For the problems in verification test of spectrum analyzer such as more and more verification items， complicated process， low efficiency， low degree of automation， and nonuniversal process，a hardware design plan for automatic verification system of spectrum analyzer with GPIB being bus was proposed and the software architecture and working process of the verification system were also designed by studying the working principle of the spectrum analyzer，the verification method and the IVI technology.The test software architecture included IVI-C driver and IVI-COM driver.The test program and hardware were isolated by driver，which made test program irrelevant to hardware.Besides，IVI driver was used to achieve instrument status simulation.The practice proves that the verification time of the spectrum analyzer E4448A of the system is reduced to less than 2 hours，and the test program is not required to be changed by verify another kind of spectrum analyzer AV4032A.

automatic verification； IVI； VISA； GPIB； spectrum analyzer； ATS

A

1674-5124（2017）10-0114-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.022

2017-03-10；

2017-05-09

赵汝和（1978-)，男，四川绵阳市人，讲师，硕士，研究方向为计算机测控技术、虚拟仪器和机械优化设计。

（编辑：李妮）