Labwindows/CVI+Matlab建立高頻衰減模型

??????? 引言

　　LabWindows/CVI美國國家儀器公司(NI公司)推出的交互式C語言開發(fā)環(huán)境。LabWindows/CVI以ANSIC為核心，將功能強大、使用靈活的C語言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具有機地結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫函數(shù)大大增強了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立了檢測系統(tǒng)、自動測試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)、虛擬儀器等提供了一個軟件開發(fā)平臺。Matlab是由Math Works公司于1984年推出的一套科學計算軟件。它具有強大的矩陣計算和數(shù)據(jù)可視化能力，一方面可以實現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計、偏微分方程數(shù)值解等若干個領(lǐng)域的數(shù)學計算;另一方面可以實現(xiàn)二維、三維圖形繪制，圖像處理、虛擬現(xiàn)實等方面的處理。

　　本文的出發(fā)點是利用Matlab強大的數(shù)學處理功能，對某平臺高頻測試功率衰減問題進行數(shù)據(jù)分析，并以此建立高頻通道功率衰減數(shù)學模型。并在此基礎(chǔ)上采用LabWindows/CVI這一軟件開發(fā)平臺，利用其靈活豐富的庫函數(shù)，以及可以輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示的軟面板功能來控制測試儀器，在獲取儀器測試實際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將測試得到高頻信號頻率帶入建立的衰減數(shù)學模型進行計算得到此時的功率衰減值，并將此數(shù)值與實際測得功率值相加顯示到虛擬儀器面板上，作為最終的測試結(jié)果。從而實現(xiàn)了編程環(huán)境中C語言的高效執(zhí)行效率和科學計算相結(jié)合的目的，試驗證明了該方法的有效性。

　　1 通用ATS傳輸通道結(jié)構(gòu)分析

　　ATS硬件結(jié)構(gòu)和接口電路設(shè)計具有一定的共性，其一般測試結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出實現(xiàn)信號傳輸?shù)耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)主要包括2個部分：一是ATE(Auto Test Equipment，自動測試設(shè)備)中信號流經(jīng)的途徑，一般流程部件為測試儀器-連接線纜-開關(guān)-連接器;二是適配器結(jié)構(gòu)，根據(jù)UUT測試需求實現(xiàn)開關(guān)系統(tǒng)的靈活配置，以及完成信號調(diào)理。適配器設(shè)計一方面存在功能上的共性，即需要完成放大、衰減、濾波、隔離、線性化等信號調(diào)理功能;另一方面也有其特殊性，如必須結(jié)合UUT具體測試要求，設(shè)計各種調(diào)理電路。而ATE在設(shè)計完成后，具有結(jié)構(gòu)功能不變性，特別對高頻信號而言，其本身特點不能按一般的集總系統(tǒng)理解，故此需要對這一特定的信號傳輸特性進行分析。

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　　ATE中測試高頻信號主要關(guān)注其頻率和功率2個參數(shù)，經(jīng)過試驗已證實，高頻信號經(jīng)過傳輸通道(電纜、開關(guān)、連接器)時對頻率測試精度影響很小，可以忽略;而信號的功率會隨著頻率的改變而有規(guī)律的變化。這種衰減產(chǎn)生的原因包括以下幾個方面：

　　(1)電纜在傳輸信號時會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗。其中高頻信號沿著導體內(nèi)側(cè)的表面?zhèn)鬏?，這種現(xiàn)象即為所謂的趨膚效應(yīng);絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在內(nèi)部引起的能量損耗，由于電介質(zhì)絕緣體會影響電纜的電容，電介質(zhì)絕緣體同樣會產(chǎn)生與頻率相關(guān)的電纜損耗，即介質(zhì)損耗。在自動測試設(shè)備中，介電損效應(yīng)是高頻信號產(chǎn)生損耗的主要原因。

　　(2)開關(guān)和連接器作為特殊的連接線，同樣會使信號傳輸時產(chǎn)生衰減。

　　(3)這些元件連接到一起后，由于阻抗不完全匹配會引起信號波反射，產(chǎn)生反射損耗，并且元件之間焊接處不可避免地會產(chǎn)生頻譜泄漏等，都將導致信號功率衰減。對于前2種功率損耗，電纜、開關(guān)和連接器在出廠時都給出了不同頻率段下功率衰減值，而對于第3種因素產(chǎn)生的損耗，是不可預知的，需要在完成設(shè)計后進行測定。

　　另外，上述幾種元件使用時，因其老化和溫度變化不可避免的會產(chǎn)生隨機誤差，如連接器的本振頻率會隨著溫度變化產(chǎn)生漂移等。因此，為減小這些隨機誤差，一方面應(yīng)選擇高質(zhì)量的元件;另一方面要定期對ATE進行計量，以便及時調(diào)整相關(guān)測試參數(shù)。

　　2 基于Matlab建立高頻傳輸衰減模型

　　2.1 獲取高頻信號傳輸通道功率衰減值

　　本文旨在結(jié)合Matlab和LabWindows/CVI兩者的優(yōu)勢，為ATS中高頻通道傳輸損耗設(shè)計一種軟件補償?shù)姆椒?。功率衰減與其大小無關(guān)，而是隨頻率改變而變化，本文以某平臺為基礎(chǔ)，對頻率范圍在[30 MHz，2.7 GHz]內(nèi)的高頻信號源進行測試，得到(不同頻率、功率)信號經(jīng)過傳輸通道的功率衰減值，如表1所示。

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　　2.2 高頻信號傳輸通道功率衰減建模

　　在測量數(shù)據(jù)處理中，常常遇到根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定給定模型的參數(shù);為離散測量數(shù)據(jù)建立連續(xù)模型2類問題。本文的數(shù)據(jù)處理工作屬于第2種，在這類問題的測量數(shù)據(jù)處理方法中，比較好的是選取能夠描述測量數(shù)據(jù)特征的某類曲線，在一定意義下從這類曲線中尋求一條“最好”的曲線作為實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的連續(xù)模型，并給出該連續(xù)模型對應(yīng)的參數(shù)。這種處理思想被稱為“擬合”，本文將采用經(jīng)典的最小二乘擬合方法進行數(shù)據(jù)處理。

　　2.2.1 最小二乘擬合

　　以兩元模型為例，假設(shè)x和y分別為測量數(shù)據(jù)矢量，x*和y*分別為對應(yīng)的真值矢量，f為擬合模型，θ為模型參數(shù)矢量，則：

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　　由式(2)列出對應(yīng)的正規(guī)方程并求解就可以得出模型參數(shù)的最小二乘估計值。最小二乘擬合的理論基礎(chǔ)是高斯-馬爾可夫定理，其發(fā)展已有約兩百年的歷史，在數(shù)據(jù)處理中被廣泛應(yīng)用。最小二乘估計具有無偏性和方差最小的性質(zhì)，且與測量矢量所服從的概率分布無關(guān)，因而當測量矢量的概率分布形式不能嚴格知道，無法使用經(jīng)典統(tǒng)計中的參數(shù)估計理論時，最小二乘擬合成為了數(shù)據(jù)處理的一種簡便方法，同時這也是最小二乘擬合在數(shù)據(jù)處理中被廣泛使用的原因?；谏鲜鲈颍疚倪x取最小二乘擬合方法對測試數(shù)據(jù)進行處理。