通過利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)路前置放大器測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多路前置放大器用于將紅外探測(cè)器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、求和，輸出送至后續(xù)電路，對(duì)信號(hào)和干擾進(jìn)行處理。 多路前置放大器的性能直接影響到后續(xù)處理的效果。 本研究開發(fā)了基于LabVIEW 平臺(tái)的多路前置放大器的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多路放大器技術(shù)指標(biāo)的全部自動(dòng)測(cè)量或選項(xiàng)測(cè)量。

1、系統(tǒng)功能及組成

1. 1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)能自動(dòng)測(cè)量前置放大器輸出信號(hào)的電壓、增益、帶寬、噪聲、失真、串?dāng)_、跨阻等性能指標(biāo);也可以選擇測(cè)量某些性能指標(biāo);自動(dòng)記錄和打印測(cè)試數(shù)據(jù)，并判斷測(cè)得的數(shù)據(jù)是否合格;具有多種介質(zhì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能;能自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)和重新設(shè)定指標(biāo)的參數(shù)。

1. 2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。 硬件由測(cè)試儀器、工控機(jī)、GPIB 接口卡、I/ O 接口卡、可編程控制電路和打印機(jī)組成，對(duì)放大器的輸入、輸出信號(hào)的頻率、電壓值和波形進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)通過GPIB 總線由工控機(jī)讀取和處理;軟件由人機(jī)界面程序、測(cè)量與控制程序和數(shù)據(jù)處理程序組成，在LabVIEW平臺(tái)構(gòu)建虛擬儀器，靈活地將計(jì)算機(jī)平臺(tái)、硬件、軟件結(jié)合起來，組成所需要的特定應(yīng)用設(shè)備，完成放大器各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)量和記錄，并標(biāo)記超標(biāo)數(shù)據(jù)和打印測(cè)量結(jié)果

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2、系統(tǒng)硬件構(gòu)成

a. 測(cè)量儀器

數(shù)字萬用表：采用Agilent34401A ，其頻率范圍為3Hz～300 kHz ，基本直流精度為15 ×10 - 6 、分辨率為6. 5 ，在本系統(tǒng)中用于測(cè)量交、直流電壓、頻率。

數(shù)字示波器：采用TDS1002 ， 并配接TDS2CMA 通信接口模塊，其頻率范圍為0Hz～60MHz ，采樣速率為1Gbit/ s ，垂直分辨率為8bit ，時(shí)間基準(zhǔn)精度為50 ×10 - 6 ，在系統(tǒng)中用于測(cè)量波形和進(jìn)行FFT 分析。

任意波形發(fā)生器： 采用Agilent33220A ，其頻率范圍為1μHz～20 MHz ，分辨率為14 bit ，采樣速率為50 Mbit/ s ，具有線性和對(duì)數(shù)掃描功能，掃描速率可在1ms～500s 范圍內(nèi)選擇，在系統(tǒng)中用于產(chǎn)生幅度、頻率可變的點(diǎn)頻信號(hào)和掃頻信號(hào).3 臺(tái)儀器均具有GPIB 接口儀器，既可以作為獨(dú)立的單臺(tái)儀器使用，也可以構(gòu)成GPIB 總線虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。

b. GPIB 接口卡

采用NI公司生產(chǎn)的PCI-GPIB 接口卡，完成GPIB總線和PCI 總線的連接，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與測(cè)量儀器的通信、控制。 本系統(tǒng)用GPIB 電纜將GPIB 卡、工控機(jī)與3 臺(tái)儀器作星形連接，實(shí)時(shí)測(cè)量多路前置放大器的工作狀態(tài)。 儀器通過GPIB 接口卡以1000/s 讀數(shù)的速度將測(cè)得的數(shù)據(jù)送入工控機(jī)顯示、存儲(chǔ)并處理，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)反饋的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。 它擴(kuò)展了現(xiàn)有儀器的功能，使測(cè)量工作變得快捷、簡(jiǎn)便、精確和高效。

c. I/ O 接口卡

采用NI 公司生產(chǎn)的PCI26503 數(shù)字I/ O卡，該卡提供了24bit 并行的數(shù)字I/ O界面，在系統(tǒng)中用于控制測(cè)量端口和測(cè)量儀器的轉(zhuǎn)換。

d. 可編程控制電路板

自行設(shè)計(jì)的可編程控制電路板，用于完成被測(cè)模塊的選擇、模塊內(nèi)部各通路及連接方式的選取、向被測(cè)產(chǎn)品提供電源和激勵(lì)信號(hào)。

3、系統(tǒng)軟件構(gòu)成

軟件構(gòu)成框圖如圖2 所示。 其中測(cè)量與控制部分的功能劃分為多個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了軟件的可靠性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試程序框圖

A. 人機(jī)界面

用于確定用戶類別和各類用戶的操作權(quán)限。最高為系統(tǒng)管理員的操作權(quán)限，包括：開始測(cè)試、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)修改三大功能。 其中“開始測(cè)試”操作包括自動(dòng)測(cè)試和選項(xiàng)測(cè)試，選擇后可以進(jìn)行多路放大器模塊的測(cè)試操作;“數(shù)據(jù)管理”操作包括測(cè)試記錄的查詢、保存、打印等操作;“參數(shù)修改”操作包括芯片的參數(shù)指標(biāo)修改。

B. 測(cè)量與控制部分

用于完成各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量。 測(cè)控程序分為3類：

a. 儀器通信子VI ，為每臺(tái)GPIB 儀器構(gòu)建通信子VI. 通信子VI 采用VISA 方式和IVI 方式編程實(shí)現(xiàn)。 VISA 是虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)體系（Virtual Inst rument Software Architecture） ，實(shí)質(zhì)是一個(gè)I/ O 接口軟件庫。 采用了VISA 標(biāo)準(zhǔn)，就可以不考慮時(shí)間及儀器I/ O 選擇項(xiàng)。 IVI 是可互換虛擬儀器（ Interchangeable Virtual Instrument ） ，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)以儀器類別劃分的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫，采用IVI 編程可直接調(diào)用LabVIEW 工作平臺(tái)提供的虛擬儀器驅(qū)動(dòng)程序。 本系統(tǒng)對(duì)采用傳輸VISA Session 和IVI Session 參數(shù)進(jìn)行控制。

b. 指標(biāo)測(cè)量子VI ，將需測(cè)試的各項(xiàng)指標(biāo)編寫成獨(dú)立的測(cè)試子VI ，采用調(diào)用LabVIEW函數(shù)方式編程實(shí)現(xiàn)。 程序運(yùn)行順序采用順序結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，既能單獨(dú)調(diào)用一個(gè)測(cè)試子VI程序，也能同時(shí)調(diào)用多個(gè)測(cè)試子VI 程序，使各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目有序進(jìn)行， 互不干擾。

c. 采集控制子VI ，發(fā)送各測(cè)量端口轉(zhuǎn)換控制命令。 通過調(diào)用“確定端口”和“寫端口”傳輸控制參數(shù)至數(shù)字I/ O卡。

C. 數(shù)據(jù)處理部分

用于對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算、匯總，得到所需的信息，并嵌入打印程序，可隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。

4、系統(tǒng)工作原理與工作過程

系統(tǒng)工作時(shí)，首先進(jìn)入系統(tǒng)登錄界面，輸入用戶名和密碼可確定操作人員的工作權(quán)限，無權(quán)限的操作按鈕被隱藏。“測(cè)試”操作包括自動(dòng)測(cè)試和選項(xiàng)測(cè)試，33 項(xiàng)測(cè)試參數(shù)通過“建立數(shù)組”函數(shù)，形成參數(shù)變量子VI ，供各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試時(shí)調(diào)用。 開始測(cè)量時(shí)，先依次初始化萬用表、示波器、任意波發(fā)生器和I/O 接口，并通過檢查取樣電阻上的電壓，檢查多路前置放大器模塊上的電源連接和模塊的接入。 然后，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的測(cè)試條件參數(shù)對(duì)儀器進(jìn)行 測(cè)試環(huán)境設(shè)置和向I/ O接口卡發(fā)送控制命令。 可編程控制電路板上的CPLD 對(duì)控制命令進(jìn)行譯碼，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試點(diǎn)的選擇;工控機(jī)通過GPIB 總線讀取萬用表、示波器所測(cè)的數(shù)據(jù)。 對(duì)于可直接測(cè)量的指標(biāo)，工控機(jī)存儲(chǔ)所測(cè)數(shù)據(jù)并在人機(jī)交互界面顯示;對(duì)于不能用萬用表、示波器直接測(cè)量的指標(biāo)，則通過LabVIEW 平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理來獲得，即在測(cè)試程序中嵌入“公式節(jié)點(diǎn)”函數(shù)，計(jì)算出間接測(cè)量的指標(biāo)，如放大倍數(shù)、帶寬、噪聲、串?dāng)_、跨阻等性能指標(biāo)的測(cè)量。 測(cè)得的參數(shù)都將與測(cè)試條件參數(shù)比較，判定合格與否。

基于LabVIEW 工作平臺(tái)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，為多路前置放大器技術(shù)參數(shù)的快速測(cè)試提供了一個(gè)實(shí)時(shí)可靠的解決方案，經(jīng)過大量仿真和實(shí)際測(cè)試，結(jié)果表明：該測(cè)量系統(tǒng)能在30min 時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)完成5 路放大器165個(gè)參數(shù)的測(cè)量、記錄、標(biāo)出不合格參數(shù)以及打印，滿足系統(tǒng)要求，目前已投入使用。 采用虛擬測(cè)試技術(shù)取代傳統(tǒng)的測(cè)試手段，可以極大地提高工作效率。

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