基于LabVIEW的低噪声放大器增益压缩自动测量

陈祥龙，田小建

（吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春 130012）

功率计是微波射频测试中的常用仪器，它在幅度测量方面的精度高、动态范围大，因而深受广大测试者欢迎，成为微波测试领域的常用仪器。但是功率计只能点对点测量，不能图形化显示动态数据，不能连续的测量变化量，这些缺点限制了其应用。本文以低噪声放大器增益压缩特性自动测量为例，介绍的基于LabVIEW的仪器控制[1]方法，可以利用LabVIEW软件通过总线实现对仪器的远程控制测量，使信号发生器和功率计协同有序的工作，并自动记录和保存数据到计算机，借助计算机强大的数据处理能力直接得到测试曲线，进而实现了数据和图形的实时同步显示，有效地扩展了功率计的功能。更重要的是，程序可读性强、便于修改、易于移植，可以一劳永逸地使用，对于不同工作频段、不同特性的被测器件的测试，只要对程序的输入参数进行重新设定就可以实现，可以大大提高工作效率。

1 增益压缩及逐点测量法简介

低噪声放大器，在射频和微波系统中应用广泛，常用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器。在低噪声放大器的应用和研发过程中，离不开对其性能参数的测量。放大器的性能参数中，增益压缩是指放大器的增益随输入电平提高而降低的特性，常用1 dB增益压缩点[2]来表征，即放大器的增益比线性增益低1 dB时的输出功率，或者被压缩1 dB时的输出功率P1dB。表示为：

它是放大器的一项重要指标，反映了放大器的输出能力和动态范围。因此如何测量1 dB增益压缩点输出功率是很多人关注的事情。1 dB增益压缩点的测量，方法很多，有矢量网络分析仪功率扫描法、频谱分析仪双信号法、功率计逐点测量法等。在这些方法中，功率计逐点测量法因其测试精度高、系统简单、设备要求少等优点，常常被测试者所选用。功率计逐点测量法测试系统如图1所示。

图1 放大器增益压缩点测试系统Fig.1 Amplifier gain compression point test system

测试过程如下：设置信号发生器的工作频率为放大器的中心频率，逐步增大信号发生器的输出信号幅度，使放大器由线性放大区逐步进入非线性区，分别记录功率计在各测量点对应的测量值，最后根据这些测量值绘制出放大器输出功率或增益随输入信号幅度的变化曲线，进而得到放大器的增益压缩点。

这种方法看似简单，但是过程繁琐，需要反复设置信号源输出信号幅度和记录功率计读数，测试完成后还需要利用作图法才能求出增益压缩点。如果需要测量不同频率点上增益压缩点的话，过程更为复杂，工作量更大。这一点笔者在做测试的工作中深有体会。于是笔者想到使用LabVIEW仪器控制的方法实现自动化测量，借助LabVIEW软件强大的数据处理能力直接得到测试曲线。这样不但可以提高工作效率，而且可以实现数据和图形的实时同步显示。

2 自动测试系统的构建

仪器控制，就是通过计算机上的软件以及某种形式的总线，按照某种协议，与各种测量仪器进行通信和控制。它使仪器与计算机协同工作，这样即可以有效地利用计算机强大的数据处理、分析、显示及存储能力，又可以极大地扩展原有仪器的功能。一个完整的仪器控制系统应该由软件和硬件两部分组成[3-4]。

2.1 系统的硬件构成

硬件部分除了测试仪器、待侧器件和计算机外，还应该包括必要的总线和接口卡。本文所选用的总线形式为GPIB总线，所用GPIB接口卡为ADLINK公司的PCI-3488，信号源为安捷伦公司的E4438C，功率计是安捷伦的E4419B，功率计探头为安捷伦的E4412A。系统的硬件构架如图2所示。

图2 自动化测量系统的硬件构架Fig.2 Hardware architecture of the automated measurement system

LabVIEW软件支持以下总线形式：串口、并口、GPIB、VXI、PXI、以太网、SCSI以及CAMAC等。

选用哪种总线一般要考虑一下几点：1）连接端子与线缆情况（如端子数量、接口形式、线缆长度限制等）；2）电气特性（如信号电压范围、接地形式等）；3）通信协议（如协议类型、数据形式、命令类型等）；4）驱动程序（是否容易使用，与现有开发平台是否兼容等）。

2.2 系统的软件构成

文中采用的软件开发方式是利用仪器驱动程序。仪器控制程序是在应用层面对仪器底层工作细节的一种封装，使得用户可以不必花费过多的精力去了解仪器底层工作细节就可以方便地编写出适当的程序，也增强了应用程序的可维护性。它符合仪器控制技术逐步简化用户工作，减少用户在开发仪器控制程序上所花的工作量的发展趋势。一个仪器驱动程序是一个软件例程集合，该集合对应于一个计划的操作，如配置仪器、从仪器读取、向仪器写入和触发仪器等。它将底层的通信命令或寄存器配置等封装起来，用户只需要调用封装好的函数库就能轻松实现对应于该仪器的任何功能。

NI公司为200多家公司4000多种仪器设备提供了仪器驱动程序，开发者可以在不离开LabVIEW开发环境的情况下安装即插即用仪器驱动程序。这些仪器驱动程序都是用LabVIEW编写，方便开发者使用。需要注意的是，在下载安装仪器驱动之前，需要先安装VISA驱动；要保证GPIB总线的正常工作，需安装NI488.2模块。

3 系统软件实现

3.1 程序流程

实现仪器控制自动测量的关键就是软件编程，即根据功能和要求编制相应的功能模块，实现通信和控制，并对测试数据进行相应的处理和记录。系统的软件流程如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Software flow chart

其主要工作过程是：将设备和计算机相连接确保能正常通信后，运行程序，程序首先对测试仪器进行初始化和参数设定，然后等待被测放大器接入，放大器接入后，通过一个循环结构控制信号源，使其输出信号幅度在一定范围内步进扫描，同时功率计读取在各点上待测放大器的输出信号幅度，将信号源和功率计的幅值信息经过数学计算和图形化处理形成参考和测试曲线，并自动记录和保存这些测试数据和曲线。

3.2 LabVIEW程序实现

用LabVIEW开发的程序一般由一个或多个后缀名为vi的文件组成，这些文件可被称为VI（Virtual Instrument，虚拟仪器[5-6]）。所有VI都由前面板、框图及连线板3部分组成。前面板是VI的交互式界面，外观和功能都类似于测试仪器的面板，用于用户自定义测量参数，这些参数可以通过前面板传递给程序框图进行处理，处理得到的结果也可以再返回给前面板上以数字、图形或表格等形式进行显示。

一个完整的仪器控制程序一般包括以下几个模块：仪器初始化和参数设定模块、数据读取模块、数据处理模块、数据显示模块、数据保存模块等[7-8]。每个模块实现一部分功能，由主控模块在高层管理并调度各个子模块，实现仪器参数控制与数据读取、处理、显示、记录等功能。本系统也是采用模块化的编程思想来实现的。系统软件结构如图4所示。

图4 系统软件结构Fig.4 Software structure of the system

在通过仪器驱动实现的仪器控制系统中，仪器初始化、参数的设定以及测试数据的读取主要借助于相应仪器驱动中参数配置模块和数据模块下的子VI来实现，用户只要熟悉各模块下各子VI的基本功能，合理的配置其接线端参数即可。本系统中信号源和功率计的初始化和参数设定以及功率计测量值的读取等操作，都是通过调用相应子VI这一方式来实现的，数据处理、数据显示和数据记录等功能的实现方式则是灵活多变的，需要用户根据自己的需要编写程序。

本设计的重点在于：

1）计算机同时与两台测试仪器进行通讯，需要解决动作先后顺序，控制协同配合的问题。

要实现信号源每扫过一个点，功率计自动读取放大器对应输出值这样一个过程，需要考虑功率计读取动作和信号源输出动作的先后顺序以及功率计的响应时间。因为同时控制两台仪器时，程序中有两个数据流同时执行，倘若没有动作顺序方面的考虑，很可能导致功率计读取的测量值与信号源的输出幅度不是对应关系，从而导致测量结果不准确甚至错误。本系统采用的方法是利用顺序结构来解决信号源输出和功率计读取测量值两个动作的顺序问题，同时考虑到功率计读数稳定需要一定的响应时间，于是在两个顺序动作之间又插入了延时等待函数，以保证功率计读取测量值的准确性。延时等待的时间可以根据用户需求进行设定。

2）解决用XY graph控件显示测试曲线时不能实时显示的问题。

我们知道，本文中的X、Y数据分别是信号源输出信号幅度和功率计读数，它们是通过一个循环结构产生的一系列点值，倘若我们不加任何处理的将其传输给XY graph显示控件进行显示，测试曲线需要程序执行完毕才能显示出来。而我们想达到的效果是实时的显示，这样便于在实验过程中观察到放大器是否发生增益压缩情况，判断我们设置的扫描范围是否合适。但是XY graph是表示静态数据的，本文要用它来显示动态数据，需要经过一个特别的处理过程。我们知道，chart控件其内部有一个先入先出的缓冲区FIFO，它之所以能够不断地显示连续数据，就是每次调用时，向这个缓冲去添加新的数据，因此我们对X和Y建立两个FIFO，就可以实现XY连续数据显示了。具体的作法是：调用“函数选板”上，位于“信号处理”子选板中的“数据队列（逐点）”函数。

3）解决测试数据和测试曲线图的保存问题。

本系统需要保存两种类型的数据：一是测试数据，也就是信号源各扫描点的幅值和功率计读数，以及由它们计算出的放大器增益值，我们希望能够保存为电子表格的形式；二是测试的曲线图，希望保存为图片格式。第一种数据的保存比较简单，只要调用文件I/O中的“写入电子表格”函数即可；第二种则需要调用属性节点来实现，方法是：右键单击XY graph控件，选择“创建”，“调用节点”，“导出图像”。解决放大器1 dB增益压缩点的读取和显示问题。

放大器的输出和增益变化曲线的实时显示问题已经得到解决，但是这样还不够，因为要我们的目的是测试放大器的增益压缩点，如果仅仅得到这些测试曲线和数据，那么要得到增益压缩点还需要经过其他的软件进行数据处理才行。我们希望测试系统能够直接直观地显示放大器1dB增益压缩点的值。为解决这一问题，本程序引入了参考直线。以“输出-输入”显示控件（见图5，系统前面板）为例，根据放大器1dB增压压缩点的定义，将参考直线设置为：Pout=Pin+Gain-1。编程使程序前面板的XY图显示控件同时显示测试曲线和参考直线，那么它们产生的交点就是要测的1 dB增益压缩点。我们可以很方便的利用XY图中的游标，读出这个交点的横纵坐标值，它们分别对应的就是放大器的输入、输出1 dB增益压缩点。增益曲线图中参考直线只要定义为Z=Gain-1即可。

4 结果与分析

根据被测放大器的工作频段和增益，设置信号源工作频率为220 MHz，信号源输出信号起始幅度为-30 dBm，放大器的线性增益是20.8 dBm，扫描点数是20，扫描步进为2 dB，并设置好数据和测试图的保存路径，如图5系统前面板左侧区域所示。设置完成后，运行程序，可得到图5右侧区域所示的测试结果，测试图形和数据将自动保存至指定的路径下。根据图5中游标的读数得到此放大器的输入1 dB增益压缩点为-5.5 dBm，输出1 dB增益压缩点为14.3 dBm，此值与该放大器的标称值14 dBm仅0.3 dBm之差，精度满足测试要求。自动保存的测试曲线如图6和图7所示。

图5 前面板Fig.5 Front panel

图6 输出测试曲线Fig.6 Output test curve

图7 增益测试曲线Fig.7 Gain test curve

表1是在相同参数设置下手动测量数据与自动测量系统测量数据的对比，可以看出它们几乎完全吻合，因此测试精度可以肯定。

表1 测试数据对比Tab.1 Test data comparison

5 结 论

文中设计的基于LabVIEW[9]仪器控制的低噪声放大器增益压缩特性自动测量系统，通过循环控制结构和延时函数解决了同时控制两台设备时的协同问题，通过引入队列操作和参考线解决了低噪声放大器1dB功率压缩点的求取和实时显示问题。系统除了可自动配置仪器工作参数、读取并显示测量结果外，还设置了数据记录和后期处理模块，可以同步显示测试数据和测试曲线，直接读取1dB增益压缩点测试值，真正实现了低噪声放大器1dB压缩点的自动测量。实际应用表明，系统克服了功率计只能点对点测量、不能图形化显示动态数据、不能连续的测量变化量等缺点，使用方便、节约时间，并且保持了功率计逐点测量法测量精度高的优点。

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