基于虚拟仪器的微波射频器件自动测试平台的设计与实现

基于虚拟仪器的阻抗自动测量系统的研究摘要随着计算机技术的发展，仪器仪表领域也开始发生巨大的变化，从传统仪器、智能仪器开始向虚拟仪器发展。

虚拟仪器以其强大的存储、数据显示和数据分析优势，逐渐受到重视。

虚拟仪器技术通过软件将计算机与仪器硬件相结合，很好地将计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的现场测量、控制结合在一起。

不仅降低了仪器的生产成本，还提高了仪器的性能，从而得到广泛的应用。

另外，随着现代科学技术的进步，阻抗的测量逐渐成为各类电子产品的研究基础。

目前，阻抗测量技术已在生物医学、工业测控、电力控制等领域有广泛的应用。

为了满足高校实验室对电子元器件及其附属参数的测量需求，本文设计了一种基于虚拟仪器的阻抗测量系统。

本文通过将虚拟仪器技术与传统硬件相结合，设计实现了一种通过伏安法对阻抗参数进行测量的系统。

其主要工作原理为：将阻抗的测量转换为矢量电压的测量，再利用获得的矢量电压的实部和虚部的数字量与被测参数之间的关系，将其转换为待测量。

本系统主要由硬件和软件两部分构成，硬件部分主要包括通过FPGA设计实现的信号源模块、阻抗/矢量电压转换模块、相敏检波模块、A/D转换模块和通信模块。

其具体的实现主要为利用FPGA设计实现系统正弦激励信号与基准信号的产生；通过相敏检波将采集到的矢量电压信号进行实部和虚部分离；利用低通滤波器滤除干扰信号；再通过A/D转换芯片将采集到的模拟电压信号转换为数字信号；通过系统总线将数据传输到计算机，并对数据进行处理和显示。

软件部分是利用虚拟仪器软件LabVIEW设计实现仪器的数据处理、显示和控制界面，并通过动态链接库的调用来执行仪器操作。

关键字：虚拟仪器技术，阻抗测量，FPGA，LabVIEWResearch of Automatic Impedance Measuring System Based onthe Virtual InstrumentAbstractWith the development of the computer technology, the field of instrumentation begins to change dramatically from traditional instruments and intelligent instruments to virtual instruments. Due to its strong advantages on storage, data display and data analysis, the virtual instruments have gained more attention. Virtual-instrument technology combines the computer and the instrument hardware together using software. It combines the excellent data processing ability of computer with the measurement，and controlling ability of instruments hardware together in this technology. Consequently, not only the cost of the production is reduced, but the instrument performance is also improved. Therefore, the virtual instrument has been widely used.In addition, with the progress of modern science and technology, the measurement of impedance has gradually become the basis of all kinds of electronic products.At present, the impedance measurement technology has been widely used in biomedical science, industrial measurements, power control and other domains.In order to satisfy the measurement requirements of electronic components and their subsidiary parameters in the university laboratory, a kind of impedance measurement system based on virtual instrument is designed in this paper.Based on the combination of virtual instrument technology and traditional hardware, this paper designs and realizes a system to measure the impedance parameters using the volt-ampere method.Utilizing the relationships between the real and the imaginary parts of the voltage vector and the complex impedance, the measurement of the complex impedance can be converted to the measurement quality of the voltage vector. The process can effectively improve the precision of the system.The system consists of two parts: hardware and software. The hardware part is mainly composed of the signal source module designed by FPGA, the conversion module of impedance to voltage vector, themodule. The design and realization of sinusoidal excitation signal and the reference signal is utilized by FPGA. We separate the real and imaginary parts of the voltage vector by the phase sensitive detection, and filter out the interference by a low pass filter. Then the collected signal is converted to a digital signal by an A/D conversion chip. The data will be transmitted to the computer through a communication bus of the system, and then it will be processed and displayed.The software part realizes the data processing, display and control using the virtual instrument software LabVIEW.And the operation of the instrument is performed by calling dynamic link libraries.Keywords:Virtual instrument technology, Impedance measurement, FPGA, LabVIEW目 录第1章绪论 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.3虚拟仪器技术简介 (4)1.3.1 虚拟仪器概念 (4)1.3.2 虚拟仪器的构成 (4)1.3.3 虚拟仪器的发展 (5)1.4虚拟电子测量系统 (5)1.4.1 虚拟电子测量系统介绍 (5)1.4.2 虚拟电子测量系统的构成 (6)1.5主要研究内容 (7)第2章阻抗测量理论及方法分析 (9)2.1阻抗自动测量系统主要性能和预期指标 (9)2.2阻抗简介 (9)2.2.1 阻抗的定义 (9)2.2.2 阻抗的表达方式 (10)2.2.3 被测件的等效电路 (11)2.3阻抗的测量方法 (12)2.3.1 谐振法 (12)2.3.3 伏安法 (14)2.3.4 网络分析仪法 (15)2.4阻抗测量方法的对比 (16)2.5本章小结 (17)第3章阻抗测量系统的原理及总体设计 (18)3.1阻抗测量系统的原理 (18)3.2系统的总体设计 (22)3.2.1 系统的硬件设计 (22)3.2.2 系统的软件设计 (23)3.3本章小结 (24)第4章系统硬件设计及实现 (25)4.1信号源模块 (25)4.1.1 信号源设计的方案与对比 (25)4.1.2 信号源的实现 (27)4.1.3 FPGA实现 (28)4.2阻抗/矢量电压转换模块 (30)4.2.1 阻抗/矢量电压转换原理 (30)4.2.2 连接电路设计 (31)4.2.3 电路实现 (32)4.3相敏检波模块 (32)4.3.1 相敏检波原理 (33)4.4A/D转换模块 (35)4.4.1 ADS1232芯片 (36)4.4.2 A/D转换电路的实现 (36)4.5通信模块 (36)4.5.1 通信模块工作原理 (36)4.5.2 通信模块的实现 (37)4.6电源转换模块 (38)4.7系统硬件实物图 (38)4.8本章小结 (39)第5章软件设计 (40)5.1系统设备驱动程序 (40)5.2应用程序的开发 (42)5.2.1 LabVIEW简介 (42)5.2.2 软件程序框图 (43)5.2.3 系统前面板设计 (46)5.3本章小结 (46)第6章系统性能测试及误差分析 (47)6.1系统工作流程介绍 (47)6.2数据测试及对比 (48)6.2.1 电阻的测量 (49)6.2.2 电容的测量 (50)6.2.4 附属参数测量 (52)6.3误差分析 (53)第7章总结 (55)7.1本文主要完成的工作 (55)7.2系统存在的不足及展望 (56)参考文献 (57)作者简介及科研成果 (61)致谢 (62)第1章绪论1.1 研究背景及意义测量是我们认识和改造自然界的一种重要手段，对任意一种研究对象，只要想对其进行定量评价，就需要通过测量来实现[1]。

微波技术虚拟实验报告学院：电子工程学院专业：信息对抗技术班级： 020532本硕班姓名：朱明忠07056109成绩：实验2 B 放大器非线性分析设计要求:设计一放大器，分析其性能。

实验仪器：硬件：PC机，软件：Microwave Office软件设计步骤：（1）创建原理图，添加元件，设置非线性端口激励，输入功率设置为Pwr=-20dbm,完成原理图（2）添加图表，添加测量项，分析电路，观察功率输出频谱。

（3）调节输入功率电平，调节Pwr参数，观察时域及频域的相关变化。

实验数据记录与结果显示：实验结果分析与总结：调节输入功率Pwr时，可以看出对输出有明显的影响。

练习使用Microwave Office软件，建立模型并进行仿真分析。

实验3 螺旋电感的电磁分析设计要求：设计一个螺旋电感，画出电磁结构图。

进行电磁模拟分析，观察二维及三维的电流分布。

实验仪器：硬件：PC机，软件：Microwave Office软件设计步骤：（1）在新工程中正确创建电磁结构图，设置边界尺寸及网格大小：X-Dimension=320,Y-Dimension=320,X-Divisions=32,Y-Divisions=32，添加介质层，设置Thickness=20;Add Conductor绘制螺旋电感；Add Rect Conductor绘制输出线；Add Edge Port添加端口，Add Rect Conductor绘制电桥；Add添加通道。

（2）在Project Options 中的Frequency Values页设置工作频率：单位MHz, 起始：400 终止：700 步长：100；分析电路Analyze；分别激活2-D，3-D视图，观察静态电流分布和动态电流分布。

实验结果记录与显示：EM Spiral 二维图二维动态电流分布图三维动态电流分布图实验结果分析与总结：由静态以及动态电流分布可以看出，螺旋电感中电流的大小，方向都随时间程周期性变化，所以其电磁分布是固定的。

大学毕业设计-微波技术虚拟实验设计方案微波低通滤波器设计要求设计一个切比雪夫式微波低通滤波器，技术指标为：截止频率GHz f c 2.2=，在通带内最大波纹11,2.0S dB L Ar =小于-16dB ；在阻带频率s f =4GHz 处，阻带衰减As L 不小于30dB 。

输入输出端特性特性阻抗0Z =50Ω。

用微带线实现，基片厚度H=800um ，T=10um ，相对介电常数0.9=r ε；高阻抗线特性阻抗Ω=1060h Z ，低阻抗线Ω=1001Z 。

确定滤波器的结构尺寸，测量滤波器的参数11S ，21S 。

进行适当调节，使之达到最佳。

记录滤波器的最终结构尺寸，总结设计，调节经验。

实验仪器硬件：PC 机软件：Microwave Office 设计步骤启动Microwave Office ，创建新工程，保存路径并命名。

1.确定原型滤波器启动软件中Wizard 模块的Filter Synthesis Wizard （滤波器分析向导）功能，输入各项技术指标，即可自动画出原型滤波器的原理图，各个元件值还可进行优化。

省去了传统方法的第一，二步。

启动Filter Synthesis Wizard 功能后，依次选择Lowpass;Chebyshev;在参数定义页，设N ：5 元件数目为5 FC ：2.2 截止频率为2.2GHz PP ：Ripple （dB ） 带内参数为波纹衰减 PV ：0.2 波纹衰减值为0.2dB RS ：50 输入端特性阻抗为50Ω RL ：50 输出端特性阻抗为50Ω再依次选择Ideal Electrical Model;Lumped Element （集总元件）；Shunt Element First （并联优先，即电容输入式）；在原理图定义页，去掉Set Project Frequencies 项的选勾，其他保持不变。

全部完成后，即生成名为Filter 的原型滤波器的原理图，以及相关的测量图，优化项。

一种微波功率计自动校准系统设计与实现刘颖;龚晓峰【摘要】The limitations of present calibration procedure for microwave power meter(MPM) is described. An automatic calibration system for MPM was designed on the basis of Visual Basic software platform. The system hardware composition, working principle, application program design and uncertainty assessment are elaborated. The actual application shows that this system has the features of easy operation, high efficiency and high measuring accuracy.%针对传统的手工校准微波功率计的局限性,设计并实现了一种基于Visual Basic软件平台组建的微波功率计自动校准系统.详细阐述了系统的硬件构成、工作原理、应用程序的设计以及不确定度的分析和评定.实际应用表明,该系统具有操作使用方便、测量精度高等优点.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)011【总页数】3页(P161-163)【关键词】微波功率计;自动校准;Visual Basic软件;模块化;树形结构【作者】刘颖;龚晓峰【作者单位】四川大学电气信息学院,四川成都610065;四川大学电气信息学院,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TN911.7-34;TP2160 引言微波功率是工业科研、生产中有关测量的重要参数。

微波功率计具有测量功率动态范围大，频率范围宽等特点，广泛应用于雷达系统、通信系统、电子对抗系统中[1]。

179收稿日期:2018-01-16作者简介:崔海龙(1985—),男,陕西渭南人,硕士,工程师,研究方向:集成电路测试。

图1 测试平台硬件连接结构图图2 开关矩阵链路图1 序言射频芯片由于其较高频率的特点,主要应用于通信、雷达、导航等领域,近年来,随着这些领域的快速发展,射频芯片的需求量也相应的加大,对于测试精度和测试效率提出了更高的要求。

本文利用开关矩阵灵活切换的特点,搭建出可满足测试需求的自动测试平台。

本文测试对象是S波段射频收发芯片,具有射频接收和发射两部分,其中发射部分采用零中频架构,需要信号源提供4路IQ 25KHz 基带信号,经过芯片内部电路处理,输出频率为1980MHz～2010的射频信号;接收部分采用基于一次变频到中频结构,输入频率范围为2170MHz～2200MHz的射频信号,经过芯片内部处理后,与混频器变频到中频信号。

待测试的典型参数包括接收部分的噪声系数(NF)和发射部分的输出功率。

若采用传统方式测试,则需要两台频谱仪,一台信号源,此方式具有占用测试资源多、测试效率低的缺点。

若采用基于开关矩阵的自动测试平台,则只需要一台频谱仪和一台信号源,并且可以自动控制信号源与频谱仪,自动读取和判定数据,大大提高了测试效率,节省了测试资源。

2 测试硬件平台测试平台硬件包括电脑、信号源、频谱仪、电源、开关矩阵和测试板等硬件设备,利用本套测试平台,在不切换连接线的情况下,可以完成对射频接收和发射部分的参数测试。

2.1 平台硬件连接结构根据射频收发芯片的测试原理,测试平台硬件连接结构如图1所示。

信号源采用安捷伦4438C,具有同时提供射频信号和低频IQ信号的功能,可满足射频接收和发射的需求。

频谱仪采用安捷伦9020A,只有一个信号输入接口,通过开关矩阵的切换,实现发射和接收的测试。

信号源和频谱仪均通过通用接口总线(GPIB)接口与电脑建立通信,信号源发射信号和频谱仪分析信号处于可自动控制状态,其次开关矩阵通过串口与电脑建立通信,开关矩阵的开关切换也处于可控状态。

微波技术虚拟实验报告班级：1302014学号：一、设计要求设计一个切比雪夫式微波低通滤波器，技术指标为：截止频率c f =2.2GHz ，在通带最大波纹Ar L =0.2dB ，11S 小于-16dB ；在阻带频率s f =4GHz 处，阻带衰减As L 不小于30dB 。

输入、输出端特性阻抗0Z =50Ω。

用微带线实现，基片厚度H=800um ，T=10um ，相对介电常数r ε=9.0；高阻抗线特性阻抗h Z 0=106Ω，低阻抗线l Z 0=10Ω。

计算滤波器的结构尺寸，测量滤波器性能，进行适当调节、优化，使之达到设计指标要求。

记录滤波器的最终优化结果，总结设计、调节经验。

二、实验仪器硬件：PC 机软件：Microwave Office 软件三、设计步骤1.原型滤波器设计（1）利用工程自动生成名为iFilter 的原理图，以及测量图、默认优化目标。

（2）分析，得原型滤波器的仿真结果。

（3）优化：设置优化目标，设置优化参数，执行优化。

（4）优化完成后，将已优化的参数值填入表1。

图1 原型滤波器电路图iFilter （已优化）2.微带线结构滤波器物理尺寸计算 （1）高阻抗线先计算高阻抗线的宽度。

已知条件：r ε=9.0，0f =1.1GHz ，H=800um ，T=10um ，阻抗h Z 0=106Ω，计算得W 、re ε；再计算高阻抗线的长度（手算）：reph oh L L v Z L l l ε14-92110310610L00⨯⨯⨯===um （2）低阻抗线先计算低阻抗线的宽度。

已知条件：r ε=9.0，0f =1.1GHz ，H=800um ，T=10um ，阻抗h Z 0=10Ω，计算得W 、re ε；再计算低阻抗线的长度（手算）：12140311010310-⨯⨯⨯⨯===Ca Ca v Z l l re pl l C C εum1214021010310-⨯⨯⨯⨯==Cb Cb v Z l repl l C εum将所有计算结果填入表2。

0引言微波部件作为实现重要功能和用途的核心关键部件，广泛应用于仪器、设备、系统等相关领域。

随着科学技术的进步，微波部件等产品的工作频率在不断提高、功能也在不断增加，这就使得微波部件的集成化程度也越来越高。

产品生产制造过程中，需要测试的功能和数据量急剧增加，此外，产品所隐藏的缺陷，特别是稳定性、可靠性，以及环境适应性方面质量的缺陷也随之增多，加剧了制造和测试的难度，传统的手工测试效率低，测试完备性差，亟需通过全面系统的测试，来更有效地发现和解决这些隐藏的缺陷，提高产品的质量品质，满足用户的使用需求。

另外，用户对产品质量、供货周期、价格等要求进一步提高，传统的人工测试越来越无法满足生产制造的迫切需求，因而需要更高效、更可靠、成本更低的测试手段来满足生产制造需要。

研制自动测试系统，实现自动化测试将成为必然的趋势和途径。

射频滤波组件是一种典型的微波多功能组件，测量参数多、数据多，环境适应性等质量测试验证项目多，传统的手动测试不能对产品做全面的可靠、高效的测试，这就需要构建有针对性的自动化测试系统。

1系统方案设计该自动测试系统是由硬件和软件两部分组成。

系统硬件部分主要由工业控制计算机(简称工控计算机)、矢量网络分析仪、NI PCI-6503数字I/O 采集卡、测控装置、电源模块、GPIB 控制卡等装置组成，软件部分以作者简介：尚建波(1984-)，男，助理工程师，主要研究领域为电子测量仪器微波部件测试调试。

一种射频滤波组件自动测试系统的设计与实现T he Design and Implementation of an Automatic Test System of M icrow ave M odule尚建波,展利（中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东青岛266555）S hang Jian-bo,Zhan Li (The 41s t I nstitute of China Electronics Technology Group Corporation,Shandong Qingdao 266555）摘要：以TestCenter 软件和矢量网络分析仪为核心，利用GPIB 总线技术，设计搭建了一套微波组件自动测试系统，可实现射频滤波组件多通道增益、带外抑制、相位、压缩点等多参数指标的快速自动测试，并自动记录、存储、处理、汇总和符合性判断测试数据。

电子技术• Electronic Technology88 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】微波组件 自动测试系统 开关矩阵 分布式网络化随着系统级集成技术的发展，整机系统对微波组件的集成度要求也随之提高，组件指标参数的测试复杂度决定了组件的研发与生产效率。

本文根据自动测试系统的发展现状及趋势，并结合实际应用发展，提出了具有通用性的微波组件自动测试系统，为微波组件的研发及生产提供了具有高精度、高效率的自动测试方法。

1 微波组件自动测试系统的需求及构成1.1 微波组件的测试需求微波组件自动测试系统及其分布式网络化实现文/郑宏斌随着自动测试系统的发展需要，新一代自动测试系统要求具有以下功能：（1）测试参数通用化；（2）测试接口标准化；（3）测试过程智能化；（4）测试系统网络化。

微波组件自动测试系统用于各类微波组件各种指标自动化测试，测试指标包括：频率、功率、谐波、杂散、增益、驻波、隔离度、相位、幅度、噪声系数、噪声系数等；常用的仪器包括频谱分析仪、矢量网络分析仪、信号源、功率计、示波器、电源等。

传统的测试方法是对每个独立的指标进行单独测试，测试过程中涉及到不同的仪器时，需要人工切换不同的测试连接，而且在仪器手动切换过程中带人测试误差，测试精度及效率无法满足需求；因此具有一次性接入、仪器自动切换功能的集成化、高精度、高效率、通用化的自动测试系统是微波组件测试的最优选择。

1.2 自动测试系统硬件设计自动测试系统的硬件平台包含主控计算机、测试仪器、开关矩阵等。

主控计算机为自动测试系统的核心，通过与测试仪器、开关矩阵、待测组件等进行通信，完成系统指令发送、数据采集、测试数据解析、测试结果输出等内容；测试仪器由多个部分组成，通过标准仪器接口互联，最后通过LAN 接口与主控计算机相连，测试仪器完成微波组件待测指标参数的读取；开关矩阵通过LAN 或RS232接口与主控计算机相连，完成微波组件测试过程中仪器切换，同时开关矩阵内部可集成其他辅助功能模块，满足多功能测试台的功能，实现了测试接口的标准化；自动测试系统的构成框图如图1所示。

基于虚拟仪器的微波功率计自动检定测试系统杜爱华;张珊;李苏文【摘要】介绍了基于LabVIEW软件平台组建微波功率计测试系统的方法.所设计的测试系统通过总线实现PC机与测试仪器之间的通讯和对仪器的控制.介绍了测试系统的硬件构成、应用程序设计思路及具体的实现方法.该系统已实际应用,并取得较好效果.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2010(033)004【总页数】3页(P112-114)【关键词】微波功率计;LabVIEW;软件;自动检定测试【作者】杜爱华;张珊;李苏文【作者单位】船舶重工集团公司723所,扬州225001;船舶重工集团公司715所,杭州,310000;船舶重工集团公司723所,扬州225001【正文语种】中文【中图分类】TM9310 引言微波功率计具有可测功率动态范围大、频率范围宽等特点,广泛应用于现代通信系统、雷达系统、电子对抗系统中。

特别是在雷达调试中,微波功率计已经是必不可少的重要工具。

配用不同的功率计探头组成完整的峰值功率计,可以对雷达脉冲信号真实有效地采样而进行峰值功率测量。

因此对微波功率计线性度、稳定度的考核特别重要。

微波功率计的测试点数多,在功率比对测试中需要较长时间,目前普遍采用的手动测试方法对此类功率计进行测试费时费力,使用先进的测试技术对传统方法进行改进已势在必行。

本文以AV2433型微波功率计为例设计了对微波功率计的自动检定系统。

1 功率计检定测试原理微波功率计由功率敏感器和功率指示器组成。

AV23200系列功率敏感器为平衡双二极管检波方式,通过置入对应的被测信号频率调用校准因子完成功率测量,由一套高稳定信号源装置对被检功率计进行标准传递检定。

目前普遍采用交替比较法进行检定,如图1所示,就是用高一级的微波功率计与被检功率计进行比对。

整个测试过程主要是将带稳幅系统的信号源射频输出端口连接到一个精密功分器的输入端,功分器的2个等量输出端分别连接被测功率计和标准功率计。