基于Labwindows／CVI和Matlab高頻衰減模型建立與應(yīng)

摘要：LabWindows／CVI是一款面向測(cè)控領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)工具，而Matlab則是一款在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中優(yōu)秀的軟件。在結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出了利用軟件補(bǔ)償來(lái)滿足高頻信號(hào)功率測(cè)試精度需求的方法。首先利用Matlab對(duì)某平臺(tái)高頻傳輸通道建立功率衰減模型．之后根據(jù)此模型采用LabWindows／CVI控制測(cè)試儀器資源對(duì)所得到的高頻信號(hào)功率值予以補(bǔ)償。最后，對(duì)已知高頻信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試，所得測(cè)試數(shù)據(jù)滿足平臺(tái)測(cè)試精度要求。
關(guān)鍵詞：LabWindows／CVI；Matlab；高頻通道；衰減模型

0 引言
LabWindows／CVI美國(guó)國(guó)家儀器公司(NI公司)推出的交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabWindows／CVI以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測(cè)控專(zhuān)業(yè)工具有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它的集成化開(kāi)發(fā)環(huán)境、交互式編程方法、函數(shù)面板和豐富的庫(kù)函數(shù)大大增強(qiáng)了C語(yǔ)言的功能，為熟悉C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員建立了檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)、虛擬儀器等提供了一個(gè)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。Matlab是由Math Works公司于1984年推出的一套科學(xué)計(jì)算軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣計(jì)算和數(shù)據(jù)可視化能力，一方面可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)、偏微分方程數(shù)值解等若干個(gè)領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算；另一方面可以實(shí)現(xiàn)二維、三維圖形繪制，圖像處理、虛擬現(xiàn)實(shí)等方面的處理。
本文的出發(fā)點(diǎn)是利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理功能，對(duì)某平臺(tái)高頻測(cè)試功率衰減問(wèn)題進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并以此建立高頻通道功率衰減數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上采用LabWindows／CVI這一軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其靈活豐富的庫(kù)函數(shù)，以及可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和顯示的軟面板功能來(lái)控制測(cè)試儀器，在獲取儀器測(cè)試實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將測(cè)試得到高頻信號(hào)頻率帶入建立的衰減數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得到此時(shí)的功率衰減值，并將此數(shù)值與實(shí)際測(cè)得功率值相加顯示到虛擬儀器面板上，作為最終的測(cè)試結(jié)果。從而實(shí)現(xiàn)了編程環(huán)境中C語(yǔ)言的高效執(zhí)行效率和科學(xué)計(jì)算相結(jié)合的目的，試驗(yàn)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(jì)具有一定的共性，其一般測(cè)試結(jié)構(gòu)如圖1所示，從圖中可以看出實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ澜Y(jié)構(gòu)主要包括2個(gè)部分：一是ATE(Auto Test Equipment，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)中信號(hào)流經(jīng)的途徑，一般流程部件為測(cè)試儀器-連接線纜-開(kāi)關(guān)-連接器；二是適配器結(jié)構(gòu)，根據(jù)UUT測(cè)試需求實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的靈活配置，以及完成信號(hào)調(diào)理。適配器設(shè)計(jì)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(hào)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(cè)試要求，設(shè)計(jì)各種調(diào)理電路。而ATE在設(shè)計(jì)完成后，具有結(jié)構(gòu)功能不變性，特別對(duì)高頻信號(hào)而言，其本身特點(diǎn)不能按一般的集總系統(tǒng)理解，故此需要對(duì)這一特定的信號(hào)傳輸特性進(jìn)行分析。

ATE中測(cè)試高頻信號(hào)主要關(guān)注其頻率和功率2個(gè)參數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)已證實(shí)，高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸通道(電纜、開(kāi)關(guān)、連接器)時(shí)對(duì)頻率測(cè)試精度影響很小，可以忽略；而信號(hào)的功率會(huì)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(gè)方面：
(1)電纜在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)損耗和介電損耗。其中高頻信號(hào)沿著導(dǎo)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(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)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(huì)影響電纜的電容，電介質(zhì)絕緣體同樣會(huì)產(chǎn)生與頻率相關(guān)的電纜損耗，即介質(zhì)損耗。在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中，介電損效應(yīng)是高頻信號(hào)產(chǎn)生損耗的主要原因。
(2)開(kāi)關(guān)和連接器作為特殊的連接線，同樣會(huì)使信號(hào)傳輸時(shí)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(huì)引起信號(hào)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(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏等，都將導(dǎo)致信號(hào)功率衰減。對(duì)于前2種功率損耗，電纜、開(kāi)關(guān)和連接器在出廠時(shí)都給出了不同頻率段下功率衰減值，而對(duì)于第3種因素產(chǎn)生的損耗，是不可預(yù)知的，需要在完成設(shè)計(jì)后進(jìn)行測(cè)定。
另外，上述幾種元件使用時(shí)，因其老化和溫度變化不可避免的會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)誤差，如連接器的本振頻率會(huì)隨著溫度變化產(chǎn)生漂移等。因此，為減小這些隨機(jī)誤差，一方面應(yīng)選擇高質(zhì)量的元件；另一方面要定期對(duì)ATE進(jìn)行計(jì)量，以便及時(shí)調(diào)整相關(guān)測(cè)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(hào)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(shì)，為ATS中高頻通道傳輸損耗設(shè)計(jì)一種軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?。功率衰減與其大小無(wú)關(guān)，而是隨頻率改變而變化，本文以某平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)頻率范圍在[30 MHz，2．7 GHz]內(nèi)的高頻信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試，得到(不同頻率、功率)信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸通道的功率衰減值，如表1所示。