USB總線微波功率計設(shè)計

3.2 底層驅(qū)動程序
　本文在LabWindows/CVI環(huán)境下通過NI-VISA開發(fā)能驅(qū)動用戶USB設(shè)備的程序，降低了開發(fā)USB驅(qū)動程序的復(fù)雜性，大大縮短了開發(fā)周期。VISA是計算機與儀器之間的軟件層連接,利用VISA開發(fā)的軟件具有較好的可移植性。
　在LabWindows/CVI環(huán)境下使用VISA實現(xiàn)USB通信需要先對NI-VISA進行簡單的配置，然后使用相關(guān)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。NI-VISA的具體配置步驟：(1)使用Driver Development Wizard(驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)?創(chuàng)建INF文檔；(2)安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設(shè)備；(3)使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互動控制工具)對設(shè)備進行測試，以證實USB設(shè)備已正確安裝，并獲得USB設(shè)備的各屬性值。完成NI-VISA的配置后，就可以在LabWindows/CVI中使用VISA提供的函數(shù)實現(xiàn)與USB驅(qū)動程序的通信，以實現(xiàn)各種功能。
3.3用戶應(yīng)用程序
　USB總線微波功率計軟件實現(xiàn)的主要功能包括：對USB外設(shè)的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的顯示和存儲、響應(yīng)用戶請求、實現(xiàn)其他功能。為合理利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，本文采用LabWindows/CVI多線程技術(shù)編寫了并行執(zhí)行的多任務(wù)程序。在軟件的編寫過程中，采用VISA技術(shù)和多線程的編程思想，以圖形用戶接口為主線程，以數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲和數(shù)據(jù)顯示為次線程。數(shù)據(jù)采集線程中使用VISA技術(shù)完成對USB設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取和控制，完成數(shù)據(jù)的實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)放入線程安全隊列TSQ中，然后數(shù)據(jù)處理與存儲線程從線程安全隊列TSQ讀取數(shù)據(jù)，并進行處理和存儲，最后再將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)顯示線程，完成數(shù)據(jù)的顯示。線程間的控制調(diào)度和數(shù)據(jù)信息的傳輸如圖6所示。

4 多維數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)
由參考文獻[4]可知，由于二極管檢波器檢波存在平方率—非平方率特性，即使輸入純線性功率變化的微波信號進入功率計探頭，檢波二極管也不能得到線性的檢波直流電壓,要想使用檢波電壓得到準(zhǔn)確的輸入功率，必須進行線性校準(zhǔn)。二極管檢波還存在檢波頻響特性，即檢波直流電壓的效率隨著輸入微波信號的頻率變化而不同,二極管檢波的頻響特性主要由檢波組件的微帶電路、二極管材料及其制作工藝等決定，需要頻響校準(zhǔn)予以消除。此外，二極管檢波還受工作溫度的影響，本文的校準(zhǔn)工作在常溫下完成。
4.1二極管檢波的線性校準(zhǔn)
　功率線性校準(zhǔn)的作用就是使位于不同特性區(qū)的檢波電壓的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，經(jīng)過線性數(shù)據(jù)校準(zhǔn)之后，能夠得到與輸入功率對應(yīng)的準(zhǔn)確功率表示值。
　本文采用高精度的ADC對二極管檢波電壓完成ADC轉(zhuǎn)換。常溫下,采用AV1487超寬帶合成掃頻信號發(fā)生器以1 dB為步進在-55 dBm～+20 dBm范圍內(nèi)產(chǎn)生76個信號樣本點，為保證其準(zhǔn)確性，每個樣本點利用安捷倫E4419A微波功率計對其進行測量，然后改用本文試制的功率計測量，記錄每個信號樣本點對應(yīng)的ADC值，建立一組ADC基本數(shù)據(jù)節(jié)點?；竟β市?zhǔn)節(jié)點建立完畢后，為了減小測試誤差，依據(jù)三次樣條插值算法，增加數(shù)據(jù)插值節(jié)點。本文將全量程ADC分為四段處理，每大段等分為N小段,可以根據(jù)測量精度的需要進行設(shè)置，相鄰量程之間保留1 dBm的過渡帶。設(shè)定每大段內(nèi)ADC最小值和最大值分別為ADCmin和ADCmax。大段的劃分規(guī)則為：

式中，i=1，2，3，4，這樣總共產(chǎn)生了(N1+N2+N3+N4)個數(shù)據(jù)點，將此四個數(shù)組稱作功率線性校準(zhǔn)表格，分別記為CALTab[n](n=1,2,3,4)，每個ADC數(shù)據(jù)點對應(yīng)的功率值由三次樣條插值算法產(chǎn)生。測量過程中得到的ADC值對應(yīng)的功率表示值就通過這(N1+N2+N3+N4)個功率線性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表格查表得到。

5 測試與測試結(jié)果分析
常溫下，在10 MHz～18 GHz頻率范圍、-55 dBm～+20 dBm功率范圍內(nèi)隨機抽取50個待測功率樣本點，使用本文設(shè)計的USB總線微波功率計與標(biāo)準(zhǔn)功率計先后進行測量，表1給出了其中7個樣本點對比試驗結(jié)果：
由表1可以看出，在輸入信號整個動態(tài)范圍內(nèi)兩端的相對誤差較大，分析低端誤差產(chǎn)生的原因是微弱信號檢測電路穩(wěn)定性有待提高，高端產(chǎn)生誤差原因是二極管受溫度影響較強。

本文介紹了一種USB總線微波功率計設(shè)計方法，該設(shè)計采用虛擬儀器思想，重點研究了強背景噪聲條件下微弱直流信號檢測、USB通信和數(shù)字校準(zhǔn)等技術(shù)。經(jīng)試驗驗證，應(yīng)用該方法設(shè)計的USB總線微波功率計經(jīng)過數(shù)字校準(zhǔn)后能夠?qū)崿F(xiàn)-55 dBm～+20 dBm范圍內(nèi)連續(xù)波平均功率測量。同時具有系統(tǒng)構(gòu)成簡單、測量精度高、體積小巧等特點，可以同Windows平臺的計算機或其他測試儀器等多種設(shè)備適配。
參考文獻
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