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摘要设计了一个基于IVI技术的混频器自动测试系统。该系统采用两台GPIB接口的信号源作为混频器的本振、射频信号输入，用一台GPIB接口的频谱仪测量混频器的中频输出功率电平，然后按照混频器性能指标计算、分析、判定，得到测试结果。按照IVI设计规范，设计了系统仪器的IVI类驱动和IVI专用驱动，能够在不修改上层应用程序的情况下实现同类仪器的互换。系统还设计了系统仪器、连接线损的误差补偿，提高了测试结果的准确度。
关键词混频器 自动测试系统GPIBIVI
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2011)05(a)-0000-00
1 概述
在电路中，混频就是变频，即频率的变换[1]。混频器作为一种多频工作器件，主要用作频率变换，被广泛应用于射频和微波电路系统中。由于混频器是多端口器件，并且输入和输出处于不同的频率，因此混频器的测量一直以来都是测量领域中的一个难点[2]。
混频器件是一类三端口器件，按内部结构可分为单端混频器、单平衡混频器、双平衡混频器、三平衡混频器和镜像抑制混频器等。混频器在本振功率的驱动下将射频信号变为中频信号(下变频) ，或者将中频信号变为射频信号(上变频)。无论那种工作模式，混频器在工作的时候都需要有两路信号同时输入，在第三个端口输出信号。因此，对混频器的测试，如果采用传统的方法，在混频器的工作频段内按设置的频率点依次输入本振、射频信号，并测试输出信号，操作人员至少需要同时操作两台仪器，工作量大，费时费力，且容易引入认为误差。因此，人们除了对混频器测试方法进行研究[3][4]之外，还设计了自动测试平台来实现混频器的自动测试 [2][5]。
在已有的这些测试系统中，一般都是采用几台具体型号的程控仪器，然后根据这些仪器的程控指令，按照混频器的测试流程控制仪器完成测试[2][5]。如果测试仪器发生了改变，则系统程序也需要修改，不能实现系统仪器的可互换，给实际应用带来不便。本文采用可互换虚拟仪器技术(Interchangeable Virtual Instrument，IVI)，当测试仪器发生改变时，只需要更换采用相应仪器的IVI驱动就可以了。
2 混频器性能指标
混频器的基本性能指标包括变频损耗、隔离度、交调抑制比等[1][2][4]。下面是对这几个性能指标和测试方法做简要说明。
2.1 变频损耗
变频损耗是将输入射频信号转换成输出中频信号的混频器效率的量度，定义为：混频器的输入射频功率与混频器的输出中频功率之比，计为 ，即：
2.2 隔离度
隔离度是混频器各端口相互影响程度的度量。混频器有三个外接端口，在一般情况下，各对应端口之间的隔离度是分别进行测量的。但由于信号电平总是远小于本振电平，所以只需要考虑本振端口与中频输出端口(LO-IF)及本振端口与信号输入端口(LO-RF)之间的隔离度。测试的时候，要求在不用的端口接50Ω匹配负载。若测量结果的隔离度高，即表示混频器各个端口间的“泄露”或者“穿通”量很小。
2.3 交调抑制比
微波混频器的交调抑制比是指微波混频二极管的非线性作用，产生互调干扰，即：
⑶
其中m、n为任意整数，代表两个信号的谐波次数，m+n为互调阶数。当m=1，n=1时为二阶互调干扰；当m=2，n=1或者m=1，n=2时为三阶互调干扰。在使用中要求对互调干扰信号进行抑制。三阶互调干扰是互调干扰中幅值最强的[1]，所以在混频器交调抑制测试的时候，常常只测试三阶交调抑制比[4][5]。
2.4 测试方法
从以上几个混频器测试指标可以看出，在进行混频器测试的时候，需要给混频器两个端口输入信号，而在输出端口测试输出信号。混频器的测试有功率计法、网络分析仪法、和频谱分析仪法等多种方法[2]，考虑到仪器的通用性，本文亦采用频谱分析仪法，其基本测试模型如图1所示。
测试时使用两台信号源将一定频率的射频信号(RF)和本振信号(LO)作为混频器的输入，在中频输出端(IF)使用频谱分析仪测量相应频率的输出信号电平，然后按计算相应的测试指标。
因为混频器的类型和用途不同，有时也会测试一些专用性能指标，如幅频特性、延迟特性等。有关混频器更多的性能指标和测试方法请参阅文献[1][3]。
3 系统组成
3.1 硬件平台
系统采用两台可程控信号源作为信号输入仪器，一台可程控频谱仪作为信号测试仪器，采用GPIB(General Purpose Interface Bus，通用接口总线)线缆将这三台仪器与插接GPIB接口卡的计算机连接起来，构成系统的硬件平台，如图2所示。
系统中使用了数据库，将按具体测试方法分析所得的测试频率点保存在数据库中，在进行混频器测试时将按此设置进行测试；同时也将测试结果保存在数据库中，以便对历史数据进行统计分析。系统还配置了打印机，按照一定的要求设计打印程序，这样可以在产品测试完成后按规定格式生成产品测试报告并直接打印。
3.2 软件平台
系统采用SQLServer数据库作为后台支撑，在微软的Visual Studio集成开发环境中，使用C#作为开发语言，设计混频器自动测试程序。
4 IVI技术
通用自动测试系统(Automated Test System，ATS) 设计是目前各国军方势力发展的方向，其中仪器互换性作为通用A TS设计的重要指标也显得格外重要[6]。混频器自动测试系统也存在仪器互换的問题。如原来的测试仪器损坏，而该仪器已经停产无法再购买，或者将仪器送到计量检定单位进行检定期间，都期望能够用类似的仪器来替代，不影响测试系统的正常运行。而不同的仪器其程控指令不尽相同，替换了仪器之后，常常都需要修改原来的测试程序才能正确的控制新的程控仪器完成系统功能，这会增大系统维护费用，缩短系统的生命周期。
本系统采用了IVI技术实现仪器的可互换。在用新的仪器替换原有仪器的时候，只需要使用新仪器的IVI驱动就可以了。IVI系统包括IVI类驱动器、IVI专用驱动器、IVI引擎等，其体系结构如图3所示。
IVI 类驱动器是仪器的功能和属性集，通过这些功能和属性集实现对一种仪器类(示波器、数字电压表、函数发生器等) 中的仪器进行控制。应用测试程序调用类驱动器，再由类驱动器调用专用驱动器来控制实际的仪器。而在类驱动器中不涉及具体仪器的程控指令，这些指令都是封装在专用驱动器中的。因此即使测试系统中的具体仪器发生了变化，只需要改变专用的仪器驱动器(和对应的物理仪器) ，不会使调用类驱动器的测试程序代码受到影响。如果该新仪器的专用驱动已经设计好了，就只需要使用配置实用程序修改IVI配置信息文件中的配置设计，这样IVI类驱动就调用新的仪器专用驱动，控制新仪器实现系统功能了。
5 软件设计
5.1 数据库设计
混频器测试需要对该混频器的工作频段按频率点进行逐点测试。频率点选择过多，会造成产品测试时间长，影响工作速度；频率点选择过少，会造成漏测，影响产品质量。系统设计了一个测试点集，包括所有产品的测试频率点，然后建立了一个测试模板集，一个测试模板包括测试频点集中的选定测试点，再将某个型号的产品和一个测试模板联系起来。这样，只要选定了某个型号的产品，系统就自动按照与该产品联系的模板中的测试点进行测试。系统中的这几个主要实体，产品、测试模板、测试点之间的实体-联系模型(E-R模型)如图4所示。
产品和测试模板之间是一对多的关系，而测试模板和测试点之间是一个多对多的关系。根据此分析，系统设计了产品、模板、测试点、模板-测试点等几个关系模式。
5.2 测试程序设计
按照前面对混频器性能指标分析及测试方法描述，对混频器的主要性能指标的测试操作包括两个信号源的输入控制和一个频谱仪的信号测试，测试流程按照具体指标的测试方法进行。对测试所得的数据还需要进行分析比较，得出该频率点测试结果是否合格的测试结论，然后保存这些测试数据，再自动选择下一个测试频点进行测试。测试流程中的主要操作如图5所示。
系统测试没有采用扫频模式，而是使用点频的方式，对每个测试频点的技术指标进行精确测试。RF信号源和LO信号源的根据测试需求设置默认的电平值，一般分别为-10dBm和7dBm。该电平值可以在程序中进行设置，以满足特殊产品和特殊测试的需要。测试的时候，为保证信号源的信号输出达到稳定，且频谱仪也已经对稳定的混频器输出完成一次完整测试，在信号输出后设计了一个特定的延时，并在读取频谱仪上的功率电平值时，使用了频谱仪的扫描控制功能，待扫描完成后才能读数。
一个产品的所有频率点都测试完成后，将该产品的测试数据和计算后的测试结论保存到数据库中，并根据用户的需要，调用指定的产品测试报告模板，将测试结果按照一定的格式生成测试报告并自动打印出来。
测试程序按照IVI的系统结构进行设计，以实现系统仪器的可互换性。按IVI的设计理念，在测试程序中调用IVI类驱动代码，然后在配置文件中设置仪器专用驱动器的相关信息，如IVI逻辑名、IVI驱动文件等，IVI类驱动器根据指定的IVI逻辑名调用相应的IVI专用驱动，从而实现仪器的控制。
5.3 误差处理
混频器测试不可避免的存在测量误差。由于采用自动测试，仪器的设置、读数都通过程控方式，均由仪器自己本身的所提供的功能来完成，这样就避免了人工操作、读数所带来的人为误差。因此，该系统的主要测量误差来自于仪器连接接头、电缆，以及仪器本身的误差，如输出电平、频谱仪测量值的误差等。
为了尽可能的减小测量误差，以最大程度的保证测试结果的准确、可靠，系统除了在测试时采用多次扫描平均的方式外，还对每台仪器和每根测试电缆都设置了误差补偿值。该补偿值可在测试前由专业的计量检定机构对仪器设备进行校准得到。将测得的误差补偿值设置在测试系统中，测试程序在每一次测试之后都会使用该补偿值进行补偿。系统经实际运行测试验证，该方法有效减小了测量误差，提高了测试结果的准确度。
6 结论
本系统使用两台信号源和一台频谱仪构建了一个自动测试系统，实现混频器主要性能参数的自动测试、计算、判定、保存，以及打印等功能。系统软件开发采用了IVI技术，可在不改变上层应用程序的情况下，用类似功能的仪器替换系统现有仪器，实现系统仪器的可互换性，降低系统的维护成本，延长了系统的使用寿命。系统还针对测试连接电缆、接头的损耗和仪器输出、测量误差设置误差补偿，有效减小了测量误差，提高了测试精度。经实际运行验证，本系统稳定可靠，有效提高了混频器测试效率和精度。
参考文献
[1] 张秉一,刘重光.微波混频器. 北京：国防工业出版社，1984.12.
[2] 刘韬,陈金仕.混频器自动测试平台的设计.江苏省计量测试学术论文集(2005),161-164.
[3] 张娜.矢量网络分析仪在混频器件测试中的应用.国外电子测量技术，Vol.25,NO.10,2006.10,33-35.
[4] 盼积文.微波混频器测试技术研究.宇航计测技术，Vol.29,NO.5,2009.10,20-23.
[5] 徐佳,吴建辉.混频器互调失真特性的自动测量.电子器件，Vol.31,NO.2,2008.4,698-701.
[6] 李木飞，龚明.基于IVI模型的通用虛拟仪器驱动程序的开发.制导与引信，Vol.30,No.4,2009.12,33-37.
①作者简介：王耀光（1964-），男，广东东莞人，工程师，副主任，一直从事电子、电气、光电、机电一体化等方面的产品检测与研究，熟悉相关产品的检测标准和方法，承担了产品检测基地、国家检验中心等重大项目的建设。
关键词混频器 自动测试系统GPIBIVI
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2011)05(a)-0000-00
1 概述
在电路中，混频就是变频，即频率的变换[1]。混频器作为一种多频工作器件，主要用作频率变换，被广泛应用于射频和微波电路系统中。由于混频器是多端口器件，并且输入和输出处于不同的频率，因此混频器的测量一直以来都是测量领域中的一个难点[2]。
混频器件是一类三端口器件，按内部结构可分为单端混频器、单平衡混频器、双平衡混频器、三平衡混频器和镜像抑制混频器等。混频器在本振功率的驱动下将射频信号变为中频信号(下变频) ，或者将中频信号变为射频信号(上变频)。无论那种工作模式，混频器在工作的时候都需要有两路信号同时输入，在第三个端口输出信号。因此，对混频器的测试，如果采用传统的方法，在混频器的工作频段内按设置的频率点依次输入本振、射频信号，并测试输出信号，操作人员至少需要同时操作两台仪器，工作量大，费时费力，且容易引入认为误差。因此，人们除了对混频器测试方法进行研究[3][4]之外，还设计了自动测试平台来实现混频器的自动测试 [2][5]。
在已有的这些测试系统中，一般都是采用几台具体型号的程控仪器，然后根据这些仪器的程控指令，按照混频器的测试流程控制仪器完成测试[2][5]。如果测试仪器发生了改变，则系统程序也需要修改，不能实现系统仪器的可互换，给实际应用带来不便。本文采用可互换虚拟仪器技术(Interchangeable Virtual Instrument，IVI)，当测试仪器发生改变时，只需要更换采用相应仪器的IVI驱动就可以了。
2 混频器性能指标
混频器的基本性能指标包括变频损耗、隔离度、交调抑制比等[1][2][4]。下面是对这几个性能指标和测试方法做简要说明。
2.1 变频损耗
变频损耗是将输入射频信号转换成输出中频信号的混频器效率的量度，定义为：混频器的输入射频功率与混频器的输出中频功率之比，计为 ，即：
2.2 隔离度
隔离度是混频器各端口相互影响程度的度量。混频器有三个外接端口，在一般情况下，各对应端口之间的隔离度是分别进行测量的。但由于信号电平总是远小于本振电平，所以只需要考虑本振端口与中频输出端口(LO-IF)及本振端口与信号输入端口(LO-RF)之间的隔离度。测试的时候，要求在不用的端口接50Ω匹配负载。若测量结果的隔离度高，即表示混频器各个端口间的“泄露”或者“穿通”量很小。
2.3 交调抑制比
微波混频器的交调抑制比是指微波混频二极管的非线性作用，产生互调干扰，即：
⑶
其中m、n为任意整数，代表两个信号的谐波次数，m+n为互调阶数。当m=1，n=1时为二阶互调干扰；当m=2，n=1或者m=1，n=2时为三阶互调干扰。在使用中要求对互调干扰信号进行抑制。三阶互调干扰是互调干扰中幅值最强的[1]，所以在混频器交调抑制测试的时候，常常只测试三阶交调抑制比[4][5]。
2.4 测试方法
从以上几个混频器测试指标可以看出，在进行混频器测试的时候，需要给混频器两个端口输入信号，而在输出端口测试输出信号。混频器的测试有功率计法、网络分析仪法、和频谱分析仪法等多种方法[2]，考虑到仪器的通用性，本文亦采用频谱分析仪法，其基本测试模型如图1所示。
测试时使用两台信号源将一定频率的射频信号(RF)和本振信号(LO)作为混频器的输入，在中频输出端(IF)使用频谱分析仪测量相应频率的输出信号电平，然后按计算相应的测试指标。
因为混频器的类型和用途不同，有时也会测试一些专用性能指标，如幅频特性、延迟特性等。有关混频器更多的性能指标和测试方法请参阅文献[1][3]。
3 系统组成
3.1 硬件平台
系统采用两台可程控信号源作为信号输入仪器，一台可程控频谱仪作为信号测试仪器，采用GPIB(General Purpose Interface Bus，通用接口总线)线缆将这三台仪器与插接GPIB接口卡的计算机连接起来，构成系统的硬件平台，如图2所示。
系统中使用了数据库，将按具体测试方法分析所得的测试频率点保存在数据库中，在进行混频器测试时将按此设置进行测试；同时也将测试结果保存在数据库中，以便对历史数据进行统计分析。系统还配置了打印机，按照一定的要求设计打印程序，这样可以在产品测试完成后按规定格式生成产品测试报告并直接打印。
3.2 软件平台
系统采用SQLServer数据库作为后台支撑，在微软的Visual Studio集成开发环境中，使用C#作为开发语言，设计混频器自动测试程序。
4 IVI技术
通用自动测试系统(Automated Test System，ATS) 设计是目前各国军方势力发展的方向，其中仪器互换性作为通用A TS设计的重要指标也显得格外重要[6]。混频器自动测试系统也存在仪器互换的問题。如原来的测试仪器损坏，而该仪器已经停产无法再购买，或者将仪器送到计量检定单位进行检定期间，都期望能够用类似的仪器来替代，不影响测试系统的正常运行。而不同的仪器其程控指令不尽相同，替换了仪器之后，常常都需要修改原来的测试程序才能正确的控制新的程控仪器完成系统功能，这会增大系统维护费用，缩短系统的生命周期。
本系统采用了IVI技术实现仪器的可互换。在用新的仪器替换原有仪器的时候，只需要使用新仪器的IVI驱动就可以了。IVI系统包括IVI类驱动器、IVI专用驱动器、IVI引擎等，其体系结构如图3所示。
IVI 类驱动器是仪器的功能和属性集，通过这些功能和属性集实现对一种仪器类(示波器、数字电压表、函数发生器等) 中的仪器进行控制。应用测试程序调用类驱动器，再由类驱动器调用专用驱动器来控制实际的仪器。而在类驱动器中不涉及具体仪器的程控指令，这些指令都是封装在专用驱动器中的。因此即使测试系统中的具体仪器发生了变化，只需要改变专用的仪器驱动器(和对应的物理仪器) ，不会使调用类驱动器的测试程序代码受到影响。如果该新仪器的专用驱动已经设计好了，就只需要使用配置实用程序修改IVI配置信息文件中的配置设计，这样IVI类驱动就调用新的仪器专用驱动，控制新仪器实现系统功能了。
5 软件设计
5.1 数据库设计
混频器测试需要对该混频器的工作频段按频率点进行逐点测试。频率点选择过多，会造成产品测试时间长，影响工作速度；频率点选择过少，会造成漏测，影响产品质量。系统设计了一个测试点集，包括所有产品的测试频率点，然后建立了一个测试模板集，一个测试模板包括测试频点集中的选定测试点，再将某个型号的产品和一个测试模板联系起来。这样，只要选定了某个型号的产品，系统就自动按照与该产品联系的模板中的测试点进行测试。系统中的这几个主要实体，产品、测试模板、测试点之间的实体-联系模型(E-R模型)如图4所示。
产品和测试模板之间是一对多的关系，而测试模板和测试点之间是一个多对多的关系。根据此分析，系统设计了产品、模板、测试点、模板-测试点等几个关系模式。
5.2 测试程序设计
按照前面对混频器性能指标分析及测试方法描述，对混频器的主要性能指标的测试操作包括两个信号源的输入控制和一个频谱仪的信号测试，测试流程按照具体指标的测试方法进行。对测试所得的数据还需要进行分析比较，得出该频率点测试结果是否合格的测试结论，然后保存这些测试数据，再自动选择下一个测试频点进行测试。测试流程中的主要操作如图5所示。
系统测试没有采用扫频模式，而是使用点频的方式，对每个测试频点的技术指标进行精确测试。RF信号源和LO信号源的根据测试需求设置默认的电平值，一般分别为-10dBm和7dBm。该电平值可以在程序中进行设置，以满足特殊产品和特殊测试的需要。测试的时候，为保证信号源的信号输出达到稳定，且频谱仪也已经对稳定的混频器输出完成一次完整测试，在信号输出后设计了一个特定的延时，并在读取频谱仪上的功率电平值时，使用了频谱仪的扫描控制功能，待扫描完成后才能读数。
一个产品的所有频率点都测试完成后，将该产品的测试数据和计算后的测试结论保存到数据库中，并根据用户的需要，调用指定的产品测试报告模板，将测试结果按照一定的格式生成测试报告并自动打印出来。
测试程序按照IVI的系统结构进行设计，以实现系统仪器的可互换性。按IVI的设计理念，在测试程序中调用IVI类驱动代码，然后在配置文件中设置仪器专用驱动器的相关信息，如IVI逻辑名、IVI驱动文件等，IVI类驱动器根据指定的IVI逻辑名调用相应的IVI专用驱动，从而实现仪器的控制。
5.3 误差处理
混频器测试不可避免的存在测量误差。由于采用自动测试，仪器的设置、读数都通过程控方式，均由仪器自己本身的所提供的功能来完成，这样就避免了人工操作、读数所带来的人为误差。因此，该系统的主要测量误差来自于仪器连接接头、电缆，以及仪器本身的误差，如输出电平、频谱仪测量值的误差等。
为了尽可能的减小测量误差，以最大程度的保证测试结果的准确、可靠，系统除了在测试时采用多次扫描平均的方式外，还对每台仪器和每根测试电缆都设置了误差补偿值。该补偿值可在测试前由专业的计量检定机构对仪器设备进行校准得到。将测得的误差补偿值设置在测试系统中，测试程序在每一次测试之后都会使用该补偿值进行补偿。系统经实际运行测试验证，该方法有效减小了测量误差，提高了测试结果的准确度。
6 结论
本系统使用两台信号源和一台频谱仪构建了一个自动测试系统，实现混频器主要性能参数的自动测试、计算、判定、保存，以及打印等功能。系统软件开发采用了IVI技术，可在不改变上层应用程序的情况下，用类似功能的仪器替换系统现有仪器，实现系统仪器的可互换性，降低系统的维护成本，延长了系统的使用寿命。系统还针对测试连接电缆、接头的损耗和仪器输出、测量误差设置误差补偿，有效减小了测量误差，提高了测试精度。经实际运行验证，本系统稳定可靠，有效提高了混频器测试效率和精度。
参考文献
[1] 张秉一,刘重光.微波混频器. 北京：国防工业出版社，1984.12.
[2] 刘韬,陈金仕.混频器自动测试平台的设计.江苏省计量测试学术论文集(2005),161-164.
[3] 张娜.矢量网络分析仪在混频器件测试中的应用.国外电子测量技术，Vol.25,NO.10,2006.10,33-35.
[4] 盼积文.微波混频器测试技术研究.宇航计测技术，Vol.29,NO.5,2009.10,20-23.
[5] 徐佳,吴建辉.混频器互调失真特性的自动测量.电子器件，Vol.31,NO.2,2008.4,698-701.
[6] 李木飞，龚明.基于IVI模型的通用虛拟仪器驱动程序的开发.制导与引信，Vol.30,No.4,2009.12,33-37.
①作者简介：王耀光（1964-），男，广东东莞人，工程师，副主任，一直从事电子、电气、光电、机电一体化等方面的产品检测与研究，熟悉相关产品的检测标准和方法，承担了产品检测基地、国家检验中心等重大项目的建设。