信号发生器自动化测试中如何实现信号序列的生成？

在信号发生器自动化测试中，实现信号序列的生成需要结合硬件控制、序列规划、脚本编程以及同步触发技术。以下是分步骤的实现方法，涵盖从序列设计到硬件执行的完整流程，并提供Python代码示例。

一、信号序列生成的核心步骤

1. 序列规划

• 定义信号参数：包括频率、幅度、相位、波形类型（正弦波、方波、脉冲等）、调制方式（AM/FM/PM）等。
• 时间序列设计：指定每个信号的持续时间、切换时间（如上升/下降沿）和重复次数。
• 触发控制：设置内部触发或外部触发信号，确保序列与其他设备同步。

2. 硬件接口选择

• SCPI命令：通过标准SCPI（可编程仪器标准命令）控制信号发生器（如Keysight、Rigol、Tektronix设备）。
• 专用API：使用厂商提供的SDK（如NI-DAQmx、ADI库）实现更复杂的序列控制。
• 网络通信：通过TCP/IP、USB或GPIB接口发送命令。

3. 序列生成方式

• 静态序列：预先定义所有信号参数，按顺序执行。
• 动态序列：根据实时反馈（如传感器数据）动态调整序列参数。
• 循环与嵌套：支持重复执行子序列或条件分支。

4. 同步与触发

• 内部触发：信号发生器自动按时间切换信号。
• 外部触发：通过TTL信号或软件触发控制序列切换。
• 事件标记：在序列中插入标记信号，便于数据采集设备对齐。

二、代码实现示例

1. 使用PyVISA控制信号发生器生成序列

python
import pyvisa
import time

# 初始化资源管理器
rm = pyvisa.ResourceManager()
# 连接信号发生器（替换为实际地址）
sig_gen = rm.open_resource("TCPIP0::192.168.1.100::inst0::INSTR")

# 定义信号序列参数
sequence = [
{"type": "SIN", "freq": 1e6, "amp": 1.0, "duration": 2.0},  # 1MHz正弦波，2秒
{"type": "SQU", "freq": 500e3, "amp": 0.5, "duration": 1.5}, # 500kHz方波，1.5秒
{"type": "PULS", "freq": 100e3, "amp": 2.0, "width": 10e-6, "duration": 3.0} # 脉冲序列
]

# 配置信号发生器（通用设置）
sig_gen.write("OUTP1 ON")  # 启用输出
sig_gen.write("SOUR1:BURS:STAT ON")  # 启用突发模式（如需）

# 执行序列
for step in sequence:
# 设置波形类型
if step["type"] == "SIN":
sig_gen.write("SOUR1:FUNC SIN")
elif step["type"] == "SQU":
sig_gen.write("SOUR1:FUNC SQU")
elif step["type"] == "PULS":
sig_gen.write("SOUR1:FUNC PULS")
sig_gen.write(f"SOUR1:PULS:WIDT {step['width']}")  # 设置脉冲宽度

# 设置频率和幅度
sig_gen.write(f"SOUR1:FREQ {step['freq']}")
sig_gen.write(f"SOUR1:VOLT {step['amp']}")

# 启动信号并等待指定时间
print(f"生成 {step['type']}: {step['freq']/1e3}kHz, {step['amp']}Vpp，持续{step['duration']}秒")
time.sleep(step["duration"])

# 关闭输出
sig_gen.write("OUTP1 OFF")
sig_gen.close()

2. 高级序列控制（使用列表模式）

部分信号发生器支持列表模式（List Mode），可一次性上传所有序列参数，减少通信开销：

python
# 示例：Keysight 33600系列列表模式配置
sig_gen.write("SOUR1:LIST:SEL ON")  # 启用列表模式
sig_gen.write("SOUR1:LIST:FREQ 1E6, 500E3, 100E3")  # 频率列表（1MHz, 500kHz, 100kHz）
sig_gen.write("SOUR1:LIST:VOLT 1.0, 0.5, 2.0")  # 幅度列表
sig_gen.write("SOUR1:LIST:DWEL 2.0, 1.5, 3.0")  # 持续时间列表（秒）
sig_gen.write("SOUR1:LIST:TRIG:SOUR BUS")  # 通过软件触发切换
sig_gen.write("OUTP1 ON")

# 触发序列执行（通过SCPI命令或外部信号）
sig_gen.write("SOUR1:LIST:INIT")  # 初始化列表
sig_gen.write("SOUR1:LIST:TRIG")  # 手动触发

三、关键优化技术

1. 动态序列生成

• 条件分支：根据测试结果动态调整序列（如失败时重复当前步骤）。

pythondef generate_dynamic_sequence(initial_params, max_retries=3):retries = 0sequence = [initial_params]while retries < max_retries:# 模拟测试结果（实际应替换为真实反馈）test_result = simulate_test(sequence[-1])if test_result["pass"]:breakelse:retries += 1# 调整参数（如降低频率）adjusted_params = {"freq": sequence[-1]["freq"] * 0.8,"amp": sequence[-1]["amp"],"type": sequence[-1]["type"]}sequence.append(adjusted_params)return sequence

2. 多通道同步

• 通道耦合：确保多通道信号的相位/频率同步。

python# 示例：Keysight设备同步两通道sig_gen.write("SOUR1:PHAS 0")  # 通道1相位0°sig_gen.write("SOUR2:PHAS 90")  # 通道2相位90°（相对通道1）sig_gen.write("SOUR1:FREQ 1E6")sig_gen.write("SOUR2:FREQ 1E6")  # 同步频率

3. 序列验证

• 参数检查：确保频率/幅度在设备范围内。

pythondef validate_params(params, device_limits):if params["freq"] < device_limits["min_freq"] or params["freq"] > device_limits["max_freq"]:raise ValueError(f"频率超出范围 {device_limits['min_freq']}-{device_limits['max_freq']}Hz")if params["amp"] < device_limits["min_volt"] or params["amp"] > device_limits["max_volt"]:raise ValueError(f"幅度超出范围 {device_limits['min_volt']}-{device_limits['max_volt']}Vpp")

四、扩展功能

1. 调制信号序列

python# 示例：生成AM调制序列sig_gen.write("SOUR1:FUNC:AM ON")sig_gen.write("SOUR1:AM:INT:FREQ 10E3")  # 调制频率10kHzsig_gen.write("SOUR1:AM:DEP 50")  # 调制深度50%sig_gen.write("SOUR1:FREQ 1E6")  # 载波频率1MHz

2. 序列日志记录

python
import csv

def log_sequence(sequence, filename="sequence_log.csv"):
with open(filename, "w", newline="") as f:
writer = csv.writer(f)
writer.writerow(["Step", "Type", "Freq (Hz)", "Amp (Vpp)", "Duration (s)"])
for i, step in enumerate(sequence):
writer.writerow([
i+1,
step["type"],
step["freq"],
step["amp"],
step["duration"]
])

3. 与自动化测试框架集成

• 结合Pytest：将序列生成作为测试用例的一部分。

python
import pytest

@pytest.mark.parametrize("freq,amp", [(1E6, 1.0), (500E3, 0.5)])
def test_signal_sequence(freq, amp):
sig_gen.write(f"SOUR1:FREQ {freq}")
sig_gen.write(f"SOUR1:VOLT {amp}")
# 执行测试并验证结果

五、常见问题解决

1. 序列执行延迟：
   • 减少SCPI命令发送频率，使用批量上传（如列表模式）。
   • 检查设备缓冲区是否溢出。
2. 同步错误：
   • 确保触发信号极性（上升沿/下降沿）与设备设置一致。
   • 使用硬件同步线（如Keysight的LAN/GPIB-to-Trigger转换器）。
3. 参数越界：
   • 在生成序列前调用validate_params()检查范围。

六、工具与库推荐

1. 硬件控制：
   • PyVISA（通用SCPI设备）
   • Keysight IO Libraries Suite（官方驱动）
   • NI-DAQmx（National Instruments设备）
2. 序列设计：
   • MATLAB Signal Processing Toolbox（复杂序列生成）
   • LabVIEW（图形化序列编辑）
3. 同步与触发：
   • TTL信号发生器（如Arduino生成触发脉冲）
   • 专用触发分配器（如Keysight 81160A）

通过上述方法，可实现信号发生器自动化测试中的灵活信号序列生成，适用于生产测试、研发验证或教育演示等场景。根据实际设备型号调整SCPI命令和接口配置即可适配不同硬件。