Selbstkalibrierung für RF-Hardware

Im Zusammenhang mit der Kalibrierung ist die Verifizierung der Prozess der Messung eines Geräts, um zu überprüfen, ob es innerhalb der veröffentlichten Spezifikationen funktioniert. Wenn ein Messlabor üblicherweise ein Gerät zur Kalibrierung erhält, wird dieses zuerst verifiziert und die Messungen werden aufgezeichnet. Diese werden als "as-found"-Messungen bezeichnet. Basierend auf diesen Ergebnissen wird, wenn das Gerät angepasst werden muss, eine Anpassung mit anschließender Verifizierung durchgeführt. Diese Nachjustierungsdatenpunkte werden als "as-left"-Messungen bezeichnet.

Justierung ist der Prozess, bei dem die Kalibrierkonstanten des Moduls im Gerätespeicher aktualisiert werden, um eine genauere Leistung zu erzielen. Oft wird mit dem Begriff Kalibrierung davon ausgegangen, dass eine Justierung durchgeführt wird, was aber nicht immer der Fall ist. In solchen Fällen sind die "as-found"-Daten identisch mit den "as-left"-Daten.

Abbildung 1. Datenflussdiagramm für "as-is"- und "as-found"-Kalibrierungsdaten

Die Genauigkeit eines Geräts verschlechtert sich natürlich im Laufe der Zeit bei normaler Verwendung aufgrund der unvermeidlichen Drift seiner Komponenten auf Kartenebene. Geräte, die kalibriert werden müssen, haben in der Regel ein empfohlenes Kalibrierintervall. Das Kalibrierintervall ist eine Empfehlung des Herstellers, basierend auf den Komponenten des Moduls und der erwarteten Genauigkeit. Manche Anwendungen erfordern möglicherweise ein kürzeres Kalibrierintervall aufgrund strengerer Anforderungen an die Messtoleranz. Die Notwendigkeit eines kürzeren Kalibrierintervalls wird vom Kunden bewertet.

Neben der Zeit spielt die Temperaturvariation eine weitere große Rolle für die Genauigkeit eines Geräts.  Daher erfolgt die externe Kalibrierung und Justierung bei einer bestimmten Temperatur, die aufgezeichnet und im karteneigenen Speicher des Moduls gespeichert wird. Wir müssen die Unterschiede zwischen der externen Kalibriertemperatur und der tatsächlichen Betriebstemperatur ausgleichen. Darüber hinaus kann die Selbstkalibrierung je nach Modul Verhaltensweisen wie Bildunterdrückung verbessern, die nicht durch externe Kalibrierung abgedeckt sind.

Die Selbstkalibrierung ist viel kürzer als eine externe Kalibrierung. Auch kann es jederzeit durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist die Selbstkalibrierung ein großer Schritt zur Fehlersuche für NI RF Instruments. Wenn Messungen falsch oder unerwartet erscheinen, kann mit geringem Aufwand eine Selbstkalibrierung durchgeführt werden. Auch wenn die Selbstkalibrierung nicht explizit auf eine Komponente oder einen Problembereich hinweist, stellt die Selbstkalibrierung sicher, dass das Gerät so genau wie möglich ist. Dies kann nützlich sein, um Probleme wie unerwartete fehlerhafte Leistung oder Messungenauigkeiten zu beheben.

Wie bereits erwähnt, wird die Leistung eines Moduls mit bekannten Referenzen verglichen. Kalibrierkonstanten sowie Datum, Zeit und Temperatur der letzten externen Kalibrierung werden im karteneigenen Speicher des Moduls gespeichert. Zusätzlich zu einer besseren Leistung bieten einige Messlabore eine externe Kalibrierung mit Rückverfolgbarkeit und Akkreditierung, wenn die Anwendung oder Industrie die Einhaltung eines Kalibrierstandards erfordert. Weitere Informationen zu den Kalibrierdiensten von NI oder zum Kalibrierzertifikat für NI-Module finden Sie unter den folgenden Links. Informationen zum empfohlenen externen Kalibrierintervall für ein Modul finden Sie in der Spezifikation des Moduls.

NI-Kalibrierdienste
Gerätezertifikatsgenerator

Im Gegensatz zur externen Kalibrierung wird die Selbstkalibrierung häufiger durchgeführt und verwendet eine genaue Onboard-Referenz, um Temperaturschwankungen auf Kartenebene auszugleichen. Bei jeder Selbstkalibrierung werden Korrekturwerte im Onboard-Speicher zur Selbstkalibrierung gespeichert, die externen Kalibrierdaten bleiben jedoch unverändert.

Selbstkalibrierung von Vektorsignalanalysatoren und Vektorsignalgeneratoren von NI

Die einfachste Möglichkeit, eine Selbstkalibrierung an Vektorsignalanalysatoren und -generatoren von NI durchzuführen, ist die Verwendung des Soft-Frontpanels (RFSA- oder RFSG-Soft-Frontpanels) des Geräts (siehe Abbildung 2). Die Schaltfläche Selbstkalibrierung befindet sich auf beiden Soft-Frontpanels unter Gerät/System >> Kalibrierung. Beim PXIe-5644R/5645R/5646R führt die Schaltfläche Selbstkalibrierung in den Soft-Frontpanels eine partielle Selbstkalibrierung durch. Eine partielle Kalibrierung wird später in diesem Artikel näher erläutert.

Abbildung 2. Selbstkalibrierung über das Soft-Frontpanel von NI-RFSA

Bei Vektorsignalanalysatoren und Vektorsignalgeneratoren (mit Ausnahme des PXIe-5644R/5645R/5646R) kann die Selbstkalibrierung über die LabVIEW-APIs von NI-RFSA und NI-RFSG mit Hilfe des VIs niRFSA Self Cal oder niRFSG Self Cal durchgeführt werden. Dies kann auch in C mit den Funktionen niRFSA_SelfCalibrate und niRFSG_SelfCalibrate durchgeführt werden.

Hinweis: Die meisten LabVIEW Kalibrierfunktionen sind auch in C verfügbar. Im Abschnitt "Ähnliche Links" unten finden Sie einen Link zur C-Funktionsreferenz für Kalibrierfunktionen.

Abbildung 3: Mit dem VI "niRFSA Self Cal.vi" wird eine Selbstkalibrierung durchgeführt.

Für Multimodulanalysatoren und -generatoren wie PXIe-5668R oder PXIe-5673E kann eine modulspezifische Selbstkalibrierung im NI Measurement and Automation Explorer (NI MAX) durchgeführt werden. Modulspezifische Selbstkalibrierungen können auch über den Treiber durchgeführt werden, jedoch kann eine vollständige Selbstkalibrierung des Systems erforderlich sein. Das VI "niRFSA Is Self Cal Valid" kann verwendet werden, um festzustellen, ob gültige Selbstkalibrierungsdaten auf dem Gerät vorhanden sind. Es gibt auch ein Array gültiger Schritte aus, die direkt an den Eingang Schritte zum Weglassen des VIs "niRFSA Self Cal.vi" übergeben werden können. Das Weglassen von Schritten wird im nächsten Abschnitt erläutert.

Abbildung 4: Das VI "niRFSA Is Self Cal Valid" wird verwendet, um festzustellen, ob eine Selbstkalibrierung erforderlich ist.

Weglassen von Selbstkalibrierungsschritten bei Vektorsignalanalysatoren

Durch das Weglassen von Schritten kann der Benutzer die Zeit der Selbstkalibrierung verkürzen, indem er bestimmte Subsysteme des Geräts ansteuert. Jedes Vektorsignalanalysatorgerät unterscheidet sich in seinen Schritten während der Selbstkalibrierung. Zu jedem Modul finden Sie in der Dokumentation der NI-RFSA Help eine Liste mit spezifischen Schritten, die weggelassen werden können. So kalibriert das PXIe-5668R beispielsweise folgende Parameter selbst:

• Preselector-Ausrichtung
• ZF-Verstärkungsverlauf
• Verstärkungsbezugswert
• LO-Selbstkalibrierung

Das VI "niRFSA Self Cal.vi" bietet einen Array-Eingang zum Auslassen von Schritten. Wie bereits erwähnt, gelten nicht alle Schrittoptionen für jeden Analysator. Wenn keiner der angegebenen Schritte vom Analysator unterstützt wird, gibt der Treiber einen Fehler aus.

Abbildung 5. Weglassen von Schritten zur RFSA-Selbstkalibrierung

Beachten Sie, dass das Weglassen von Schritten die Selbstkalibrierung ungültig machen kann, was wiederum dazu führt, dass zugehörige Spezifikationen nicht garantiert werden können. Umgekehrt werden durch das Weglassen gültiger Schritte keine Spezifikationen ungültig.

Selbstkalibrierung von Vektorsignal-Transceivern von NI

Mit den Soft-Frontpanels von NI-RFSA und NI-RFSG können Vektorsignal-Transceiver (VSTs) selbstkalibriert werden. Darüber hinaus kann das VI niVST Self Calibrate in der API von VST Instrument Design Libraries (IDL) verwendet werden.

Zusätzlich zu den beschriebenen Optionen gibt es in NI-RFSA, NI-RFSG und den VST-IDL-Treiberinstallationen ein spezielles Utility, mit dem Geräte des Typs NI PXIe-5644R/5645R/5646R kalibriert werden können. Das Utility befindet sich unter Windows unter Start>>Alle Programme>>National Instruments>>Vektorsignal-Transceiver>>VST-Selbstkalibrierung.

Teil-Selbstkalibrierungsbereich

Darüber hinaus können Vektorsignal-Transceiver von NI eine partielle Selbstkalibrierung durchführen. Die partielle Selbstkalibrierung ermöglicht eine Selbstkalibrierung nur für die für die Anwendung erforderlichen Frequenz- und Bezugspegelbereiche. Es ist auch möglich, durch Weglassen von Schritten, die für die Anwendung nicht erforderlich sind, auszuwählen, welche Korrekturen durchgeführt werden sollen. Auf diese Weise kann der Benutzer die Selbstkalibrierung an seine spezifische Anwendung anpassen.  Daten einer partiellen Selbstkalibrierung werden nicht wie bei einer normalen Selbstkalibrierung im FLASH-Speicher des VST gespeichert. Stattdessen werden sie im Speicher des Kernels gespeichert und gehen daher beim Neustart verloren.

Die partielle Selbstkalibrierung dauert einen Bruchteil der Zeit einer vollständigen Selbstkalibrierung. Dadurch werden die Zeit und die Temperaturdrift zwischen Teilselbstkalibrierung und Messung minimiert, was wiederum die Messgenauigkeit verbessert.
Es gibt zwei Möglichkeiten, eine partielle Selbstkalibrierung durchzuführen. Da der VST sowohl einen Analysator als auch einen Generator hat, können die VIs "niRFSA RF In Self-Calibrate Range" und "niRFSG RF Out Self-Calibrate Range" jeweils für eine partielle Selbstkalibrierung verwendet werden. Alternativ können die VIs niVST RF In Self Calibrate Range und niVST RF Out Self Calibrate Range verwendet werden, wenn von den geöffneten FPGA-Beispielprojekten gearbeitet wird.

Hinweis: Sie können auch Schritte als Teil einer Teilkalibrierung wie zuvor beschrieben weglassen.

Schlüsselkonzepte:

• Die Selbstkalibrierung kompensiert Ungenauigkeiten, die durch Driftzeit und Temperaturschwankungen der Bauelemente verursacht werden, und ist erforderlich, um einige Analyzer- und Generatorspezifikationen zu erfüllen. Es bietet auch Bildunterdrückung und andere Korrekturen, die von der externen Kalibrierung unabhängig vom Modul sind.
  • Kann im Soft-Frontpanel des entsprechenden Geräts oder über die unterstützte Treiber-API durchgeführt werden. Beim PXIe-5644R/5645R/5646R kann auch das Selbstkalibrierungsprogramm verwendet werden.
• Die Selbstkalibrierung erfolgt in Schritten, die je nach Gerät unterschiedlich sind.
  • Bei einigen Vektorsignalanalysatoren von NI können Schritte zur Beschleunigung der Selbstkalibrierung bei Bedarf entfallen.
  • Das VI "niRFSA Is Self Cal Valid.vi" gibt ein Array aus Schritten mit gültigen Selbstkalibrierungsdaten aus, die an die Schritte zum Auslassen des Eingangs des VIs "niRFSA Self Cal.vi" übergeben werden können.
• Beim PXIe-5644R/5645R/5646R kann eine partielle Selbstkalibrierung über einen kleineren Frequenz- und Bezugspegelbereich durchgeführt werden. Dadurch kann der Benutzer einen kleineren Frequenz- und Bezugspegelbereich für die aktuelle Anwendung auswählen, um die Selbstkalibrierungszeit zu reduzieren.
• Die Selbstkalibrierung ist für NI RF Instruments eine nützliche Ressource zur Fehlersuche und sollte der erste Schritt bei der Diagnose unerwarteter Messungen sein.

Wie in diesem Artikel erläutert, ist die Selbstkalibrierung ein notwendiges und nützliches Werkzeug für genaue Messungen mit Vektorsignalanalysatoren, Generatoren und Transceivern von NI. Weitere Informationen finden Sie im Abschnitt "Ähnliche Links" unten und wenden Sie sich an den technischen Support von NI unter customerservice@ni.com.

• • Hilfe zu RF-Vektorsignalanalysatoren von NI (NI-RFSA): LabVIEW Kalibrierfunktionsreferenz
  • Hilfe zu RF-Vektorsignalanalysatoren von NI (NI-RFSA): C-Kalibrierfunktionsreferenz
  • Hilfe zu RF-Vektorsignalanalysatoren von NI (NI-RFSA): NI 5668R Selbstkalibrierung