摘? 要: 介紹了寬帶射頻信號功率對數(shù)檢測集成電路AD8318的工作原理及主要性能,提出利用其快速響應(yīng)能力構(gòu)建多通道峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" 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關(guān)鍵詞: 射頻; 峰值功率; 對數(shù)檢測
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隨著數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展,信號制式越來越多:從脈沖調(diào)制GSM、TDMA,偽隨機(jī)序列調(diào)制信號CDMA、WLAN,到時分同步信號TD_SCDMA、GSM_EDGE,射頻載波調(diào)制越來越復(fù)雜,相應(yīng)的輸出功率電平也高速、大幅度地劇烈變化,使用通用功率計僅能測得平均功率,不足以獲知信號狀況。另外,對于雷達(dá)測距測高設(shè)備、安全調(diào)度及應(yīng)答識別設(shè)備以及間歇突發(fā)發(fā)射工作的無線裝置等,測量其輸出平均功率毫無意義,而脈沖峰值功率、脈沖定時關(guān)系才是關(guān)鍵。
針對新的測試要求,專業(yè)測量儀器公司開發(fā)出峰值功率計,可測量平均功率、峰值功率,如中電集團(tuán)第四十一所的AV2434、安捷倫EMP4416/4417/4418、BOONTON 4530等。功能更強大的峰值功率分析儀增加了瞬時功率檢測,可捕獲功率包絡(luò)波形,如安捷倫N1911A/N1912A、安立ML2437/ML2438、BOONTON 4500B等。這些儀器均采用主機(jī)配檢測探頭結(jié)構(gòu),選擇探頭可覆蓋到40GHz,動態(tài)范圍約55dB, N1911A采樣率高達(dá)100MS/s, BOONTON 4500B等效采樣率可達(dá)10GS/s,可滿足復(fù)雜調(diào)制信號功率檢測。
峰值功率計及峰值功率分析儀,關(guān)鍵技術(shù)是檢測出射頻信號瞬態(tài)功率,一種方法是采用檢波管檢出信號幅度,此方法輸入信號頻帶較寬,小信號響應(yīng)差,處理電路復(fù)雜;另一種方法是直接對數(shù)解調(diào)輸入的射頻信號,此法一般工作頻率較低,但處理電路簡單,響應(yīng)快,已有專用集成電路AD8307、AD8313、AD8318等可供選用。下文介紹使用AD8318構(gòu)建峰值檢測探頭、配置處理器、顯示器等設(shè)計峰值功率分析儀方案。
1 射頻信號對數(shù)檢測芯片AD8318
1.1 基本特性
AD8318頻率范圍為1MHz~8GHz;動態(tài)范圍大于55dB;脈沖響應(yīng)上升時間為12ns,下降時間為10ns;工作溫度為-40℃~+85℃;溫度穩(wěn)定性為±0.5dB;功耗為68 mA@+5V。
1.2 工作原理
AD8318內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示,由9級解調(diào)型對數(shù)放大器級聯(lián)構(gòu)成,每級增益為8.7dB,帶寬為10.5GHz,其輸出經(jīng)檢測單元變換為電流并送至電流求和電路,濾波后最終形成與輸入射頻信號電壓成對數(shù)關(guān)系的電流輸出:
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其中:ID為電路內(nèi)部設(shè)定的檢測電流;VIN為輸入射頻信號電壓;VINTERCEPT 為電路交叉電壓(理想狀態(tài)時,當(dāng)VIN=VINTERCEPT,求和電流應(yīng)為0mA)。
當(dāng)VOUT端與VSET端直接連接,電流求和電路平衡后,輸出電壓表示為:
使用功率表示為:
PIN=VOUT/VSLOP/dB+PINTERCEPT。式中,VSLOP/dB為對數(shù)變換斜率,即每分貝輸入變化對應(yīng)輸出電壓變化,一般為-25mV/dB;VINTERCEPT為2.236V,對應(yīng)PINTERCEPT=20dBm(阻抗50Ω);PIN為輸入射頻信號功率(單位dBm),實用范圍-5dBm~-60dBm。
由AD8318配置10dB輸入衰減器,構(gòu)成峰值功率探頭,如圖2所示,接入+5V直流供電后,即可工作,可檢測+5dBm~-50dBm的射頻信號,轉(zhuǎn)換成0.2V~2V直流電壓輸出。電路簡單、穩(wěn)定。
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2 峰值功率分析儀
如圖3所示,峰值功率分析儀由峰值功率探頭,配置12位高速模數(shù)變換器AD7274、核心控制邏輯電路EP2C5T144、微處理器LPC2136、單色320×240點陣圖形LCD顯示器、鍵盤掃描電路以及電源組成。
AD7274是串行接口的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片,與AD8318檢測探頭配合,最高采樣率可達(dá)3MS/s。選用串行接口,使得電路連接簡單,且容易擴(kuò)展檢測通道數(shù)量,組成多通道峰值功率計。
FPGA EP2C5T144 構(gòu)成核心控制邏輯電路,利用其內(nèi)部嵌入存儲器模塊完成采樣數(shù)據(jù)存儲;AD7274采樣過程由FPGA監(jiān)控,采樣串行數(shù)據(jù)由FPGA組織成12位并行數(shù)據(jù)流,進(jìn)一步分組、提取峰值、觸發(fā)條件判斷;單色LCD顯示只需要(320/8)×240=9 600個8位字節(jié)顯示緩存器,由FPGA使用內(nèi)嵌存儲器完成顯示緩存、控制,簡化電路布板。
LPC2136為低功耗32位ARM微處理器,配置32KB RAM、256KB Flash,利用其IAP功能可方便實現(xiàn)功率檢測探頭特性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲、測量功率包絡(luò)波形存儲。FPGA 配置數(shù)據(jù)也存儲在Flash中,用于開機(jī)時FPGA 初始化,省去專用配置芯片。
2.1 峰值功率分析儀功能
分析儀射頻指標(biāo)由探頭決定,在1MHz~3GHz之間,動態(tài)測量范圍在-50dBm~+5dBm之間。其他功能如下:
(1)測量通道:4通道設(shè)置,可選獨立、聯(lián)合運行方式。
(2)采樣率:恒定在2.5MS/s, 峰值采樣模式;存儲深度:250點。
(3)顯示時標(biāo):10μs/div~5s/div,1~2~5步進(jìn)。
(4)幅度顯示:10dBm/div、5dBm/div、2dBm/div、1dBm/div。
(5)測量參數(shù):最大功率、最小功率、平均功率、脈沖寬度、頻率/周期等。
(6)測量觸發(fā):功率電平、脈沖前沿、后沿。
(7)運行模式:單次、自動、正常、掃描。
2.2 峰值功率分析儀工作原理
峰值功率分析儀的設(shè)計目的是檢測射頻信號功率電平隨時間的動態(tài)變化,可以認(rèn)為就是一臺數(shù)字存儲示波器,只不過輸入模擬通道被替換成了峰值功率檢測探頭,采樣率、采樣模式、運行模式、觸發(fā)模式、顯示時基等都是完全相同的概念,可以采用同樣方法實現(xiàn),不同之處在于分析儀采樣捕獲的數(shù)據(jù),還要根據(jù)輸入射頻信號頻率進(jìn)一步校準(zhǔn)運算,得出對應(yīng)射頻信號的對數(shù)功率值、對數(shù)電壓值,經(jīng)指數(shù)運算后得到線性功率值、線性電壓值,再經(jīng)過平均運算,得到平均功率、平均電壓值。
峰值功率分析儀能檢測出射頻信號瞬時功率值,不能直接測出平均功率(就像示波器只能測出瞬時電壓值,不能直接測出平均電壓)。通過對一個或多個完整功率包絡(luò)周期計算,能夠得出平均功率值,計算出真有效值電壓,但當(dāng)功率脈沖持續(xù)時間太短(小于10個采樣點,最短約4μs)或占空比太?。s1/25)時,附加測量誤差將迅速增大。
計算過程中始終以功率為主,電壓值由功率值換算得出,以保證同一功率電平信號的測量數(shù)據(jù)以不同單位讀出時一致、準(zhǔn)確。
2.3? 峰值功率檢測探頭的校準(zhǔn)
? 由AD8318芯片構(gòu)成檢測探頭,由于器件離散性等原因,測量結(jié)果會有差異,所以配接主機(jī)后,應(yīng)首先在100MHz進(jìn)行基本校準(zhǔn):根據(jù)VOUT=VSLOP/dB×(PIN-PINTERCEPT),接入+5dBm穩(wěn)定信號得到VOUT1=VSLOP/dB×(PIN1-PINTERCEPT), 接入-50dBm穩(wěn)定信號得到VOUT2=VSLOP/dB×(PIN2-PINTERCEPT),解方程組,可得VSLOP/dB=(PIN1-PIN2)/(VOUT1-VOUT2),PINTERCEPT =PIN1-VOUT1/
VSLOP/dB,記錄信號頻率值、VSLOP/dB、PINTERCEPT,完成基本校準(zhǔn)。
當(dāng)被測信號頻率大于3GHz后,探頭檢測特性變化較大,為消減測量誤差,應(yīng)當(dāng)在不同頻點校準(zhǔn),方法同基本校準(zhǔn)。功率分析儀主機(jī)可支持256組校準(zhǔn)數(shù)據(jù),根據(jù)信號頻率,自動調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù),或者相近頻點數(shù)據(jù)。
配置多通道時,探頭連接后,應(yīng)分別校準(zhǔn)。
2.4? 峰值功率分析儀的應(yīng)用
某汽車輪胎氣壓、溫度檢測裝置,工作于433MHz ISM頻段,發(fā)射功率約+5dBm,約每2min發(fā)送1次測量數(shù)據(jù),隨機(jī)延時約2min后,再發(fā)新的一組數(shù)據(jù),發(fā)射時間約5ms。由于特殊的使用安裝要求,檢測裝置連同供電電池被密閉灌封,同時開始工作,每一個裝置就是一個隨機(jī)發(fā)射的脈沖源。在檢測臺,往往同時有幾十個至上百個待檢裝置,要想在如此嘈雜的環(huán)境中檢測其中的一只,則需要花費近2分鐘時間去等待和捕獲僅僅幾個毫秒的信號發(fā)射,顯然效率太低。
選用峰值功率分析儀,可以較好解決這一測試問題:4路測量通道設(shè)置為獨立工作模式,成倍提高檢測效率;觸發(fā)電平設(shè)為-15dBm,有效屏蔽了鄰近的其他裝置發(fā)射的射頻脈沖干擾;時基設(shè)為1ms/div,可以捕獲發(fā)射信號脈沖包絡(luò)細(xì)節(jié);選擇單次觸發(fā)模式,捕獲脈沖后保持顯示,等待檢測人員判讀后更換被測件。
圖4所示為連接4個被測裝置時典型測試顯示。4通道獨立工作,通道間互不影響,各自按照本通道所設(shè)定的運行模式及觸發(fā)功率電平控制運行,相當(dāng)于4臺獨立的單通道分析儀同時工作,所顯示波形之間沒有特定時間關(guān)系,各通道不同時間捕獲的波形可同時顯示。分析儀自動提取各波形的峰值功率。
分析儀測量誤差主要取決于功率探頭和校準(zhǔn)信號源準(zhǔn)確度。峰值功率探頭采用AD8318,單芯片完成高頻信號功率檢測、對數(shù)變換輸出,在-50~+5dBm測量范圍內(nèi),輸出穩(wěn)定,對數(shù)一致性很好,連接分析儀,經(jīng)校準(zhǔn)后測量誤差小于±0.5dB。
當(dāng)輸入信號功率超出測量范圍時,測量誤差迅速增加,可加接已知量值的固定衰減器,減小探頭的輸入信號功率,測量值加衰減值即得功率值,但這樣又引入了衰減器的誤差;使用大功率校準(zhǔn)信號源,探頭連帶衰減器一起校準(zhǔn),可以消去衰減器誤差,保證測量精度。
功率探頭存在明顯的頻響差異,因此應(yīng)在所使用的頻點處校準(zhǔn),或選用相近頻點的校準(zhǔn)數(shù)據(jù),以提高測量精度。
使用射頻信號對數(shù)檢測芯片AD8318,可以非常方便地構(gòu)建寬帶峰值功率檢測探頭;結(jié)合數(shù)字采樣存儲示波器相關(guān)技術(shù),能夠方便地設(shè)計實用多通道峰值功率分析儀。
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