微波功率是表征微波信號(hào)特性的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)入微波頻段時(shí)，功率便成為更可靠的測(cè)量對(duì)象。在無線通信系統(tǒng)、微波設(shè)備和微波器件的設(shè)計(jì)和測(cè)試過程中，微波功率計(jì)是必不可少的測(cè)試儀器[1]。
　本文基于虛擬儀器思想，設(shè)計(jì)了功率計(jì)探頭，編寫了功率計(jì)軟件。功率計(jì)探頭采用二極管檢波、微弱信號(hào)檢測(cè)、高速USB總線等技術(shù)，完成微波功率到直流電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換、采集和傳輸。功率計(jì)軟件以NI公司LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境，利用NI-VISA和多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、測(cè)量控制以及圖形用戶接口。實(shí)際應(yīng)用表明，充分利用USB總線即插即用、擴(kuò)展方便的特點(diǎn)和軟件的可移植性，本文設(shè)計(jì)的USB總線微波功率計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)與配備Windows操作系統(tǒng)、具有USB接口的計(jì)算機(jī)、頻譜儀等多種設(shè)備適配。
1 測(cè)量原理
　二極管檢波式USB總線微波功率計(jì)通過檢測(cè)二極管檢波輸出電壓，然后針對(duì)二極管檢波特性進(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)和補(bǔ)償，獲取待測(cè)信號(hào)功率值。USB總線微波功率計(jì)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    功率計(jì)探頭利用雙檢波二極管將輸入的微波信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)，經(jīng)斬波后轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，依據(jù)信號(hào)的大小經(jīng)過量程選擇進(jìn)入低噪聲、高增益的前置級(jí)放大電路，放大后的信號(hào)通過帶通濾波、后級(jí)放大等操作后利用A/D芯片進(jìn)行采集，將采集到的數(shù)據(jù)初步處理后通過USB總線送入主機(jī)處理,全部過程在CPLD控制下完成。為實(shí)現(xiàn)功率計(jì)的調(diào)零、校準(zhǔn)、補(bǔ)償?shù)裙δ?，功率?jì)探頭還包括溫度傳感器、直流校準(zhǔn)源、EEPROM等。主機(jī)功率計(jì)軟件主要包括USB控制器固件程序、基于NI-VISA的底層硬件驅(qū)動(dòng)程序和基于LabWindows/CVI的用戶應(yīng)用程序，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)USB外設(shè)的控制、數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)補(bǔ)償、顯示和存儲(chǔ)等功能。
2 功率計(jì)探頭設(shè)計(jì)
　功率計(jì)探頭主要用來實(shí)現(xiàn)微波功率到直流電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化、采集和傳輸，研制過程中需要重點(diǎn)解決二極管檢波、微弱信號(hào)檢測(cè)、高速USB總線通信等問題。
2.1二極管檢波電路
　二極管平均功率檢波器采用平衡配置的雙二極管檢波方式，基于多種校準(zhǔn)和補(bǔ)償技術(shù)，使得單個(gè)二極管平均功率計(jì)探頭的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了-70 dBm～＋20 dBm。二極管檢波器的原理如圖2所示。

    輸入的微波信號(hào)經(jīng)過電容C隔離掉直流分量后經(jīng)3 dB衰減器進(jìn)入50 Ω匹配負(fù)載和雙二極管檢波器，兩個(gè)檢波二極管分別輸出V+、V-的正、負(fù)兩路直流信號(hào)(設(shè)其幅值A(chǔ)、-A)，通過視頻濾波電容Cb送入平衡斬波電路處理。這種平衡配置雙二極管全波檢波可以有效消除低功率測(cè)量時(shí)由不同金屬連接導(dǎo)致的接觸電壓?jiǎn)栴}。為實(shí)現(xiàn)對(duì)二極管檢波特性的溫度補(bǔ)償，在二極管附近設(shè)置熱敏電阻來檢測(cè)其工作溫度。
2.2 微弱信號(hào)檢測(cè)電路
　對(duì)應(yīng)-55 dBm～＋20 dBm范圍內(nèi)的功率輸入，二極管檢波器輸出的檢波電壓約在1 μV～1.6 V之間，該信號(hào)具有低端微弱的特點(diǎn)，且由于該信號(hào)是直流信號(hào)，測(cè)量過程中極容易受到噪聲的影響[2]。本文采用MOSFET自制平衡斬波器解決了上述問題。平衡斬波技術(shù)利用兩個(gè)MOSFET交替導(dǎo)通和關(guān)斷將檢波輸出的兩路直流信號(hào)轉(zhuǎn)化成一路方波信號(hào)，經(jīng)耦合進(jìn)入交流放大系統(tǒng)，利用交流放大電路加以放大，從而削弱了噪聲的影響。平衡斬波電路的原理如圖3所示。

    斬波后產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)低噪聲前置級(jí)放大、后級(jí)放大和帶通濾波后送入ADC進(jìn)行采樣，ADC數(shù)據(jù)送入CPLD。CPLD對(duì)正負(fù)半斬波周期內(nèi)的采樣值分別進(jìn)行累加，求出差值。在MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷的瞬間會(huì)使方波的上升沿和下降沿附近出現(xiàn)較大的信號(hào)過沖，給測(cè)量帶來較大影響，需要通過CPLD精確的時(shí)間控制去除上升沿和下降沿附近20%的ADC數(shù)據(jù)不參與計(jì)算。熱敏電阻隨溫度變化產(chǎn)生的電壓變化同時(shí)進(jìn)入ADC量化處理，以獲取工作環(huán)境溫度值。
2.3 USB通信電路
　為了提高功率計(jì)的兼容性和測(cè)量的實(shí)時(shí)性，功率計(jì)探頭和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用USB總線通信。USB接口芯片選用CY7C68013A，它集成了USB 2.0高速收發(fā)器、串行接口引擎和可編程的外圍接口。CY7C68013A的4 KB數(shù)據(jù)FIFO設(shè)計(jì)專用于傳輸高速片上和片外的USB數(shù)據(jù)。由于在功率計(jì)探頭內(nèi)部已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加、求差值、去斬波等操作，根據(jù)待發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)量大小，本文通過修改固件程序?qū)Y7C68013A配置成同步Slave FIFO工作模式。CPLD作為主控設(shè)備，內(nèi)部設(shè)計(jì)FIFO控制器。USB接口電路如圖4所示。

    CPLD通用I/O引腳通過狀態(tài)標(biāo)志位FLAGA、FLAGD判斷CY7C68013內(nèi)部FIFO空或滿的狀態(tài)，然后通過SLRD、SLWR、SLOE引腳操作CY7C68013A的FIFO讀寫。Slave FIFO的同步工作時(shí)鐘由CPLD分頻產(chǎn)生。

3 功率計(jì)軟件設(shè)計(jì)
　USB總線微波功率計(jì)軟件分為USB控制器固件程序、底層驅(qū)動(dòng)程序以及用戶應(yīng)用程序。USB控制器固件程序在Keil C環(huán)境中設(shè)計(jì)完成；底層驅(qū)動(dòng)部分采用NI-VISA技術(shù)連接USB外設(shè)和主機(jī)；利用LabWindows/CVI作為主要開發(fā)環(huán)境,設(shè)計(jì)編寫了用戶應(yīng)用程序。
3.1 USB控制器固件設(shè)計(jì)
　運(yùn)行在CY7C68013A上的固件程序采用C語言編寫并在Keil C開發(fā)環(huán)境中編譯,負(fù)責(zé)控制CY7C68013A接收并響應(yīng)應(yīng)用程序及USB驅(qū)動(dòng)程序的請(qǐng)求、通過端點(diǎn)FIFO收發(fā)數(shù)據(jù)。固件框架如圖5所示,主要包含初始化、處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請(qǐng)求以及USB掛起時(shí)的電源管理等[3]?？蚣苁紫瘸跏蓟肿兞?然后調(diào)用用戶初始化函數(shù)TD_Init()。從該函數(shù)返回后,框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷，然后每隔1 s進(jìn)行一次設(shè)備重枚舉,直到端點(diǎn)0接收到一個(gè)SETUP包,同時(shí)系統(tǒng)將開始執(zhí)行交互的任務(wù)調(diào)度。

3.2 底層驅(qū)動(dòng)程序
　本文在LabWindows/CVI環(huán)境下通過NI-VISA開發(fā)能驅(qū)動(dòng)用戶USB設(shè)備的程序，降低了開發(fā)USB驅(qū)動(dòng)程序的復(fù)雜性，大大縮短了開發(fā)周期。VISA是計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)USB通信需要先對(duì)NI-VISA進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)控制工具)對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，以證實(shí)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(shí)現(xiàn)與USB驅(qū)動(dòng)程序的通信，以實(shí)現(xiàn)各種功能。
3.3用戶應(yīng)用程序
　USB總線微波功率計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：對(duì)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(chǔ)、響應(yīng)用戶請(qǐng)求、實(shí)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(chǔ)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(duì)USB設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取和控制，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)放入線程安全隊(duì)列TSQ中，然后數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)線程從線程安全隊(duì)列TSQ讀取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，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(xiàn)[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(hào)進(jìn)入功率計(jì)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(jìn)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(hào)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(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確功率表示值。
　本文采用高精度的ADC對(duì)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(hào)發(fā)生器以1 dB為步進(jìn)在-55 dBm～+20 dBm范圍內(nèi)產(chǎn)生76個(gè)信號(hào)樣本點(diǎn)，為保證其準(zhǔn)確性，每個(gè)樣本點(diǎn)利用安捷倫E4419A微波功率計(jì)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，然后改用本文試制的功率計(jì)測(cè)量，記錄每個(gè)信號(hào)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ADC值，建立一組ADC基本數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)?；竟β市?zhǔn)節(jié)點(diǎn)建立完畢后，為了減小測(cè)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(diǎn)。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(cè)量精度的需要進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將此四個(gè)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(gè)ADC數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值由三次樣條插值算法產(chǎn)生。測(cè)量過程中得到的ADC值對(duì)應(yīng)的功率表示值就通過這(N1+N2+N3+N4)個(gè)功率線性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)表格查表得到。
 
5 測(cè)試與測(cè)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(jī)抽取50個(gè)待測(cè)功率樣本點(diǎn)，使用本文設(shè)計(jì)的USB總線微波功率計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)先后進(jìn)行測(cè)量，表1給出了其中7個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果：
    由表1可以看出，在輸入信號(hào)整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)兩端的相對(duì)誤差較大，分析低端誤差產(chǎn)生的原因是微弱信號(hào)檢測(cè)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(qiáng)。

    本文介紹了一種USB總線微波功率計(jì)設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)采用虛擬儀器思想，重點(diǎn)研究了強(qiáng)背景噪聲條件下微弱直流信號(hào)檢測(cè)、USB通信和數(shù)字校準(zhǔn)等技術(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)的USB總線微波功率計(jì)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(cè)量。同時(shí)具有系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、體積小巧等特點(diǎn)，可以同Windows平臺(tái)的計(jì)算機(jī)或其他測(cè)試儀器等多種設(shè)備適配。
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