基于AD8318的峰值功率分析仪设计
2009-04-02
作者：周玉鸿
摘 要： 介绍了宽带射频信号功率对数检测集成电路AD8318的工作原理及主要性能，提出利用其快速响应能力构建多通道峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" title="峰值功率分析仪">峰值功率分析仪" 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关键词： 射频; 峰值功率; 对数检测
随着数字通信技术的发展，信号制式越来越多：从脉冲调制GSM、TDMA，伪随机序列调制信号CDMA、WLAN，到时分同步信号TD_SCDMA、GSM_EDGE,射频载波调制越来越复杂，相应的输出功率电平也高速、大幅度地剧烈变化，使用通用功率计仅能测得平均功率，不足以获知信号状况。另外，对于雷达测距测高设备、安全调度及应答识别设备以及间歇突发发射工作的无线装置等，测量其输出平均功率毫无意义，而脉冲峰值功率、脉冲定时关系才是关键。
针对新的测试要求，专业测量仪器公司开发出峰值功率计，可测量平均功率、峰值功率，如中电集团第四十一所的AV2434、安捷伦EMP4416/4417/4418、BOONTON 4530等。功能更强大的峰值功率分析仪增加了瞬时功率检测，可捕获功率包络波形，如安捷伦N1911A/N1912A、安立ML2437/ML2438、BOONTON 4500B等。这些仪器均采用主机配检测探头结构，选择探头可覆盖到40GHz，动态范围约55dB, N1911A采样率高达100MS/s, BOONTON 4500B等效采样率可达10GS/s,可满足复杂调制信号功率检测。
峰值功率计及峰值功率分析仪，关键技术是检测出射频信号瞬态功率，一种方法是采用检波管检出信号幅度，此方法输入信号频带较宽，小信号响应差，处理电路复杂；另一种方法是直接对数解调输入的射频信号，此法一般工作频率较低，但处理电路简单，响应快，已有专用集成电路AD8307、AD8313、AD8318等可供选用。下文介绍使用AD8318构建峰值检测探头、配置处理器、显示器等设计峰值功率分析仪方案。
1 射频信号对数检测芯片AD8318
1.1 基本特性
AD8318频率范围为1MHz～8GHz；动态范围大于55dB；脉冲响应上升时间为12ns，下降时间为10ns；工作温度为-40℃～+85℃；温度稳定性为±0.5dB；功耗为68 mA@+5V。
1.2 工作原理
AD8318内部结构如图1所示，由9级解调型对数放大器级联构成，每级增益为8.7dB，带宽为10.5GHz，其输出经检测单元变换为电流并送至电流求和电路，滤波后最终形成与输入射频信号电压成对数关系的电流输出：
其中：ID为电路内部设定的检测电流；VIN为输入射频信号电压；VINTERCEPT 为电路交叉电压(理想状态时，当VIN=VINTERCEPT，求和电流应为0mA)。
当VOUT端与VSET端直接连接，电流求和电路平衡后，输出电压表示为：
使用功率表示为：
PIN=VOUT/VSLOP/dB+PINTERCEPT。式中，VSLOP/dB为对数变换斜率，即每分贝输入变化对应输出电压变化，一般为-25mV/dB；VINTERCEPT为2.236V，对应PINTERCEPT=20dBm(阻抗50Ω）；PIN为输入射频信号功率(单位dBm)，实用范围-5dBm～-60dBm。
由AD8318配置10dB输入衰减器，构成峰值功率探头，如图2所示，接入+5V直流供电后，即可工作，可检测+5dBm～-50dBm的射频信号，转换成0.2V～2V直流电压输出。电路简单、稳定。
2 峰值功率分析仪
如图3所示，峰值功率分析仪由峰值功率探头，配置12位高速模数变换器AD7274、核心控制逻辑电路EP2C5T144、微处理器LPC2136、单色320×240点阵图形LCD显示器、键盘扫描电路以及电源组成。
AD7274是串行接口的12位数模转换芯片，与AD8318检测探头配合，最高采样率可达3MS/s。选用串行接口，使得电路连接简单，且容易扩展检测通道数量，组成多通道峰值功率计。
FPGA EP2C5T144 构成核心控制逻辑电路，利用其内部嵌入存储器模块完成采样数据存储；AD7274采样过程由FPGA监控，采样串行数据由FPGA组织成12位并行数据流，进一步分组、提取峰值、触发条件判断；单色LCD显示只需要(320/8)×240=9 600个8位字节显示缓存器，由FPGA使用内嵌存储器完成显示缓存、控制，简化电路布板。
LPC2136为低功耗32位ARM微处理器，配置32KB RAM、256KB Flash，利用其IAP功能可方便实现功率检测探头特性校准数据存储、测量功率包络波形存储。FPGA 配置数据也存储在Flash中，用于开机时FPGA 初始化，省去专用配置芯片。
2.1 峰值功率分析仪功能
分析仪射频指标由探头决定，在1MHz～3GHz之间,动态测量范围在-50dBm～+5dBm之间。其他功能如下：
(1)测量通道：4通道设置，可选独立、联合运行方式。
(2)采样率：恒定在2.5MS/s, 峰值采样模式；存储深度：250点。
(3)显示时标：10μs/div～5s/div，1～2～5步进。
(4)幅度显示：10dBm/div、5dBm/div、2dBm/div、1dBm/div。
(5)测量参数：最大功率、最小功率、平均功率、脉冲宽度、频率/周期等。
(6)测量触发：功率电平、脉冲前沿、后沿。
(7)运行模式：单次、自动、正常、扫描。
2.2 峰值功率分析仪工作原理
峰值功率分析仪的设计目的是检测射频信号功率电平随时间的动态变化，可以认为就是一台数字存储示波器，只不过输入模拟通道被替换成了峰值功率检测探头，采样率、采样模式、运行模式、触发模式、显示时基等都是完全相同的概念，可以采用同样方法实现，不同之处在于分析仪采样捕获的数据，还要根据输入射频信号频率进一步校准运算，得出对应射频信号的对数功率值、对数电压值，经指数运算后得到线性功率值、线性电压值，再经过平均运算，得到平均功率、平均电压值。
峰值功率分析仪能检测出射频信号瞬时功率值，不能直接测出平均功率（就像示波器只能测出瞬时电压值，不能直接测出平均电压）。通过对一个或多个完整功率包络周期计算，能够得出平均功率值，计算出真有效值电压，但当功率脉冲持续时间太短（小于10个采样点，最短约4μs）或占空比太小（约1/25）时，附加测量误差将迅速增大。
计算过程中始终以功率为主，电压值由功率值换算得出，以保证同一功率电平信号的测量数据以不同单位读出时一致、准确。
2.3 峰值功率检测探头的校准
由AD8318芯片构成检测探头，由于器件离散性等原因，测量结果会有差异，所以配接主机后，应首先在100MHz进行基本校准：根据VOUT=VSLOP/dB×(PIN-PINTERCEPT)，接入+5dBm稳定信号得到VOUT1=VSLOP/dB×(PIN1-PINTERCEPT)， 接入-50dBm稳定信号得到VOUT2=VSLOP/dB×(PIN2-PINTERCEPT)，解方程组，可得VSLOP/dB=(PIN1-PIN2)/(VOUT1-VOUT2)，PINTERCEPT =PIN1-VOUT1/
VSLOP/dB，记录信号频率值、VSLOP/dB、PINTERCEPT，完成基本校准。
当被测信号频率大于3GHz后，探头检测特性变化较大，为消减测量误差，应当在不同频点校准，方法同基本校准。功率分析仪主机可支持256组校准数据，根据信号频率，自动调用相应数据，或者相近频点数据。
配置多通道时，探头连接后，应分别校准。
2.4 峰值功率分析仪的应用
某汽车轮胎气压、温度检测装置，工作于433MHz ISM频段，发射功率约+5dBm，约每2min发送1次测量数据，随机延时约2min后，再发新的一组数据，发射时间约5ms。由于特殊的使用安装要求，检测装置连同供电电池被密闭灌封，同时开始工作，每一个装置就是一个随机发射的脉冲源。在检测台，往往同时有几十个至上百个待检装置，要想在如此嘈杂的环境中检测其中的一只，则需要花费近2分钟时间去等待和捕获仅仅几个毫秒的信号发射，显然效率太低。
选用峰值功率分析仪，可以较好解决这一测试问题：4路测量通道设置为独立工作模式，成倍提高检测效率；触发电平设为-15dBm，有效屏蔽了邻近的其他装置发射的射频脉冲干扰；时基设为1ms/div，可以捕获发射信号脉冲包络细节；选择单次触发模式，捕获脉冲后保持显示，等待检测人员判读后更换被测件。
图4所示为连接4个被测装置时典型测试显示。4通道独立工作，通道间互不影响，各自按照本通道所设定的运行模式及触发功率电平控制运行，相当于4台独立的单通道分析仪同时工作，所显示波形之间没有特定时间关系，各通道不同时间捕获的波形可同时显示。分析仪自动提取各波形的峰值功率。
分析仪测量误差主要取决于功率探头和校准信号源准确度。峰值功率探头采用AD8318，单芯片完成高频信号功率检测、对数变换输出，在-50～+5dBm测量范围内，输出稳定，对数一致性很好，连接分析仪，经校准后测量误差小于±0.5dB。
当输入信号功率超出测量范围时，测量误差迅速增加，可加接已知量值的固定衰减器，减小探头的输入信号功率，测量值加衰减值即得功率值，但这样又引入了衰减器的误差；使用大功率校准信号源，探头连带衰减器一起校准，可以消去衰减器误差，保证测量精度。
功率探头存在明显的频响差异，因此应在所使用的频点处校准，或选用相近频点的校准数据，以提高测量精度。
使用射频信号对数检测芯片AD8318，可以非常方便地构建宽带峰值功率检测探头；结合数字采样存储示波器相关技术，能够方便地设计实用多通道峰值功率分析仪。
参考文献
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