摘? 要： 介紹了寬帶射頻信號功率對數檢測集成電路AD8318的工作原理及主要性能，提出利用其快速響應能力構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" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" 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關鍵詞： 射頻; 峰值功率; 對數檢測
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隨著數字通信技術的發(fā)展，信號制式越來越多：從脈沖調制GSM、TDMA，偽隨機序列調制信號CDMA、WLAN，到時分同步信號TD_SCDMA、GSM_EDGE,射頻載波調制越來越復雜，相應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，對于雷達測距測高設備、安全調度及應答識別設備以及間歇突發(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、脈沖定時關系才是關鍵。
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，可捕獲功率包絡波形，如安捷倫N1911A/N1912A、安立ML2437/ML2438、BOONTON 4500B等。這些儀器均采用主機配檢測探頭結構，選擇探頭可覆蓋到40GHz，動態(tài)范圍約55dB, N1911A采樣率高達100MS/s, BOONTON 4500B等效采樣率可達10GS/s,可滿足復雜調制信號功率檢測。
峰值功率計及峰值功率分析儀，關鍵技術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，小信號響應差，處理電路復雜；另一種方法是直接對數解調輸入的射頻信號，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構建峰值檢測探頭、配置處理器、顯示器等設計峰值功率分析儀方案。
1 射頻信號對數檢測芯片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內部結構如圖1所示，由9級解調型對數放大器級聯構成，每級增益為8.7dB，帶寬為10.5GHz，其輸出經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關系的電流輸出：
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其中：ID為電路內部設定的檢測電流；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VIN=VINTERCEPT，求和電流應為0mA)。
當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為對數變換斜率，即每分貝輸入變化對應輸出電壓變化，一般為-25mV/dB；VINTERCEPT為2.236V，對應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位數模轉換芯片，與AD8318檢測探頭配合，最高采樣率可達3MS/s。選用串行接口，使得電路連接簡單，且容易擴展檢測通道數量，組成多通道峰值功率計。
FPGA EP2C5T144 構成核心控制邏輯電路，利用其內部嵌入存儲器模塊完成采樣數據存儲；AD7274采樣過程由FPGA監(jiān)控，采樣串行數據由FPGA組織成12位并行數據流，進一步分組、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功能可方便實現功率檢測探頭特性校準數據存儲、測量功率包絡波形存儲。FPGA 配置數據也存儲在Flash中，用于開機時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通道設置，可選獨立、聯合運行方式。
(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：10μs/div～5s/div，1～2～5步進。
(4)幅度顯示：10dBm/div、5dBm/div、2dBm/div、1dBm/div。
(5)測量參數：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，可以認為就是一臺數字存儲示波器，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，不同之處在于分析儀采樣捕獲的數據，還要根據輸入射頻信號頻率進一步校準運算，得出對應射頻信號的對數功率值、對數電壓值，經指數運算后得到線性功率值、線性電壓值，再經過平均運算，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周期計算，能夠得出平均功率值，計算出真有效值電壓，但當功率脈沖持續(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據以不同單位讀出時一致、準確。
2.3? 峰值功率檢測探頭的校準
? 由AD8318芯片構成檢測探頭，由于器件離散性等原因，測量結果會有差異，所以配接主機后，應首先在100MHz進行基本校準：根據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。
當被測信號頻率大于3GHz后，探頭檢測特性變化較大，為消減測量誤差，應當在不同頻點校準，方法同基本校準。功率分析儀主機可支持256組校準數據，根據信號頻率，自動調用相應數據，或者相近頻點數據。
配置多通道時，探頭連接后，應分別校準。
2.4? 峰值功率分析儀的應用
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次測量數據，隨機延時約2min后，再發(fā)新的一組數據，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路測量通道設置為獨立工作模式，成倍提高檢測效率；觸發(fā)電平設為-15dBm，有效屏蔽了鄰近的其他裝置發(fā)射的射頻脈沖干擾；時基設為1ms/div，可以捕獲發(fā)射信號脈沖包絡細節(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定的運行模式及觸發(fā)功率電平控制運行，相當于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信號源準確度。峰值功率探頭采用AD8318，單芯片完成高頻信號功率檢測、對數變換輸出，在-50～+5dBm測量范圍內，輸出穩(wěn)定，對數一致性很好，連接分析儀，經校準后測量誤差小于±0.5dB。
當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；使用大功率校準信號源，探頭連帶衰減器一起校準，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，因此應在所使用的頻點處校準，或選用相近頻點的校準數據，以提高測量精度。
使用射頻信號對數檢測芯片AD8318，可以非常方便地構建寬帶峰值功率檢測探頭；結合數字采樣存儲示波器相關技術，能夠方便地設計實用多通道峰值功率分析儀。
參考文獻
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