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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)，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(qiáng)大的峰值功率分析儀增加了瞬時(shí)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(dòng)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(jì)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(jì)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(dòng)態(tài)范圍大于55dB；脈沖響應(yīng)上升時(shí)間為12ns，下降時(shí)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(shí)，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(shí)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(diǎn)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(jì)。
FPGA EP2C5T144 構(gòu)成核心控制邏輯電路，利用其內(nèi)部嵌入存儲(chǔ)器模塊完成采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；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(gè)8位字節(jié)顯示緩存器，由FPGA使用內(nèi)嵌存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)功率檢測探頭特性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測量功率包絡(luò)波形存儲(chǔ)。FPGA 配置數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在Flash中，用于開機(jī)時(shí)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(dòng)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(dú)立、聯(lián)合運(yùn)行方式。
(2)采樣率：恒定在2.5MS/s, 峰值采樣模式；存儲(chǔ)深度：250點(diǎn)。
(3)顯示時(shí)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(yùn)行模式：單次、自動(dòng)、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(jì)目的是檢測射頻信號功率電平隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，可以認(rèn)為就是一臺(tái)數(shù)字存儲(chǔ)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(yùn)行模式、觸發(fā)模式、顯示時(shí)基等都是完全相同的概念，可以采用同樣方法實(shí)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(yùn)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(yùn)算后得到線性功率值、線性電壓值，再經(jīng)過平均運(yùn)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(shí)功率值，不能直接測出平均功率（就像示波器只能測出瞬時(shí)電壓值，不能直接測出平均電壓）。通過對一個(gè)或多個(gè)完整功率包絡(luò)周期計(jì)算，能夠得出平均功率值，計(jì)算出真有效值電壓，但當(dāng)功率脈沖持續(xù)時(shí)間太短（小于10個(gè)采樣點(diǎn)，最短約4μs）或占空比太?。s1/25）時(shí)，附加測量誤差將迅速增大。
計(jì)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(shí)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(huì)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(diǎn)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(dòng)調(diào)用相應(yīng)數(shù)據(jù)，或者相近頻點(diǎn)數(shù)據(jù)。
配置多通道時(shí)，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(shí)約2min后，再發(fā)新的一組數(shù)據(jù)，發(fā)射時(shí)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(shí)開始工作，每一個(gè)裝置就是一個(gè)隨機(jī)發(fā)射的脈沖源。在檢測臺(tái)，往往同時(shí)有幾十個(gè)至上百個(gè)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(fèi)近2分鐘時(shí)間去等待和捕獲僅僅幾個(gè)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(dú)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(shí)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(gè)被測裝置時(shí)典型測試顯示。4通道獨(dú)立工作，通道間互不影響，各自按照本通道所設(shè)定的運(yùn)行模式及觸發(fā)功率電平控制運(yùn)行，相當(dāng)于4臺(tái)獨(dú)立的單通道分析儀同時(shí)工作，所顯示波形之間沒有特定時(shí)間關(guān)系，各通道不同時(shí)間捕獲的波形可同時(shí)顯示。分析儀自動(dòng)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(shí)，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(diǎn)處校準(zhǔn)，或選用相近頻點(diǎn)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(chǔ)示波器相關(guān)技術(shù)，能夠方便地設(shè)計(jì)實(shí)用多通道峰值功率分析儀。
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