USB總線微波功率計設計

  微波功率是表征微波信號特性的一個重要參數(shù)。當待測信號頻率進入微波頻段時，功率便成為更可靠的測量對象。在無線通信系統(tǒng)、微波設備和微波器件的設計和測試過程中，微波功率計是必不可少的測試儀器[1]。
　本文基于虛擬儀器思想，設計了功率計探頭，編寫了功率計軟件。功率計探頭采用二極管檢波、微弱信號檢測、高速USB總線等技術，完成微波功率到直流電壓信號的轉換、采集和傳輸。功率計軟件以NI公司LabWindows/CVI為開發(fā)環(huán)境，利用NI-VISA和多線程技術實現(xiàn)設備管理、測量控制以及圖形用戶接口。實際應用表明，充分利用USB總線即插即用、擴展方便的特點和軟件的可移植性，本文設計的USB總線微波功率計能夠實現(xiàn)與配備Windows操作系統(tǒng)、具有USB接口的計算機、頻譜儀等多種設備適配。
1 測量原理
　二極管檢波式USB總線微波功率計通過檢測二極管檢波輸出電壓，然后針對二極管檢波特性進行數(shù)字校準和補償，獲取待測信號功率值。USB總線微波功率計組成結構如圖1所示。

    功率計探頭利用雙檢波二極管將輸入的微波信號轉化為直流電壓信號，經斬波后轉化為方波信號，依據(jù)信號的大小經過量程選擇進入低噪聲、高增益的前置級放大電路，放大后的信號通過帶通濾波、后級放大等操作后利用A/D芯片進行采集，將采集到的數(shù)據(jù)初步處理后通過USB總線送入主機處理,全部過程在CPLD控制下完成。為實現(xiàn)功率計的調零、校準、補償?shù)裙δ?，功率計探頭還包括溫度傳感器、直流校準源、EEPROM等。主機功率計軟件主要包括USB控制器固件程序、基于NI-VISA的底層硬件驅動程序和基于LabWindows/CVI的用戶應用程序，共同實現(xiàn)對USB外設的控制、數(shù)據(jù)采集、校準補償、顯示和存儲等功能。
2 功率計探頭設計
　功率計探頭主要用來實現(xiàn)微波功率到直流電壓信號的轉化、采集和傳輸，研制過程中需要重點解決二極管檢波、微弱信號檢測、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，基于多種校準和補償技術，使得單個二極管平均功率計探頭的動態(tài)范圍達到了-70 dBm～＋20 dBm。二極管檢波器的原理如圖2所示。

    輸入的微波信號經過電容C隔離掉直流分量后經3 dB衰減器進入50 Ω匹配負載和雙二極管檢波器，兩個檢波二極管分別輸出V+、V-的正、負兩路直流信號(設其幅值A、-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量時由不同金屬連接導致的接觸電壓問題。為實現(xiàn)對二極管檢波特性的溫度補償，在二極管附近設置熱敏電阻來檢測其工作溫度。
2.2 微弱信號檢測電路
　對應-55 dBm～＋20 dBm范圍內的功率輸入，二極管檢波器輸出的檢波電壓約在1 μV～1.6 V之間，該信號具有低端微弱的特點，且由于該信號是直流信號，測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。平衡斬波技術利用兩個MOSFET交替導通和關斷將檢波輸出的兩路直流信號轉化成一路方波信號，經耦合進入交流放大系統(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。

    斬波后產生的方波信號經低噪聲前置級放大、后級放大和帶通濾波后送入ADC進行采樣，ADC數(shù)據(jù)送入CPLD。CPLD對正負半斬波周期內的采樣值分別進行累加，求出差值。在MOSFET導通和關斷的瞬間會使方波的上升沿和下降沿附近出現(xiàn)較大的信號過沖，給測量帶來較大影響，需要通過CPLD精確的時間控制去除上升沿和下降沿附近20%的ADC數(shù)據(jù)不參與計算。熱敏電阻隨溫度變化產生的電壓變化同時進入ADC量化處理，以獲取工作環(huán)境溫度值。
2.3 USB通信電路
　為了提高功率計的兼容性和測量的實時性，功率計探頭和主機之間的數(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設計專用于傳輸高速片上和片外的USB數(shù)據(jù)。由于在功率計探頭內部已對數(shù)據(jù)進行累加、求差值、去斬波等操作，根據(jù)待發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)量大小，本文通過修改固件程序將CY7C68013A配置成同步Slave FIFO工作模式。CPLD作為主控設備，內部設計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)標志位FLAGA、FLAGD判斷CY7C68013內部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的同步工作時鐘由CPLD分頻產生。
3 功率計軟件設計
　USB總線微波功率計軟件分為USB控制器固件程序、底層驅動程序以及用戶應用程序。USB控制器固件程序在Keil C環(huán)境中設計完成；底層驅動部分采用NI-VISA技術連接USB外設和主機；利用LabWindows/CVI作為主要開發(fā)環(huán)境,設計編寫了用戶應用程序。
3.1 USB控制器固件設計
　運行在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,負責控制CY7C68013A接收并響應應用程序及USB驅動程序的請求、通過端點FIFO收發(fā)數(shù)據(jù)。固件框架如圖5所示,主要包含初始化、處理標準USB設備請求以及USB掛起時的電源管理等[3]?？蚣苁紫瘸跏蓟肿兞?然后調用用戶初始化函數(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進行一次設備重枚舉,直到端點0接收到一個SETUP包,同時系統(tǒng)將開始執(zhí)行交互的任務調度。

3.2 底層驅動程序
　本文在LabWindows/CVI環(huán)境下通過NI-VISA開發(fā)能驅動用戶USB設備的程序，降低了開發(fā)USB驅動程序的復雜性，大大縮短了開發(fā)周期。VISA是計算機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實現(xiàn)USB通信需要先對NI-VISA進行簡單的配置，然后使用相關的函數(shù)完成相應的操作。NI-VISA的具體配置步驟：(1)使用Driver Development Wizard(驅動程序開發(fā)向導)創(chuàng)建INF文檔；(2)安裝INF文檔,并安裝使用INF文檔的USB設備；(3)使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互動控制工具)對設備進行測試，以證實USB設備已正確安裝，并獲得USB設備的各屬性值。完成NI-VISA的配置后，就可以在LabWindows/CVI中使用VISA提供的函數(shù)實現(xiàn)與USB驅動程序的通信，以實現(xiàn)各種功能。
3.3用戶應用程序
　USB總線微波功率計軟件實現(xiàn)的主要功能包括：對USB外設的控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的顯示和存儲、響應用戶請求、實現(xiàn)其他功能。為合理利用系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)響應速度，本文采用LabWindows/CVI多線程技術編寫了并行執(zhí)行的多任務程序。在軟件的編寫過程中，采用VISA技術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技術完成對USB設備的數(shù)據(jù)讀取和控制，完成數(shù)據(jù)的實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)放入線程安全隊列TSQ中，然后數(shù)據(jù)處理與存儲線程從線程安全隊列TSQ讀取數(shù)據(jù)，并進行處理和存儲，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。線程間的控制調度和數(shù)據(jù)信息的傳輸如圖6所示。

4 多維數(shù)字校準技術
    由參考文獻[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進入功率計探頭，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確的輸入功率，必須進行線性校準。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，本文的校準工作在常溫下完成。
4.1二極管檢波的線性校準
　功率線性校準的作用就是使位于不同特性區(qū)的檢波電壓的轉換數(shù)據(jù)，經過線性數(shù)據(jù)校準之后，能夠得到與輸入功率對應的準確功率表示值。
　本文采用高精度的ADC對二極管檢波電壓完成ADC轉換。常溫下,采用AV1487超寬帶合成掃頻信號發(fā)生器以1 dB為步進在-55 dBm～+20 dBm范圍內產生76個信號樣本點，為保證其準確性，每個樣本點利用安捷倫E4419A微波功率計對其進行測量，然后改用本文試制的功率計測量，記錄每個信號樣本點對應的ADC值，建立一組ADC基本數(shù)據(jù)節(jié)點?；竟β市使?jié)點建立完畢后，為了減小測試誤差，依據(jù)三次樣條插值算法，增加數(shù)據(jù)插值節(jié)點。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)測量精度的需要進行設置，相鄰量程之間保留1 dBm的過渡帶。設定每大段內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，這樣總共產生了(N1+N2+N3+N4)個數(shù)據(jù)點，將此四個數(shù)組稱作功率線性校準表格，分別記為CALTab[n](n=1,2,3,4)，每個ADC數(shù)據(jù)點對應的功率值由三次樣條插值算法產生。測量過程中得到的ADC值對應的功率表示值就通過這(N1+N2+N3+N4)個功率線性校準數(shù)據(jù)表格查表得到。
 
5 測試與測試結果分析
    常溫下，在10 MHz～18 GHz頻率范圍、-55 dBm～+20 dBm功率范圍內隨機抽取50個待測功率樣本點，使用本文設計的USB總線微波功率計與標準功率計先后進行測量，表1給出了其中7個樣本點對比試驗結果：
    由表1可以看出，在輸入信號整個動態(tài)范圍內兩端的相對誤差較大，分析低端誤差產生的原因是微弱信號檢測電路穩(wěn)定性有待提高，高端產生誤差原因是二極管受溫度影響較強。

    本文介紹了一種USB總線微波功率計設計方法，該設計采用虛擬儀器思想，重點研究了強背景噪聲條件下微弱直流信號檢測、USB通信和數(shù)字校準等技術。經試驗驗證，應用該方法設計的USB總線微波功率計經過數(shù)字校準后能夠實現(xiàn)-55 dBm～+20 dBm范圍內連續(xù)波平均功率測量。同時具有系統(tǒng)構成簡單、測量精度高、體積小巧等特點，可以同Windows平臺的計算機或其他測試儀器等多種設備適配。
參考文獻
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