基于AD8302的單片寬頻帶相位差測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，經(jīng)常需要精確測量相位差。詳細(xì)闡述了AD8302構(gòu)成的寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精確測量從低頻到射頻范圍內(nèi)0°~360°的相位差（測量誤差小于0.5°），-60dBm~0dBm范圍內(nèi)的功率電平以及10MHz以下的頻率。
關(guān)鍵詞：相位差；增益；頻率；相位檢波器；測量系統(tǒng)；AD8302
中圖分類號(hào)：TN911.23  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1006-6977（2006）01-0057-04

1 引言
       傳統(tǒng)的相位差測量儀需要采用多個(gè)中小規(guī)模集成電路，不僅電路復(fù)雜，測量相位差的精度低，而且適用的頻率范圍窄，只能測量低頻或中頻信號(hào)。本文介紹利用美國ADI推出的AD8302型相位檢測器設(shè)計(jì)的寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能精確測量2個(gè)獨(dú)立的射頻（RF）、中頻（IF）或低頻信號(hào)的增益、相位差及頻率?？蓮V泛用于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM），碼分多址（CDMA）、寬帶碼分多址（WCDMA）、時(shí)分多址（TDMA）移動(dòng)電話、個(gè)人通信業(yè)務(wù)（PCS）及寬帶基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

2 AD8302的性能特點(diǎn)
       AD8302內(nèi)部包含2個(gè)精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、1個(gè)寬帶相位檢測器、1.8V精密基準(zhǔn)源、以及模擬標(biāo)定電路和接口電路，能同時(shí)測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)2個(gè)輸入信號(hào)之間的增益（亦稱幅度比）和相位差。由于該器件內(nèi)部集成2個(gè)精密匹配的對數(shù)放大器，因此可將溫度漂移降至最低限度。AD8302不僅能測量放大器、混頻器等電路的增益和相位差，而且特別適合對無線基站及測試設(shè)備的檢測。

      測量增益時(shí)，2個(gè)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為±30dB，輸出電平的靈敏度為30mV/dB，誤差小于0.5dB。對應(yīng)于－30dB的輸出電壓為30mV，而對應(yīng)于＋30dB的輸出電壓為1.8V。輸出電流為8mA，轉(zhuǎn)換速率為25V/μs。
 
     測量相位差的范圍是0°－180°，對應(yīng)的輸出電壓變化范圍是0V－1.8V，輸出電壓靈敏度為10mV/度，測量誤差小于0.5°。當(dāng)相位差Δψ＝0°時(shí)，輸出電壓為1.8V；當(dāng)Δψ＝180°時(shí)，輸出電壓為30mV，輸出電流為8mA。相位輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換速率為30MHz，響應(yīng)時(shí)間為40ns－500ns（視被測相位差而定）。
   
       AD8302還具有3種工作模式：相位測量模式、輸入電平比較器模式和相位控制器模式。利用相位控制模式可構(gòu)成相位控制器。
   
       增益及相位差的小信號(hào)包絡(luò)帶寬均為30MHz（將MFLT端開路），利用外部濾波電容器可減小帶寬。對于特性阻抗為50Ω的相位差測量系統(tǒng)，輸入功率電平的范圍為－60dBm－0dBm。

3 AD8302的測量原理
       AD8302的內(nèi)部電路框圖如圖1所示。主要包括2個(gè)精密匹配的解調(diào)式對數(shù)放大器，1個(gè)乘法器型的相位檢測器，3個(gè)加法器（Σ），1組輸出放大器，偏置電路和基準(zhǔn)電壓緩沖器。輸入信號(hào)可以是單端信號(hào)，也可以是差分信號(hào)。在低頻段，這些信號(hào)的輸入阻抗通常為3KΩ，每個(gè)對數(shù)放大器6個(gè)10dB增益級串聯(lián)而成，6個(gè)增益級帶有7個(gè)輔助檢波器。每個(gè)增益級的－3dB的帶寬都超過5GHz。利用這2個(gè)對數(shù)放大器可以測量2個(gè)輸入信號(hào)的增益（或幅度比）。如果測量變頻增益（或變頻衰減），這2個(gè)信號(hào)也可以是不同頻率的信號(hào)。如將被測信號(hào)加到1個(gè)輸入端，而將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加到另1個(gè)輸入端，AD8302還可用來測量絕對電平。乘法器型的相位檢測器能實(shí)現(xiàn)精確的相位平衡，在很寬的頻率范圍內(nèi)相位差的測量精度與信號(hào)電平無關(guān)。對數(shù)放大器和相位檢波器對輸入高頻信號(hào)進(jìn)行處理后，就以電流的形式把增益和相位差信息送至輸出放大器，再由輸出放大器最終決定增益靈敏度和相位差靈敏度，外部濾波電容器可分為每路輸出提供平均時(shí)間常數(shù)?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器提供1.8V、5mA的基準(zhǔn)電壓源。

    AD8302還可以作為控制器使用。當(dāng)作為增益控制器時(shí)，必須將增益輸出端（UMAG）和設(shè)定端（MSET）之間的反饋電路斷開，把MSET作為所需要的設(shè)置點(diǎn)，再利用UMAG信號(hào)控制外部增益調(diào)節(jié)器，當(dāng)作為相位差控制器時(shí)，應(yīng)斷開相位差輸出端（UPHS）與其設(shè)定端（PSET）之間的反饋電路，然后用UPHS信號(hào)控制外部的相位調(diào)節(jié)器。AD8302能精確測量2個(gè)信號(hào)之間的增益和相位差，測量原理如下所述。

       對數(shù)放大器能將寬度范圍的輸入電壓信號(hào)變成窄范圍的分貝刻度輸出，對數(shù)放大器的輸出電壓為：
   
    式中，USLP為增益斜坡電壓，UIN為輸入電壓。UZ為參考電壓，lg（UIN/UZ）為2個(gè)輸入電壓的分貝比。
   
       測量增益時(shí)，分別用UINA和UINB來代替UIN、UZ、AD8302的輸出就變成
   

    式中，UINA和UINB為2路輸入電壓，UMAG為增益輸出電壓，與信號(hào)電平的差值相對應(yīng)。

       相位差輸出電壓的表達(dá)式為
   

    式中，Uψ為相位差斜坡電壓，單位是mV/度；ψ為每個(gè)信號(hào)的相位，單位是度。相位檢波器具有180°的相位差范圍。該相位差范圍既可以是0°～＋180°（以90°為中心），也可以是0°～－180°（以－90°為中心）。根據(jù)AD8302的相位差響應(yīng)特性曲線在0°～－180°和在0°～＋180°時(shí)的斜率不同，即可判定2個(gè)被測信號(hào)的相位差為正或者為負(fù)。

        在處理射頻系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常要用到史密斯（Smith）圓圖，它是計(jì)算傳輸線阻抗的重要工具。史密斯圓圖是由許多圓周交織而成的。利用它，不做任何計(jì)算即可得到1個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的匹配阻抗，唯一要做的是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)據(jù)。所有的圓周只有1個(gè)公共交點(diǎn)（公切點(diǎn)），每個(gè)圓周對應(yīng)于1個(gè)阻抗值。AD8302在100MHz－3GHz的頻率范圍內(nèi)，每個(gè)輸入端阻抗的史密斯圓圖如圖2所示。終端電阻器RT的阻值由下式確定：

   
    式中，RIN為輸入電阻，RS為電源內(nèi)阻。

4 寬頻帶相位差測量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
4.1 寬頻帶相位差測量系統(tǒng)
        AD8302的典型應(yīng)用電路如圖3所示，R1和R2為輸入端電阻器。R3為UREF輸出端的負(fù)載。C1和C4為交流輸入的耦合電容器，C2和C3為濾波電容器，C5和C6為電源退耦電容器。S1為增益測量模塊/比較器模式選擇開關(guān)，將S1撥至a擋時(shí)選擇增益測量模式；撥至b擋時(shí)進(jìn)入比較器模式，MSET端接設(shè)定電壓。S2為相位差測量模式/比較器模式選擇開關(guān)，將S2撥至a擋時(shí)選擇相位差測量模式；撥至b擋時(shí)工作在比較器模式，PSET端接設(shè)定電壓。

4.2 寬頻帶相位差/頻率測量系統(tǒng)
        寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)的電路框圖如圖4所示。2路相位信號(hào)U1、U2分別送至AD8302的A通道和B通道，AD8302測出的相位差信號(hào)再送給由MC14433型單片A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的31/2位數(shù)字電壓表。MC14433通過段譯碼驅(qū)動(dòng)器（CD4511）和位驅(qū)動(dòng)器（MC1413）驅(qū)動(dòng)31/2位共陰極LED數(shù)碼管，直接顯示被測相位差。測量相位差的范圍是0°－180°，分辨率達(dá)0.1°。

    測頻電路采用ICM7226B型單片8位10MHz通用頻率計(jì)數(shù)器，配置少量外圍元件即可準(zhǔn)確測量頻率和周期，它還能測量頻率比、時(shí)間間隔及累計(jì)數(shù)。該頻率計(jì)數(shù)器具有自校準(zhǔn)功能。測量范圍是0MHz－10MHz，最高分辨率可達(dá)0.000 1Hz。
   
     MC14433和ICM7226B輸出的BCD碼送至89C51型單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為簡化電路，還可選用帶1O位ADC的PIC16F874型單片機(jī)。PIC16F874是美國微科技（Microchip）公司生產(chǎn)的高性價(jià)比8位單片機(jī)，內(nèi)含8路逐次逼近式10位A/D轉(zhuǎn)換器，這里僅用其中1路。

4.3 反射計(jì)電路
         用AD8302還可構(gòu)成反射計(jì)（Reflect Meter），通過測量入射到負(fù)載的信號(hào)和從負(fù)載反射的信號(hào)的增益及相位差，最終計(jì)算出反射系數(shù)γ。反射系數(shù)的計(jì)算公式為
   
   
    式中，ZL是用復(fù)數(shù)表示的負(fù)載阻抗，Z0是系統(tǒng)的特征阻抗。反射系數(shù)常常用來計(jì)算阻抗失配程度及駐波比（SWR）。反射系數(shù)通常用分貝表示。
       
      由AD8302構(gòu)成反射計(jì)的電路如圖5所示，該電路可以測量反射系數(shù)。反射計(jì)包括20dB電阻衰減器和1dB電阻衰減器，由阻容元件構(gòu)成的一對定向耦合器A和B可對入射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行采樣。A、B通道的耦合系數(shù)和衰減系數(shù)分別由下式確定：

 
     式中，γNOM為標(biāo)定反射系數(shù)，單位是dB，對無源負(fù)載而言，該系數(shù)為負(fù)值。當(dāng)輸入信號(hào)為10dB和標(biāo)定反射系數(shù)為－19dB時(shí)，可使用一對20dB的耦合器，當(dāng)POPT＝330dBm時(shí)，衰減器A和B的衰減量分別為1dB和2dB。當(dāng)增益靈敏度為30mV/dB，相位差靈敏度為10mV/度時(shí)，UMAC端和UPHS端分別輸出被測反射系數(shù)γ的幅度信號(hào)和相位信號(hào)。當(dāng)γ＝－19dB時(shí)，UMAG端的輸出為900mV。