便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)----硬件設(shè)計(jì)（二）

3.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

功率分析儀硬件設(shè)計(jì)采用，兩段式設(shè)計(jì)，即主機(jī)以及探頭兩部分。探頭部分設(shè)計(jì)包括微波模塊，分頻模塊和功率檢波模塊(分頻模塊將在頻率測(cè)量設(shè)計(jì)部分加以介紹)。主機(jī)部分主要是：電源，數(shù)據(jù)采集模塊，F(xiàn)PGA以及ARM控制部分，同時(shí)液晶顯示屏和鍵盤等外部輸入設(shè)備也包含于其中。

3.3.1探頭部分設(shè)計(jì)

3.3.1.1微波模塊

微波模塊包括前端一路輸入，衰減器，功分器，后端的二路輸出和模塊控制信號(hào)輸入端。射頻脈沖信號(hào)通過(guò)射頻同軸連接器將射頻信號(hào)注入系統(tǒng)中，射頻同軸連接器采用SMA螺紋連接，阻抗50歐，和系統(tǒng)阻抗相匹配。后端兩路是經(jīng)過(guò)微波模塊處理的輸出，包括功率輸出和頻率輸出。模塊控制信號(hào)主要是微波模塊的電源控制和信號(hào)通道切換，衰減切換。

微波模塊的控制信號(hào)主要包括三類：電源控制、開(kāi)關(guān)控制、衰減控制。電源實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電源的連接。主要包括+5v、-5v和地三部分。FPGA通過(guò)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)控制微波模塊內(nèi)部的選通開(kāi)關(guān)，切換頻率，功率。微波模塊內(nèi)部的功分器用于將信號(hào)分成兩路相位相同、幅值相等的信號(hào)，送入功率輸出端和頻率輸出端。微波模塊的衰減網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)將下一節(jié)衰減電路中進(jìn)行詳細(xì)介紹。微波模塊的硬件框圖如圖3-3所示。

3.3.1.2衰減電路

為了擴(kuò)大功率測(cè)量的范圍和測(cè)量的精讀，使用了衰減測(cè)量的方法。功率衰減是指對(duì)解調(diào)前的信號(hào)進(jìn)行衰減，可以擴(kuò)大檢波器的檢波范圍，提高檢波精度。后端衰減是對(duì)進(jìn)行解調(diào)以后的信號(hào)進(jìn)行衰減控制，主要用來(lái)提高A/D轉(zhuǎn)換的范圍。

功率衰減是通過(guò)微波模塊內(nèi)部的衰減網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。功率衰減網(wǎng)絡(luò)是由精密衰減器和數(shù)字控制兩部分組成。衰減器部分由N組用精密電阻組成的Π型網(wǎng)絡(luò)，按照阻抗匹配的原則，用微型繼電器來(lái)切換，組成總衰減量為NdB，變化步長(zhǎng)為N dB的衰減器。基本的Pi型衰減器工作原理如下圖3-4所示：

L1是直通路徑，直接連接兩個(gè)單刀開(kāi)關(guān)，L2接有Π型固定衰減電阻網(wǎng)絡(luò)。假定L1的傳輸衰減為IL1，L2的傳輸衰減為IL2 + X dB，其中，X dB為Π形衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減量。每一位的衰減量A tt可由公式(1)表示為：

采用硅薄膜電阻工藝的固定衰減器直接安裝在腔體上。該衰減器體積小、穩(wěn)定性高、可承受較大功率，在射頻段仍能保持平坦的衰減特性。開(kāi)關(guān)由工作于導(dǎo)通與截止兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的PIN二極管組成，受溫度影響較小;衰減電阻具有較好的溫度穩(wěn)定性;Π型網(wǎng)絡(luò)本身具有自溫度補(bǔ)償作用，因此衰減器可在-55～85℃溫度范圍保持幾乎恒定的衰減，開(kāi)關(guān)-固定衰減器結(jié)構(gòu)能夠保持良好的匹配。

根據(jù)檢波電路的最佳工作范圍，以及功率檢波芯片功率測(cè)量范圍，在功率測(cè)量中，對(duì)微波衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減網(wǎng)絡(luò)選擇了0、20dBm的衰減控制。微波模塊內(nèi)部的衰減網(wǎng)絡(luò)的衰減控制端連接FPGA.由ARM通過(guò)FPGA產(chǎn)生控制信號(hào)送至功率衰減器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入功率信號(hào)進(jìn)行0dB或20dB的衰減。

3.3.3射頻包絡(luò)檢波模塊

在本設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)檢波芯片的輸入阻抗為50，當(dāng)被測(cè)設(shè)備不是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生設(shè)備時(shí)，為保證阻抗匹配，并且信號(hào)能準(zhǔn)確的注入后級(jí)射頻檢波芯片輸入端。前端設(shè)計(jì)的功率衰減網(wǎng)絡(luò)在提供功率衰減的同時(shí)，同時(shí)提供與系統(tǒng)特性阻抗匹配的輸入輸出阻抗，通過(guò)調(diào)整接地的分流電阻阻值，保證衰減輸出阻抗為50，達(dá)到與對(duì)數(shù)檢波芯片的輸入阻抗相匹配的目的。

3.3.3.1峰值檢波電路

檢波器是射頻技術(shù)中的常規(guī)部件之一，在射頻信號(hào)檢測(cè)、自動(dòng)增益控制、功率檢測(cè)、穩(wěn)幅的應(yīng)用中是關(guān)鍵性部件。在許多場(chǎng)合，要求檢波器在寬頻帶內(nèi)具有良好的駐波特性、功率平坦度、高靈敏度。

AD8318是基于半導(dǎo)體的單片檢測(cè)器，優(yōu)于傳統(tǒng)的產(chǎn)品，它比模塊解決方案有更高的性價(jià)比，比基于分立二極管的檢測(cè)器有更高的精確度，采用ADI公司的XFCB-3SiGe生產(chǎn)技術(shù)，能提供較快的速度、精確度和溫度穩(wěn)定性。AD8318兼?zhèn)涓呔群蛯拕?dòng)態(tài)范圍的獨(dú)特結(jié)合，使其適用于許多種類的無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)備，包括GSM，CDMA和W-CDMA蜂窩基站以及WLAN802.11應(yīng)用和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)固定無(wú)線系統(tǒng)中，進(jìn)行接收信號(hào)強(qiáng)度指示和發(fā)射功率水平檢測(cè)。AD8318的基本特性如下：

(1)頻帶范圍寬：能夠精確測(cè)量1MHz~8GHz帶寬內(nèi)RF信號(hào)的功率;

(2)動(dòng)態(tài)范圍大，精確度高：在5GHz時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)55dB，精確度優(yōu)于+1dB;在8GHz時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)58dB，精確度優(yōu)于+3dB;

(3)穩(wěn)定性好：溫度漂移能調(diào)整到所需的頻段，從-40℃到85℃的穩(wěn)定度優(yōu)于+0.5dB，完全能夠達(dá)到規(guī)定的技術(shù)指標(biāo);

(4)用電壓來(lái)表示輸入信息的大小;

(5)低噪音，輸入電源噪音1.15nV/ √Hz;

(6)+5V單電壓供電，最大電流僅為68mA，最小功耗僅為1.5mW;

(7)集成了一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器，它能夠提供2mV/℃輸出電壓用于額外的溫度補(bǔ)償和系統(tǒng)監(jiān)控;

(8)提供8ns最快輸出響應(yīng)，適合用于突發(fā)RF脈沖檢測(cè);

(9)采用小外形的4mm*4mm，16腳引腳架構(gòu)芯片級(jí)封裝。

AD8318的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它優(yōu)異的性能，除包含前文所述的雙平方單元外

如圖3-5所示。它有一個(gè)有9個(gè)放大單元組成級(jí)聯(lián)放大鏈，每一個(gè)放大單元都可實(shí)現(xiàn)8.7dB的電壓增益，它們來(lái)實(shí)現(xiàn)AD8318的對(duì)數(shù)功能。由于精確的偏置設(shè)計(jì)，在溫度超過(guò)額定值和輸入信號(hào)變化超出額定范圍的情況下，增益依然很穩(wěn)定。信號(hào)從INHI端輸入，通過(guò)級(jí)聯(lián)的放大單元，由于每個(gè)放大單元的增益都是直流耦合的，信號(hào)通過(guò)每個(gè)放大單元時(shí)逐級(jí)被放大，因此最后的增益是非常大的。在每一個(gè)增益輸出端都有一個(gè)具有平方作用的檢波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，而且在AD8318內(nèi)部有一個(gè)補(bǔ)償反饋電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)一系列的措施使得輸出信號(hào)非常精確。因此從INHI輸入RF信號(hào)電壓通過(guò)放大后轉(zhuǎn)換成一個(gè)隨輸入信號(hào)幅度變化的差動(dòng)電流信號(hào)，此差動(dòng)電流信號(hào)的均值隨輸入的RF的電平不同而不同。電流波形經(jīng)整形并經(jīng)濾波后，經(jīng)過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換成電壓輸出，這樣就將輸入信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為輸出電壓值的變化，我們只需要按照輸出電壓幅度與輸入信號(hào)功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系公式，就可以計(jì)算出被測(cè)信號(hào)當(dāng)前時(shí)刻功率值。

輸出電壓幅度與輸入信號(hào)功率呈如下線性對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系：

其中，X是VSET = VOUT /X式中的反饋因子，在電路中可調(diào)為1或2(通過(guò)改變VOUT與VSET引腳間的電阻以及VSET腳與地之間的電阻的阻值來(lái)調(diào)節(jié)); VSLOPE /DEC是-500mV/decade;VSLOPE /dB大約為-25mV/dB,VINTERCEPT是輸入-輸出關(guān)系曲線上X截取的對(duì)數(shù)線性部分。對(duì)正弦波輸入信號(hào)而言，VINTERCEPT是+7dBV.同時(shí)，AD8318片內(nèi)對(duì)檢波信號(hào)加了0.5V的偏置電壓(VOFFSET)，所以輸出信號(hào)的最小值為X* VOFFSET.也就是說(shuō)當(dāng)X=1時(shí)，VOUT的最小值為0.5V. AD8318有控制模式和測(cè)量模式可以選擇，根據(jù)OUT V腳的不同接法可選擇不同的模式，我們選擇AD8318的測(cè)量模式。圖3-7所示為AD8318的連接圖：[!--empirenews.page--]

此時(shí)AD8318的輸入輸出關(guān)系曲線的斜率為-50mV/dB，檢波輸出信號(hào)的幅度范圍是0.5V～2.5V(對(duì)應(yīng)于輸入范圍：-60dBm～0dBm)。

3.3.3.2反向器電路根據(jù)前文所述可以看出，AD8318的輸入輸出關(guān)系曲線的斜率為-50mV/dB，隨著輸入信號(hào)功率的增大，檢波輸出電壓值不斷減小。由于本設(shè)計(jì)采用的示波顯示方式，這樣的反比例關(guān)系不利于用戶的觀測(cè)，同時(shí)為了減小后級(jí)電路對(duì)檢波輸出可能造成的影響，所以在AD8318之后加入一級(jí)運(yùn)放，連接方式為反向跟隨模式。

由于在AD8318之后的信號(hào)頻率較低(最高為60MHz左右)，所以運(yùn)放選用TSH11，TSH11的特點(diǎn)是輸入阻抗大，減小對(duì)前級(jí)的影響。運(yùn)放與AD8318連接方法如下圖3-8所示：

3.3.4數(shù)據(jù)采集模塊

由圖3-5可見(jiàn)，信號(hào)采集通道主要由信號(hào)調(diào)理通道、A/D采樣兩個(gè)部分組成，以下分別進(jìn)行介紹。

3.3.4.1信號(hào)調(diào)理通道

模擬通道是指信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波之后而到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器之前的部分電路。模擬通道主要是對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行交直流耦合、衰減、放大等控制，使進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器之前的信號(hào)幅度處在一定的范圍之內(nèi)，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的要求。模擬通道的總體示意圖如圖3-9所示。

通道中的10倍衰減電路采用的是無(wú)源衰減網(wǎng)絡(luò)，也就是采用電阻分壓原理。這樣的電路在較低頻率時(shí)損耗很小，而在高頻時(shí)損耗大，需要加入RC補(bǔ)償電路，如圖3-13所示。由圖3-10可見(jiàn)衰減倍數(shù)為Vo/Vi=R2/R1+R2，當(dāng)R1/R2=9時(shí)，Vo/Vi=1/10也就是衰減10倍。圖中，C1，C2為補(bǔ)償電容，C2為可調(diào)電容，調(diào)節(jié)C2可使補(bǔ)償電路達(dá)到最佳補(bǔ)償(即滿足R1/R2=C2/C1)。

為了減小對(duì)前級(jí)的影響，，我們?cè)O(shè)計(jì)中在10倍無(wú)源衰減電路之后，加入了阻抗匹配電路，如下圖3-11所示。要求高輸入阻抗，低輸出阻抗，以確保信號(hào)傳輸過(guò)程中不發(fā)生失真現(xiàn)象。故電路前級(jí)采用場(chǎng)效應(yīng)管，因?yàn)槠錇殡妷嚎刂圃?，輸入阻抗很大。后半部分采用三極管共集電路接法，保證后級(jí)放大電路更好的工作。

由于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，在A/D前端加入了一級(jí)可變?cè)鲆娣糯笃鳎詫?duì)放大電路的信號(hào)放大能力要求不高，如圖3-12所示。為了減小對(duì)前后級(jí)電路的相互影響，這里選用OPA695芯片，其設(shè)置為2倍放大時(shí)擁有1400MHz帶寬，8倍放大時(shí)450MHz帶寬以及低輸入電壓噪聲。能夠較好的起到信號(hào)隔離放大的作用。

主放大電路中，運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)為2.其中，C1為超前補(bǔ)償電容，以免放大電路發(fā)生自激震蕩。驅(qū)動(dòng)放大電路的主要功能是把單端輸入的信號(hào)變成差分輸出，并在輸入端加上四個(gè)鉗位二極管，使得輸入電壓范圍在-1.0～+1.0之間。在輸入端加上1V共模電壓，使最后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)幅度在0V～2V的范圍內(nèi)以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的要求。驅(qū)動(dòng)放大電路原理圖如圖3-13所示。圖中，運(yùn)算放大器的增益G計(jì)算，滿足如下公式：