USB總線微波功率計設(shè)計

微波功率是表征微波信號特性的一個重要參數(shù)。當(dāng)待測信號頻率進(jìn)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(shè)備和微波器件的設(shè)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(shè)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(shù)，完成微波功率到直流電壓信號的轉(zhuǎn)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(shù)實現(xiàn)設(shè)備管理、測量控制以及圖形用戶接口。實際應(yīng)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(shè)計的USB總線微波功率計能夠?qū)崿F(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(shè)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(jìn)行數(shù)字校準(zhǔn)和補償，獲取待測信號功率值。USB總線微波功率計組成結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為直流電壓信號，經(jīng)斬波后轉(zhuǎn)化為方波信號，依據(jù)信號的大小經(jīng)過量程選擇進(jìn)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(jìn)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(diào)零、校準(zhǔn)、補償?shù)裙δ埽β视嬏筋^還包括溫度傳感器、直流校準(zhǔn)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(qū)動程序和基于LabWindows/CVI的用戶應(yīng)用程序，共同實現(xiàn)對USB外設(shè)的控制、數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)補償、顯示和存儲等功能。
2 功率計探頭設(shè)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(zhuǎn)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(zhǔn)和補償技術(shù)，使得單個二極管平均功率計探頭的動態(tài)范圍達(dá)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(jīng)過電容C隔離掉直流分量后經(jīng)3 dB衰減器進(jìn)入50 Ω匹配負(fù)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(fù)兩路直流信號(設(shè)其幅值A(chǔ)、-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(dǎo)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(shè)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(yīng)-55 dBm～＋20 dBm范圍內(nèi)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(shù)利用兩個MOSFET交替導(dǎo)通和關(guān)斷將檢波輸出的兩路直流信號轉(zhuǎn)化成一路方波信號，經(jīng)耦合進(jìn)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(chǎn)生的方波信號經(jīng)低噪聲前置級放大、后級放大和帶通濾波后送入ADC進(jìn)行采樣，ADC數(shù)據(jù)送入CPLD。CPLD對正負(fù)半斬波周期內(nèi)的采樣值分別進(jìn)行累加，求出差值。在MOSFET導(dǎo)通和關(guān)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(chǎn)生的電壓變化同時進(jìn)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(shè)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(nèi)部已對數(shù)據(jù)進(jìn)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?qū)Y7C68013A配置成同步Slave FIFO工作模式。CPLD作為主控設(shè)備，內(nèi)部設(shè)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(biāo)志位FLAGA、FLAGD判斷CY7C68013內(nèi)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(chǎn)生。
3 功率計軟件設(shè)計
　USB總線微波功率計軟件分為USB控制器固件程序、底層驅(qū)動程序以及用戶應(yīng)用程序。USB控制器固件程序在Keil C環(huán)境中設(shè)計完成；底層驅(qū)動部分采用NI-VISA技術(shù)連接USB外設(shè)和主機；利用LabWindows/CVI作為主要開發(fā)環(huán)境,設(shè)計編寫了用戶應(yīng)用程序。
3.1 USB控制器固件設(shè)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(fù)責(zé)控制CY7C68013A接收并響應(yīng)應(yīng)用程序及USB驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請求以及USB掛起時的電源管理等[3]。框架首先初始化全局變量,然后調(diào)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(jìn)行一次設(shè)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(wù)調(diào)度。