基于AD8302的單片寬頻帶相位差測量系統設計

摘要：在移動通信系統中，經常需要精確測量相位差。詳細闡述了AD8302構成的寬頻帶相位差及頻率測量系統。該系統可精確測量從低頻到射頻范圍內0%26;#176;"360%26;#176;的相位差（測量誤差小于0.5%26;#176;），-60dBm"0dBm范圍內的功率電平以及10MHz以下的頻率。 關鍵詞：相位差；增益；頻率；相位檢波器；測量系統；AD8302 中圖分類號：TN911.23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-6977（2006）01-0057-04 1 引言 傳統的相位差測量儀需要采用多個中小規模集成電路，不僅電路復雜，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。本文介紹利用美國ADI推出的AD8302型相位檢測器設計的寬頻帶相位差及頻率測量系統。該系統能精確測量2個獨立的射頻（RF）、中頻（IF）或低頻信號的增益、相位差及頻率。可廣泛用于全球移動通信系統（GSM），碼分多址（CDMA）、寬帶碼分多址（WCDMA）、時分多址（TDMA）移動電話、個人通信業務（PCS）及寬帶基礎設施網絡等領域。2 AD8302的性能特點AD8302內部包含2個精密匹配的寬帶對數放大器、1個寬帶相位檢測器、1.8V精密基準源、以及模擬標定電路和接口電路，能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內2個輸入信號之間的增益（亦稱幅度比）和相位差。由于該器件內部集成2個精密匹配的對數放大器，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備的檢測。測量增益時，2個輸入信號的動態范圍為%26;#177;30dB，輸出電平的靈敏度為30mV/dB，誤差小于0.5dB。對應于－30dB的輸出電壓為30mV，而對應于＋30dB的輸出電壓為1.8V。輸出電流為8mA，轉換速率為25V/μs。測量相位差的范圍是0%26;#176;－180%26;#176;，對應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%26;#176;。當相位差Δψ＝0%26;#176;時，輸出電壓為1.8V；當Δψ＝180%26;#176;時，輸出電壓為30mV，輸出電流為8mA。相位輸出時的轉換速率為30MHz，響應時間為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成相位控制器。增益及相位差的小信號包絡帶寬均為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，輸入功率電平的范圍為－60dBm－0dBm。3 AD8302的測量原理AD8302的內部電路框圖如圖1所示。主要包括2個精密匹配的解調式對數放大器，1個乘法器型的相位檢測器，3個加法器（Σ），1組輸出放大器，偏置電路和基準電壓緩沖器。輸入信號可以是單端信號，也可以是差分信號。在低頻段，這些信號的輸入阻抗通常為3KΩ，每個對數放大器6個10dB增益級串聯而成，6個增益級帶有7個輔助檢波器。每個增益級的－3dB的帶寬都超過5GHz。利用這2個對數放大器可以測量2個輸入信號的增益（或幅度比）。如果測量變頻增益（或變頻衰減），這2個信號也可以是不同頻率的信號。如將被測信號加到1個輸入端，而將標準信號加到另1個輸入端，AD8302還可用來測量絕對電平。乘法器型的相位檢測器能實現精確的相位平衡，在很寬的頻率范圍內相位差的測量精度與信號電平無關。對數放大器和相位檢波器對輸入高頻信號進行處理后，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間常數。基準電壓緩沖器提供1.8V、5mA的基準電壓源。 AD8302還可以作為控制器使用。當作為增益控制器時，必須將增益輸出端（UMAG）和設定端（MSET）之間的反饋電路斷開，把MSET作為所需要的設置點，再利用UMAG信號控制外部增益調節器，當作為相位差控制器時，應斷開相位差輸出端（UPHS）與其設定端（PSET）之間的反饋電路，然后用UPHS信號控制外部的相位調節器。AD8302能精確測量2個信號之間的增益和相位差，測量原理如下所述。對數放大器能將寬度范圍的輸入電壓信號變成窄范圍的分貝刻度輸出，對數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個輸入電壓的分貝比。測量增益時，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，與信號電平的差值相對應。相位差輸出電壓的表達式為式中，Uψ為相位差斜坡電壓，單位是mV/度；ψ為每個信號的相位，單位是度。相位檢波器具有180%26;#176;的相位差范圍。該相位差范圍既可以是0%26;#176;～＋180%26;#176;（以90%26;#176;為中心），也可以是0%26;#176;～－180%26;#176;（以－90%26;#176;為中心）。根據AD8302的相位差響應特性曲線在0%26;#176;～－180%26;#176;和在0%26;#176;～＋180%26;#176;時的斜率不同，即可判定2個被測信號的相位差為正或者為負。在處理射頻系統時經常要用到史密斯（Smith）圓圖，它是計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，不做任何計算即可得到1個復雜系統的匹配阻抗，唯一要做的是沿著圓周線讀取并跟蹤數據。所有的圓周只有1個公共交點（公切點），每個圓周對應于1個阻抗值。AD8302在100MHz－3GHz的頻率范圍內，每個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為電源內阻。 4 寬頻帶相位差測量系統的電路設計4.1 寬頻帶相位差測量系統AD8302的典型應用電路如圖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，將S1撥至a擋時選擇增益測量模式；撥至b擋時進入比較器模式，MSET端接設定電壓。S2為相位差測量模式/比較器模式選擇開關，將S2撥至a擋時選擇相位差測量模式；撥至b擋時工作在比較器模式，PSET端接設定電壓。 4.2 寬頻帶相位差/頻率測量系統 寬頻帶相位差及頻率測量系統的電路框圖如圖4所示。2路相位信號U1、U2分別送至AD8302的A通道和B通道，AD8302測出的相位差信號再送給由MC14433型單片A/D轉換器構成的31/2位數字電壓表。MC14433通過段譯碼驅動器（CD4511）和位驅動器（MC1413）驅動31/2位共陰極LED數碼管，直接顯示被測相位差。測量相位差的范圍是0%26;#176;－180%26;#176;，分辨率達0.1%26;#176;。 測頻電路采用ICM7226B型單片8位10MHz通用頻率計數器，配置少量外圍元件即可準確測量頻率和周期，它還能測量頻率比、時間間隔及累計數。該頻率計數器具有自校準功能。測量范圍是0MHz－10MHz，最高分辨率可達0.000 1Hz。MC14433和ICM7226B輸出的BCD碼送至89C51型單片機進行數據處理。為簡化電路，還可選用帶1O位ADC的PIC16F874型單片機。PIC16F874是美國微科技（Microchip）公司生產的高性價比8位單片機，內含8路逐次逼近式10位A/D轉換器，這里僅用其中1路。4.3 反射計電路用AD8302還可構成反射計（Reflect Meter），通過測量入射到負載的信號和從負載反射的信號的增益及相位差，最終計算出反射系數γ。反射系數的計算公式為式中，ZL是用復數表示的負載阻抗，Z0是系統的特征阻抗。反射系數常常用來計算阻抗失配程度及駐波比（SWR）。反射系數通常用分貝表示。由AD8302構成反射計的電路如圖5所示，該電路可以測量反射系數。反射計包括20dB電阻衰減器和1dB電阻衰減器，由阻容元件構成的一對定向耦合器A和B可對入射信號和反射信號進行采樣。A、B通道的耦合系數和衰減系數分別由下式確定： 式中，γNOM為標定反射系數，單位是dB，對無源負載而言，該系數為負值。當輸入信號為10dB和標定反射系數為－19dB時，可使用一對20dB的耦合器，當POPT＝330dBm時，衰減器A和B的衰減量分別為1dB和2dB。當增益靈敏度為30mV/dB，相位差靈敏度為10mV/度時，UMAC端和UPHS端分別輸出被測反射系數γ的幅度信號和相位信號。當γ＝－19dB時，UMAG端的輸出為900mV。 linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）