USB總線微波功率計(jì)設(shè)計(jì)

微波功率是表征微波信號特性的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)待測信號頻率進(jìn)入微波頻段時(shí)，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(jì)和測試過程中，微波功率計(jì)是必不可少的測試儀器[1]。
　本文基于虛擬儀器思想，設(shè)計(jì)了功率計(jì)探頭，編寫了功率計(jì)軟件。功率計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、測量控制以及圖形用戶接口。實(shí)際應(yīng)用表明，充分利用USB總線即插即用、擴(kuò)展方便的特點(diǎn)和軟件的可移植性，本文設(shè)計(jì)的USB總線微波功率計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)與配備Windows操作系統(tǒng)、具有USB接口的計(jì)算機(jī)、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(jì)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(bǔ)償，獲取待測信號功率值。USB總線微波功率計(jì)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

功率計(jì)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(jī)處理,全部過程在CPLD控制下完成。為實(shí)現(xiàn)功率計(jì)的調(diào)零、校準(zhǔn)、補(bǔ)償?shù)裙δ?，功率?jì)探頭還包括溫度傳感器、直流校準(zhǔn)源、EEPROM等。主機(jī)功率計(jì)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(shí)現(xiàn)對USB外設(shè)的控制、數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)補(bǔ)償、顯示和存儲等功能。
2 功率計(jì)探頭設(shè)計(jì)
　功率計(jì)探頭主要用來實(shí)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(diǎn)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(bǔ)償技術(shù)，使得單個(gè)二極管平均功率計(jì)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(gè)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(shí)由不同金屬連接導(dǎo)致的接觸電壓問題。為實(shí)現(xiàn)對二極管檢波特性的溫度補(bǔ)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(diǎn)，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(gè)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(shí)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(jì)算。熱敏電阻隨溫度變化產(chǎn)生的電壓變化同時(shí)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(jì)的兼容性和測量的實(shí)時(shí)性，功率計(jì)探頭和主機(jī)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(jì)專用于傳輸高速片上和片外的USB數(shù)據(jù)。由于在功率計(jì)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(jī)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(jì)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(shí)鐘由CPLD分頻產(chǎn)生。
3 功率計(jì)軟件設(shè)計(jì)
　USB總線微波功率計(jì)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(jì)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(jī)；利用LabWindows/CVI作為主要開發(fā)環(huán)境,設(shè)計(jì)編寫了用戶應(yīng)用程序。
3.1 USB控制器固件設(shè)計(jì)
　運(yùn)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(diǎn)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(shí)的電源管理等[3]?？蚣苁紫瘸跏蓟肿兞?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(diǎn)0接收到一個(gè)SETUP包,同時(shí)系統(tǒng)將開始執(zhí)行交互的任務(wù)調(diào)度。