通過(guò)軟件校準(zhǔn)的50 MHz至9 GHz RF功率測(cè)量系統(tǒng)

電路功能與優(yōu)勢(shì)

該電路使用 ADL5902 TruPwr 檢波器測(cè)量RF信號(hào)的均方根信號(hào)強(qiáng)度，信號(hào)波峰因素（峰值均值比）在約65 dB的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化，工作頻率為50 MHz至9 GHz。

測(cè)量結(jié)果在12位ADC(AD7466)輸出端以串行數(shù)據(jù)形式提供。在數(shù)字域中針對(duì)環(huán)境溫度執(zhí)行簡(jiǎn)單的4點(diǎn)系統(tǒng)校準(zhǔn)。

RF檢波器與ADC之間的接口很簡(jiǎn)單，由兩個(gè)信號(hào)調(diào)整電阻組成，無(wú)有源元件。此外，ADL5902內(nèi)部2.3 V基準(zhǔn)電壓為微功耗ADC提供電源和基準(zhǔn)電壓。AD7466無(wú)流水線延遲，可作為只讀SAR ADC。

整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了約±0.5 dB的溫度穩(wěn)定性。

顯示的數(shù)據(jù)是針對(duì)在-40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)工作的兩個(gè)器件。

通過(guò)軟件校準(zhǔn)的50 MHz至9 GHz RF功率測(cè)量系統(tǒng) (CN0178)

通過(guò)軟件校準(zhǔn)的RF功率測(cè)量系統(tǒng)

圖1. 通過(guò)軟件校準(zhǔn)的RF功率測(cè)量系統(tǒng)

電路描述

測(cè)量的RF信號(hào)施加于ADL5902的輸入端，即dB線性rms響應(yīng)均方根檢波器。外部60.4 Ω電阻R3結(jié)合ADL5902的較高輸入阻抗，確保寬帶50 Ω與RF輸入匹配。ADL5902以所謂的“測(cè)量模式”配置，VSET和VOUT引腳相連。在此模式下，輸出電壓與輸入均方根值的對(duì)數(shù)成比例。換言之，讀數(shù)以分貝值直接呈現(xiàn)，每到十倍調(diào)整至1.06 V，或者53 mV/dB。

AD7466 12位ADC的電源電壓和基準(zhǔn)電壓由ADL5902內(nèi)部2.3 V基準(zhǔn)電壓源提供。由于AD7466消耗的電流極少（以10 kSPS采樣時(shí)僅為16 μA），ADL5902的基準(zhǔn)電壓輸出足以向ADC以及由R9、R10、R11、R12組成的溫度補(bǔ)償和均方根精度調(diào)整網(wǎng)絡(luò)供電。

ADC滿量程電壓等于2.3 V。最大檢波器輸出電壓（在線性輸入范圍內(nèi)工作時(shí)）約為3.5 V（參見(jiàn)ADL5902數(shù)據(jù)手冊(cè)圖6、7、8、12、13及14），因此在驅(qū)動(dòng)AD7466前必須降低0.657倍。這個(gè)降低過(guò)程通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻分壓器 R10和R11（1.21 kΩ和2.0 kΩ）來(lái)實(shí)現(xiàn)。以上數(shù)值可實(shí)現(xiàn)0.623的實(shí)際比例因子，通過(guò)建立電阻容差余量確保ADL5902 RF檢波器不會(huì)過(guò)驅(qū)ADC。

顯示的是檢波器輸出電壓與輸入功率的典型曲線（無(wú)輸出調(diào)整）

圖2 顯示的是檢波器輸出電壓與輸入功率的典型曲線（無(wú)輸出調(diào)整）

該檢波器的傳遞函數(shù)可通過(guò)以下公式計(jì)算近似值：

VOUT = SLOPE_DETECTOR × (PIN INTERCEPT)

其中SLOPE_DETECTOR是檢波器斜率，單位為mV/dB；INTERCEPT 是x軸截距，單位為dBm；PIN是輸入功率，單位為dBm。

在ADC輸出端，VOUT由ADC輸出代碼取代，公式可改寫為：

CODE = SLOPE × (PIN INTERCEPT)

其中 SLOPE 是檢波器、調(diào)整電阻及ADC的組合斜率，單位為次/dB； PIN 和 INTERCEPT 單位仍為dBm。

圖3顯示的是典型檢波器輸入功率的功率掃描以及在700 MHz輸入信號(hào)下觀察到的ADC輸出代碼。

700 MHz下的ADC輸出代碼及誤差與RF輸入功率的關(guān)系

圖3. 700 MHz下的ADC輸出代碼及誤差與RF輸入功率的關(guān)系

總體斜率和截距隨系統(tǒng)的不同而變化，該變化是由RF檢波器、調(diào)整電阻和ADC傳遞函數(shù)的器件間差異造成的。因此需要系統(tǒng)級(jí)校準(zhǔn)以確定整個(gè)系統(tǒng)的斜率和截距。本應(yīng)用中，使用4點(diǎn)校準(zhǔn)校正RF檢波器傳遞函數(shù)內(nèi)的某些非線性，特別是在低端位置。該4點(diǎn)校準(zhǔn)方案產(chǎn)生三個(gè)斜率和三個(gè)截距校準(zhǔn)系數(shù)，這些數(shù)值在校準(zhǔn)后應(yīng)存儲(chǔ)在非易失RAM (NVM)內(nèi)。

通過(guò)向ADL5902施加四個(gè)已知信號(hào)電平執(zhí)行校準(zhǔn)，從ADC測(cè)量相應(yīng)的輸出代碼。選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)在器件線性工作范圍內(nèi)。本例中，校準(zhǔn)點(diǎn)位于0 dBm、-20 dBm、-45 dBm及-58 dBm。

斜率和截距校準(zhǔn)系數(shù)通過(guò)以下公式計(jì)算：

SLOPE1 = ( CODE _1 – CODE_2)/(PIN_1 — PIN_2)

INTERCEPT1= CODE_1/(SLOPE_ADC × PIN_1)

接著使用CODE_2/CODE_3和CODE_3/CODE_4重復(fù)計(jì)算，分別得出SLOPE2/INTERCEPT2和SLOPE3/INTERCEPT3。六個(gè)校準(zhǔn)系數(shù)應(yīng)與CODE_1、CODE_2、CODE_3、CODE_4一起存儲(chǔ)在NVM內(nèi)。

當(dāng)電路在現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)，這些校準(zhǔn)系數(shù)用于計(jì)算未知的輸入功率電平PIN，公式如下：

PIN = (CODE/SLOPE) + INTERCEPT

為了在電路工作期間獲得適當(dāng)?shù)男甭屎徒鼐嘈?zhǔn)系數(shù)，從ADC觀察到的CODE必須與CODE_1、CODE_2、CODE_3、CODE_4進(jìn)行比較。例如，如果來(lái)自ADC的CODE在CODE_1與CODE_2之間，則應(yīng)使用SLOPE1和INTERCEPT1。該步驟還可用于提供欠量程或超量程警告。例如，如果來(lái)自ADC的CODE大于CODE_1或小于CODE_4，表示測(cè)得的功率在校準(zhǔn)范圍以外。

圖3還顯示了電路傳遞函數(shù)變化與以上直線公式的關(guān)系。該誤差函數(shù)由傳遞函數(shù)邊沿彎曲、線性工作范圍內(nèi)的小紋波以及溫度漂移造成。誤差以dB表示，公式如下：

誤差 (dB) = 計(jì)算的RF功率 - 實(shí)際輸入功率

= (CODE/SLOPE) + INTERCEPT – PIN_TRUE

圖3還包括了誤差與溫度的關(guān)系曲線。本例中，將在+85°C和?40°C下測(cè)得的ADC代碼與環(huán)境溫度下的直線公式進(jìn)行比較。該方法與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)一致，系統(tǒng)校準(zhǔn)一般只能在環(huán)境溫度下進(jìn)行。

圖4和圖5分別顯示電路在1 GHz和2.2 GHz下的性能。

圖4. 1 MHz下的ADC輸出代碼及誤差與RF輸入功率的關(guān)系