基于AD8302的單片寬頻帶相位差測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1 引言
傳統(tǒng)的相位差測量儀需要采用多個(gè)中小規(guī)模集成電路,不僅電路復(fù)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(hào)。本文介紹利用美國adi推出的ad8302型相位檢測器設(shè)計(jì)的寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能精確測量2個(gè)獨(dú)立的射頻(rf)、中頻(if)或低頻信號(hào)的增益、相位差及頻率。可廣泛用于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(gsm),碼分多址(cdma)、寬帶碼分多址(wcdma)、時(shí)分多址(tdma)移動(dòng)電話、個(gè)人通信業(yè)務(wù)(pcs)及寬帶基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
2 ad8302的性能特點(diǎn)
ad8302內(nèi)部包含2個(gè)精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、1個(gè)寬帶相位檢測器、1.8v精密基準(zhǔn)源、以及模擬標(biāo)定電路和接口電路,能同時(shí)測量從低頻到2.7ghz頻率范圍內(nèi)2個(gè)輸入信號(hào)之間的增益(亦稱幅度比)和相位差。由于該器件內(nèi)部集成2個(gè)精密匹配的對數(shù)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(shè)備的檢測。
測量增益時(shí),2個(gè)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為±30db,輸出電平的靈敏度為30mv/db,誤差小于0.5db。對應(yīng)于-30db的輸出電壓為30mv,而對應(yīng)于+30db的輸出電壓為1.8v。輸出電流為8ma,轉(zhuǎn)換速率為25v/μs。
測量相位差的范圍是0°-180°,對應(yīng)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°。當(dāng)相位差δψ=0°時(shí),輸出電壓為1.8v;當(dāng)δψ=180°時(shí),輸出電壓為30mv,輸出電流為8ma。相位輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換速率為30mhz,響應(yīng)時(shí)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(gòu)成相位控制器。
增益及相位差的小信號(hào)包絡(luò)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(tǒng),輸入功率電平的范圍為-60dbm-0dbm。
3 ad8302的測量原理
ad8302的內(nèi)部電路框圖如圖1所示。主要包括2個(gè)精密匹配的解調(diào)式對數(shù)放大器,1個(gè)乘法器型的相位檢測器,3個(gè)加法器(σ),1組輸出放大器,偏置電路和基準(zhǔn)電壓緩沖器。輸入信號(hào)可以是單端信號(hào),也可以是差分信號(hào)。在低頻段,這些信號(hào)的輸入阻抗通常為3kω,每個(gè)對數(shù)放大器6個(gè)10db增益級(jí)串聯(lián)而成,6個(gè)增益級(jí)帶有7個(gè)輔助檢波器。每個(gè)增益級(jí)的-3db的帶寬都超過5ghz。利用這2個(gè)對數(shù)放大器可以測量2個(gè)輸入信號(hào)的增益(或幅度比)。如果測量變頻增益(或變頻衰減),這2個(gè)信號(hào)也可以是不同頻率的信號(hào)。如將被測信號(hào)加到1個(gè)輸入端,而將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)加到另1個(gè)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(shí)現(xiàn)精確的相位平衡,在很寬的頻率范圍內(nèi)相位差的測量精度與信號(hào)電平無關(guān)。對數(shù)放大器和相位檢波器對輸入高頻信號(hào)進(jìn)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(shí)間常數(shù)。基準(zhǔn)電壓緩沖器提供1.8v、5ma的基準(zhǔn)電壓源。

ad8302還可以作為控制器使用。當(dāng)作為增益控制器時(shí),必須將增益輸出端(umag)和設(shè)定端(mset)之間的反饋電路斷開,把mset作為所需要的設(shè)置點(diǎn),再利用umag信號(hào)控制外部增益調(diào)節(jié)器,當(dāng)作為相位差控制器時(shí),應(yīng)斷開相位差輸出端(uphs)與其設(shè)定端(pset)之間的反饋電路,然后用uphs信號(hào)控制外部的相位調(diào)節(jié)器。ad8302能精確測量2個(gè)信號(hào)之間的增益和相位差,測量原理如下所述。
對數(shù)放大器能將寬度范圍的輸入電壓信號(hào)變成窄范圍的分貝刻度輸出,對數(shù)放大器的輸出電壓為:
uoui=uslplg(uin/uz) (1)
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(gè)輸入電壓的分貝比。
測量增益時(shí),分別用uina和uinb來代替uin、uz、ad8302的輸出就變成
umag=uslplg(uina/uinb) (2)
式中,uina和uinb為2路輸入電壓,umag為增益輸出電壓,與信號(hào)電平的差值相對應(yīng)。
相位差輸出電壓的表達(dá)式為
uphs=uψ[ψ(uina)-ψ(uinb)] (3)
式中,uψ為相位差斜坡電壓,單位是mv/度;ψ為每個(gè)信號(hào)的相位,單位是度。相位檢波器具有180°的相位差范圍。該相位差范圍既可以是0°~+180°(以90°為中心),也可以是0°~-180°(以-90°為中心)。根據(jù)ad8302的相位差響應(yīng)特性曲線在0°~-180°和在0°~+180°時(shí)的斜率不同,即可判定2個(gè)被測信號(hào)的相位差為正或者為負(fù)。
在處理射頻系統(tǒng)時(shí)經(jīng)常要用到史密斯(smith)圓圖,它是計(jì)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(jì)算即可得到1個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的匹配阻抗,唯一要做的是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)據(jù)。所有的圓周只有1個(gè)公共交點(diǎn)(公切點(diǎn)),每個(gè)圓周對應(yīng)于1個(gè)阻抗值。ad8302在100mhz-3ghz的頻率范圍內(nèi),每個(gè)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:

rt=rinrs/(rin-rs)(4)
式中,rin為輸入電阻,rs為電源內(nèi)阻。
4 寬頻帶相位差測量系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)
4.1 寬頻帶相位差測量系統(tǒng)
ad8302的典型應(yīng)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(fù)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(guān),將s1撥至a擋時(shí)選擇增益測量模式;撥至b擋時(shí)進(jìn)入比較器模式,mset端接設(shè)定電壓。s2為相位差測量模式/比較器模式選擇開關(guān),將s2撥至a擋時(shí)選擇相位差測量模式;撥至b擋時(shí)工作在比較器模式,pset端接設(shè)定電壓。

4.2 寬頻帶相位差/頻率測量系統(tǒng)
寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)的電路框圖如圖4所示。2路相位信號(hào)u1、u2分別送至ad8302的a通道和b通道,ad8302測出的相位差信號(hào)再送給由mc14433型單片a/d轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的31/2位數(shù)字電壓表。mc14433通過段譯碼驅(qū)動(dòng)器(cd4511)和位驅(qū)動(dòng)器(mc1413)驅(qū)動(dòng)31/2位共陰極led數(shù)碼管,直接顯示被測相位差。測量相位差的范圍是0°-180°,分辨率達(dá)0.1°。

測頻電路采用icm7226b型單片8位10mhz通用頻率計(jì)數(shù)器,配置少量外圍元件即可準(zhǔn)確測量頻率和周期,它還能測量頻率比、時(shí)間間隔及累計(jì)數(shù)。該頻率計(jì)數(shù)器具有自校準(zhǔn)功能。測量范圍是0mhz-10mhz,最高分辨率可達(dá)0.000
1hz。
mc14433和icm7226b輸出的bcd碼送至89c51型單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為簡化電路,還可選用帶1o位adc的pic16f874型單片機(jī)。pic16f874是美國微科技(microchip)公司生產(chǎn)的高性價(jià)比8位單片機(jī),內(nèi)含8路逐次逼近式10位a/d轉(zhuǎn)換器,這里僅用其中1路。
4.3 反射計(jì)電路
用ad8302還可構(gòu)成反射計(jì)(reflect meter),通過測量入射到負(fù)載的信號(hào)和從負(fù)載反射的信號(hào)的增益及相位差,最終計(jì)算出反射系數(shù)γ。反射系數(shù)的計(jì)算公式為
γ=反射電壓/入射電壓=(zl-z0)/(zl+z0) (5)
式中,zl是用復(fù)數(shù)表示的負(fù)載阻抗,z0是系統(tǒng)的特征阻抗。反射系數(shù)常常用來計(jì)算阻抗失配程度及駐波比(swr)。反射系數(shù)通常用分貝表示。
由ad8302構(gòu)成反射計(jì)的電路如圖5所示,該電路可以測量反射系數(shù)。反射計(jì)包括20db電阻衰減器和1db電阻衰減器,由阻容元件構(gòu)成的一對定向耦合器a和b可對入射信號(hào)和反射信號(hào)進(jìn)行采樣。a、b通道的耦合系數(shù)和衰減系數(shù)分別由下式確定:

ca+la=pin=γnom-popt (6)
cb+lb=pin-popt (7)
式中,γnom為標(biāo)定反射系數(shù),單位是db,對無源負(fù)載而言,該系數(shù)為負(fù)值。當(dāng)輸入信號(hào)為10db和標(biāo)定反射系數(shù)為-19db時(shí),可使用一對20db的耦合器,當(dāng)popt=330dbm時(shí),衰減器a和b的衰減量分別為1db和2db。當(dāng)增益靈敏度為30mv/db,相位差靈敏度為10mv/度時(shí),umac端和uphs端分別輸出被測反射系數(shù)γ的幅度信號(hào)和相位信號(hào)。當(dāng)γ=-19db時(shí),umag端的輸出為900mv。
評(píng)論