ＵＳＢ總線的ＲＦ數(shù)字功率計

摘要：本文簡述USB儀器的進展。并且介紹USB總線的RF數(shù)字功率計的電路構成，多通道RF數(shù)字功率傳感器的網(wǎng)絡連接。

關鍵詞：USB儀器；數(shù)字功率計；數(shù)字功率傳感器；網(wǎng)絡連接USB總線的儀器應用

Intel公司在90年代開發(fā)成功32位的奔騰系列微處理器，代替80年代普遍使用的16位80X86系列微處理器。同時推出PCI(外設部件互連總線)代替原來的ISA/EISA(工業(yè)／擴展工業(yè)標準結構總線)，PCI總線能夠驅動10塊PCI擴展卡，向后兼容ISA/EISA總線，帶寬達到132MB/s至264MB/s。PCI總線大幅度提升PC計算機的外設能力，測試測量儀器業(yè)亦成功制訂基于PCI總線擴展的PXI開放式模塊儀器接口標準。90年代PC業(yè)界開發(fā)出USB(通用串行總線)。自2CN31年起Intel亦為奔騰微處理器配備USB接口，當時，USB1.0版本的數(shù)據(jù)率最高達到12Mb/s，僅適合鍵盤、鼠標、掃描儀、打印機、低速閃存等的數(shù)字應用。然而，USB具有的即插即用功能，無須復雜的安裝程序即可連接外部設備，實現(xiàn)熱插拔、配置、應用，它的彈性性能和簡單易用，獲得PC用戶的認可和贊許。加上USB的連接電纜只用一對雙絞線傳輸數(shù)字信號和兩根電線傳送直流，連接器尺寸小巧，容易裝卸，價格便宜，成為繼COM(串行通信)端口后最成功的PC外部設備連接接口。

USB接口很快在眾多的計算機外部設備接口標準中脫穎而出，筆記本和臺式PC都配置USB接口，同時普及到消費電子產(chǎn)品和通信設備，在測試測量儀器中亦出現(xiàn)基于USB接口的掌上式和手持式儀器。特別是USB2.0版本實施后，數(shù)據(jù)率從12Mb/s提高40倍至480Mb/s，目前USB2.0的數(shù)據(jù)率基本上滿足PC與外部設備的數(shù)據(jù)傳輸要求，每臺PC最少安裝兩套USB接口(主接口和設備接口)，在功能合理和成本優(yōu)勢的驅動下，成為外部設備的主流接口。在消費電子產(chǎn)品方面越來越受到歡迎，數(shù)碼相機、照相手機、MP3音樂播放機大部分采用USB接口下載和上傳數(shù)據(jù)。在通信設備方面，USB接口廣泛用于有線調(diào)制解調(diào)器、ADSL數(shù)字用戶線和路由器等設備。按市場占有率劃分，USB接口在PC相關應用中約占70％，消費電子產(chǎn)品約占20％，通信設備約占9％。USB接口作為PC業(yè)界的開放式標準，直接應用到測試測量儀器作為“事實上”儀器接口，與測試測量儀器業(yè)界的四種開放式儀器總線接口，即GPIB、VXI、PXI和LXI，同樣受到用戶的重視。它的儀器應用范圍日益擴大，成為單臺儀器使用的最佳選擇接口，甚至RF功率計亦提供USB接口的便攜產(chǎn)品。

USB總線的RF數(shù)字功率計

HP(Agilent的前身)和Boonton兩家公司在50年代開始供應RF功率計，當時頻譜分析儀還沒有開發(fā)成功，RF功率計成為測量RF信號幅度最簡單和實用的儀器。HP 430A功率計采用電橋電路，其一臂是對RF信號敏感的儀器用小型保險絲管，額定電流10mA，帶寬達到1GHz，由電流表指示平均功率讀數(shù)。這種模擬式功率計具有電路簡單，結構可靠，作為傳感器的保險絲管由2m電纜外引至被測點，可降低阻抗的失配，提高操作的機動性。進入80年代，RF功率計完成從模擬到數(shù)字化的轉型，為了提高帶寬和讀數(shù)速度，高頻二極管檢波器代替了響應時間較慢的熱敏元件，采用A/D轉換器獲得數(shù)字值，由微處理器執(zhí)行運算和數(shù)據(jù)處理，構成完整的帶有顯示屏和操作面板的臺式儀器，通常采用GPIB接口。視功能的不同，該類儀器稱為數(shù)字功率計或功率分析儀，它們的探頭由電纜與主機連接，探頭內(nèi)裝有高頻二極管檢波器和前端電路，根據(jù)被測對象的不同，可選用不同帶寬和不同靈敏度的探頭。

隨著儀器總線的發(fā)展，數(shù)字功率計亦推出VXI、PXI和LXI接口的相應儀器，同時隨著其它工業(yè)總線的發(fā)展，數(shù)字功率計也有PCI、LAN和USB的多種儀器。近兩年來，測試測量儀器業(yè)界紛紛開發(fā)USB接口的數(shù)字功率計，特點是電路結構簡單，與采用儀器總線或其它工業(yè)總線的數(shù)字功率計相比，充分發(fā)揮USB接口和PC的效能。具體實現(xiàn)方法是在原來數(shù)字功率計的傳感器探頭的輸出端增加一塊USB控制器芯片，傳感器探頭通過USB電纜和連接器與PC的USB設備接口連接，構成虛擬儀器。前端傳感器探頭完成對被測信號的檢測和數(shù)字變頻，輸出的數(shù)據(jù)由后端PC執(zhí)行數(shù)字處理和顯示，探頭的電源同時由USB儀器接口供應。一種USB數(shù)字功率計如圖1所示。

USB RF數(shù)字功率計的電路構成

USB RF數(shù)字功率計的電路構成主要有兩類，二極管檢波器和熱敏傳感器，前者的代表性產(chǎn)品有Agilent公司的U2000系列，后者的代表性產(chǎn)品有Anritsu公司的MA24106A。U2000系列USB功率傳感器的方框圖如圖2所示，RF信號輸入至半橋式檢波電路，檢波輸出經(jīng)高、低增益通道后，分別由雙路A/D轉換器作數(shù)字變換，串行數(shù)據(jù)輸入DSP嵌入式處理器，經(jīng)過數(shù)字運算和誤差校正，通過USB2.0接口控制器芯片和電纜傳送到PC主計算機進行功率分析和測量結果顯示。USB接口數(shù)字傳感器可實現(xiàn)外觸發(fā)，傳感器伏安特性曲線校正，多路并行輸入，分屏多畫面顯示，多種調(diào)制格式測量，高測量速度，數(shù)據(jù)多次平均，及格／不合格分類等測量功能。

MA24106A USB數(shù)字傳感器采用傳統(tǒng)的熱敏傳感器件，但具有更大的動態(tài)范圍和更寬頻率特性，方框圖如圖1所示。RF信號經(jīng)直流隔離和10dB衰減，由分路器分成A、B兩路檢波和平均放大器后，輸入到雙路A/D轉換器和微處理器作數(shù)字變換和處理，最后由USB接口控制器和電纜輸出至PC主計算機。它與圖2的主要不同點在于采用兩套獨立的傳感器檢波電路，A路檢測RF大信號輸入，B路檢測RF小信號輸，保持傳感器工作在平方律曲線段內(nèi)。A/D轉換器使用溫度補償，微處理器的EEPROM提供在線功率校準曲線和測試函數(shù)。這種USB數(shù)字傳感器的微處理器采用微控制器而不是DSP處理器，運行在微軟公司的windows~作系統(tǒng)，為用戶提供熟悉的用戶界面。因為這種USB數(shù)字傳感器實現(xiàn)均方根值功率測量，測量結果與RF信號的類型或帶寬無關，非常適合CW波、多載頻、不同調(diào)制格式的3G、4G和OFDM波形的測量。MA24106A USB數(shù)字傳感器還可用于RF數(shù)字多用表、數(shù)字化儀和數(shù)字存儲示波器作探頭使用。

USB RF數(shù)字傳感器的局域和廣域網(wǎng)

借助USB接口容易實現(xiàn)多通道數(shù)字功率傳感器與PC主計算機的連接，連接方法如圖3所示。基本連接方法是單個數(shù)字功率傳感器通過5m長的USB電纜接入PC主計算機或掌上計算機的USB設備接口(圖3上)PC機亦可通過1個USB集線器擴展至8個USB接口，實現(xiàn)最多8個數(shù)字功率傳感器的并行輸入。需要在更遠距離連接USB數(shù)字功率傳感器的場合，可在PC機和數(shù)字功率傳感器兩端分別使用USB擴展器，中間由5類銅纜連通時，距離達到50m。由多模光纖連通時，距離擴展到500m。由單模光纖連通時，距離擴展到10km(圖3下)。根據(jù)USB2.0標準構建的USB網(wǎng)絡，借助多重集線器、擴展器、銅纜、光纖的連通，PC主計算機最多可構成由127個數(shù)字功率傳感器組成的局部和／或遠端USB網(wǎng)絡。另外，借助5個串行集線器和多條5m電纜可構成最遠距離30m的USB網(wǎng)絡。應該注意，PC機的USB接口只能提供200mA/5V的直流，通過集線器、擴展器連接多個數(shù)字傳感器或組網(wǎng)時，必須使用帶有直流電源適配器的集線器、擴展器。如果需要城際或國際組網(wǎng)，最簡單的方法是PC主計算機接入互聯(lián)網(wǎng)，在地球的另一端通過互聯(lián)網(wǎng)LAN-USB網(wǎng)關的USB接口構建數(shù)字功率傳感器網(wǎng)絡。

USB RF數(shù)字功率傳感器的性能

當前，測試測量儀器公司推出多種USBRF數(shù)字功率傳感器，主要產(chǎn)品如表1所示。由表1可見，產(chǎn)品供應商包括大型和中小儀器廠，頻率上限達到26GHz，檢波方式有平均值和峰值兩種，重量大部分在300g以下，直流電流一般在200mA以下。高速二極管檢波電路可獲得平均功率和峰值功率，具有較大的動態(tài)范圍，更高的頻率上限，更快的讀數(shù)速度。熱敏元件由于熱響應較慢，頻率上限和讀數(shù)速度要比高速二極管的低，但可獲得準確的平均功率讀數(shù)。對于脈沖調(diào)制和占空比低的RF信號，采用峰值功率檢波再轉換成平均值，要比采用平均功率測量更準確，通過峰值功率測量值還可以求得在移動通信中非常重要的多種統(tǒng)計功率函數(shù)。