寬帶射頻檢波功率計(jì)的設(shè)計(jì)

摘 要 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)-45dBm～+5dBm的3GHZ射頻信號(hào)的常用功率檢測(cè)。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)巴倫變壓器進(jìn)行信號(hào)阻抗匹配后經(jīng)過(guò)檢波芯片后進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理、低噪聲放大濾波后輸出直流信號(hào)，使用LMV321運(yùn)放對(duì)直流信號(hào)的電壓跟隨，以增強(qiáng)信號(hào)輸出的穩(wěn)定性，再用STM8內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)功率劍波器輸出直流電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算功率值和幅度值并顯示在OLED液晶屏上。同時(shí)上位機(jī)可進(jìn)行對(duì)當(dāng)前功率值和幅度值實(shí)時(shí)顯示和頻率、修正參數(shù)的設(shè)置。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該功率計(jì)測(cè)量范圍-45dBm～+5dBm，分辨率0.1dBm，測(cè)量誤差為±0.5 dB，測(cè)量頻率范圍1MHZ～3GHZ。

【關(guān)鍵詞】STM8單片機(jī) ADC 功率計(jì) AD8362

1 引言

射頻信號(hào)的重要表示方法之一就是功率，確定微波振蕩源的輸出功率、接收機(jī)的靈敏度、電子元器件的性能測(cè)試和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的衰減等都離不開(kāi)微波功率的測(cè)量。射頻功率計(jì)一般由功率傳感器和顯示器兩部分構(gòu)成，按照連接方法分類有兩種射頻功率計(jì)，分別是終端式和通過(guò)式，終端式的負(fù)載為功率計(jì)探頭，吸收全部入射功率，直接顯示功率值，但是不能測(cè)量大功率，上限為+25dBm，下限為-90dBm，用于測(cè)試小信號(hào)。通過(guò)式則是利用耦合裝置將待測(cè)功率按比例耦合出部分進(jìn)行有效測(cè)量具有大功率測(cè)量能力，總功率等于測(cè)量值乘以耦合系數(shù)。因此終端式和通過(guò)式功率計(jì)被應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，一般終端式功率計(jì)被應(yīng)用于射頻信號(hào)的測(cè)量，而通過(guò)式功率計(jì)應(yīng)用于大功率設(shè)備的功率測(cè)量。隨著通信領(lǐng)域的不斷發(fā)展，射頻信號(hào)的測(cè)量顯得尤為重要，因此設(shè)計(jì)一款精度較高、頻段可以調(diào)整、抗干擾強(qiáng)的便攜式射頻功率計(jì)顯得更加適應(yīng)當(dāng)今市場(chǎng)需求。

2 功率計(jì)的工作原理和設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)將待測(cè)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入阻抗匹配后送入到功率檢波芯片，功率檢波電路將輸入信號(hào)的功率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的直流信號(hào)輸出，再通過(guò)A/D進(jìn)行電壓采集，為了使得前、后級(jí)電路之間互不影響，在檢波芯片輸出直流信號(hào)和A/D之間加上電壓跟隨器。主控制器芯片將采集到的電壓值和對(duì)應(yīng)的頻率值來(lái)計(jì)算出當(dāng)前相應(yīng)頻率下的功率值大小。頻率值和修正值采用按鍵輸入方式實(shí)現(xiàn)改變，液晶屏顯示相應(yīng)信息。系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示和參數(shù)修改的功能，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

功率計(jì)的測(cè)量精度主要受開(kāi)關(guān)、放大電路、AD采樣及檢波器等硬件電路和數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)程序處理等軟件部分的雙重影響。其中檢波電路的性能影響較大，是功率檢測(cè)的關(guān)鍵部分。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)源在不同頻段，不同功率值下的準(zhǔn)確測(cè)量，采用不同的對(duì)數(shù)寬帶檢波器。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)整體介紹

系統(tǒng)的模擬硬件電路部分主要包括：主控制器芯片、信號(hào)功率檢測(cè)部分、電源穩(wěn)壓電路以、顯示部分和USB轉(zhuǎn)串口電路。主控制器芯片采用采用STM8單片機(jī)，其具有有較高的響應(yīng)速度和豐富的外設(shè)資源。它運(yùn)行速度快，指令操作速度快，控制器主頻最高可以達(dá)到16 MHZ。STM8片內(nèi)資源較豐富，擁有大容量的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、內(nèi)部RAM以及EEPROM、可編程的串行UART接口和多路高速10位A/D轉(zhuǎn)換器等。信號(hào)功率檢測(cè)部分采用AD8362作為信號(hào)輸入檢波的電路設(shè)計(jì)。信號(hào)源輸出的阻抗為50Ω，為了信號(hào)通過(guò)功率檢測(cè)模塊時(shí)功率損耗降至最低，在功率檢測(cè)模塊輸入端采用巴倫進(jìn)行阻抗匹配。為了不影響AD8362的檢波斜率，在檢波輸出端口加上一個(gè)電壓跟隨器。電壓采集的穩(wěn)定性決定了采樣到的功率值的精確度，采樣電壓越穩(wěn)定，得到的功率值越精確。

3.2 功率檢波電路設(shè)計(jì)

AD8362是一種真有效值響應(yīng)的功率檢測(cè)器，輸入動(dòng)態(tài)范圍：-52 dBm至+8 dBm的50Ω阻抗下測(cè)量范圍大于60dB。它能滿足多種高頻通信系統(tǒng)和儀表對(duì)精確信號(hào)功率檢測(cè)的要求。可以接受具有有效值1mV到輸入到1 Vrms，峰值波峰因子為6，滿足了CDMA信號(hào)的精確測(cè)量的要求。AD8362檢波電路如圖2所示。

電源電路設(shè)計(jì)采用反接二極管D1方式，防止電源接反導(dǎo)致燒壞芯片。濾波電路采用C1、C2和LS1電感構(gòu)成π型電源濾波電路，降低電源紋波，保證電路工作的穩(wěn)定性。采用R1和D2發(fā)光二極管構(gòu)成電源指示燈。信號(hào)輸入阻抗匹配采用巴倫變壓器E1進(jìn)行匹配，以降低信號(hào)損耗和噪聲系數(shù)。為了消除前增益放大的偏移。器件內(nèi)部采用零偏移環(huán)路，其默認(rèn)高通角頻率為1MHZ，則可焊接C6，容值按200uf/f（fin） HZ計(jì)算。C11是加在平方單元輸出端的外部低通均值電容，3db低通截止頻率f=1/（C11*1.1kΩ），粗略計(jì)算為C=900uf/f（fin），容值越大濾波越充分，但會(huì)加大環(huán)路延時(shí)。Eg：F=3MHZ，C=300PF，輸入耦合電容與200Ω差分輸入阻抗共同影響輸入高通截止頻率，F(xiàn)=1/（200*π*C），f至少應(yīng)等于輸入信號(hào)頻率的十分之一。若Vout的所有信號(hào)都反饋到Vset，則輸出直線斜率為默認(rèn)值50mv/dB，但R7和R8的分壓可以改變輸出斜率，R7=R*（S/50-1），S為期望得到的斜率，R為R8與Vset的70K輸入阻抗并聯(lián)后的值，若減小VTGT的電壓，則在相同輸入信號(hào)功率的情況下，檢波輸入的電壓增大。AD8362芯片的輸入內(nèi)阻阻抗為200Ω，所以電路使用ETC1.6-4-2-3型號(hào)的巴倫變壓器，實(shí)現(xiàn)1：4的阻抗匹配變換實(shí)已達(dá)到阻抗匹配的目的。

3.3 電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

主控制器和OLED供電電壓均為3.3V。其不僅不能保證處理器的正常運(yùn)作，還能保證ADC值的穩(wěn)定輸入。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ASM1117-3.3V芯片，其三端可調(diào)或固定輸出電壓為3.3V，可輸出1A的電流。USB接口輸出+5V的電壓經(jīng)過(guò)ASM1117穩(wěn)壓芯片供給微處理器和外設(shè)模塊使用，系統(tǒng)的電源都要考慮到降低電磁干擾和濾波，經(jīng)過(guò)電容濾波后再為各個(gè)模塊供電，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定。電源的布線是一些濾波電容應(yīng)當(dāng)盡量靠近IC引腳，這樣濾波效果會(huì)更好。endprint

3.4 USB轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計(jì)

USB轉(zhuǎn)串口電路采用CH340芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。CH340正常工作時(shí)需要XI和XO引腳接入12MHZ晶振，以提供12MHZ的時(shí)鐘信號(hào)，在XI和XO引腳對(duì)地接負(fù)載電容，使得晶振振蕩頻率更準(zhǔn)確，更穩(wěn)定，負(fù)載電容取22pf大小的容值。CH340芯片的供電電壓使用5V電源時(shí)，在 V3引腳應(yīng)該外接容量為0. 1uF的電源退耦電容。CH340的D+和D-分別接到micro USB接口的D+和D-引腳處。TXD和RXD的引腳分別接到控制器的RX和TX引腳。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件流程：

主程序是整個(gè)軟件系統(tǒng)的主干，進(jìn)行的工作將各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，并聯(lián)合起各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，保證系統(tǒng)工作的有序性。軟件流程圖如圖3首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括配置系統(tǒng)工作時(shí)鐘頻率、延時(shí)函數(shù)、串口初始化和A/D配置初始化。等系統(tǒng)初始化工作。接著進(jìn)行硬件初始化工作，包括OLED液晶屏初始化，MPR121初始化等。系統(tǒng)和硬件初始化后即可對(duì)功率進(jìn)行采樣，得到的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換成功率值，再經(jīng)過(guò)修正系數(shù)得到最終功率值和幅度值，通過(guò)將液晶屏顯示出相應(yīng)的參數(shù)信息同時(shí)將信息發(fā)送到上位機(jī)顯示。同時(shí)查詢上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的串口數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)配置。

5 調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)軟硬件的調(diào)試，成功完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，得到表1的數(shù)據(jù)結(jié)果。

從測(cè)量數(shù)據(jù)分析得到，50MHZ和3000MHZ在-45dBm的數(shù)據(jù)測(cè)量中均偏小很多，即截止測(cè)量范圍在頻率的兩端較小，中間較大。圖4的數(shù)據(jù)表明了頻率與截止測(cè)量范圍的關(guān)系，在2200MHZ最大，兩頭逐漸變小。測(cè)量到的數(shù)據(jù)滿足曲線關(guān)系。圖5表明一定的頻率內(nèi)在相應(yīng)輸入功率與輸入電壓之間的關(guān)系，在-50dBm到10dBm之間幾乎呈線性趨勢(shì)，程序中采用線性函數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的功率值，其在相應(yīng)頻段內(nèi)滿足線性的趨勢(shì)，與圖4所示的關(guān)系相匹配。

由AD8362實(shí)現(xiàn)的功率計(jì)，其信號(hào)的輸入與輸出電壓的在一定范圍內(nèi)具有線性特性的，但是測(cè)量的范圍與實(shí)際數(shù)據(jù)手冊(cè)所能測(cè)量的范圍存在一定差別，原因主要有：斜率的不同導(dǎo)致輸出電壓的范圍有差異；PCB布線具有信號(hào)的衰減特性，在數(shù)據(jù)中可以看出，在輸入信號(hào)較低的功率時(shí)存在不線性，最有可能是輸入信號(hào)衰減導(dǎo)致系統(tǒng)最快達(dá)到截止功率點(diǎn)；信號(hào)接入的探頭具有衰減。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，測(cè)量范圍-45dBm～+5dBm，分辨率0.1dBm，測(cè)量誤差為±0.5 dB，測(cè)量頻率范圍1MHZ～3GHZ，但是仍存在一些不足的地方，精度不是很高，這是因?yàn)樾酒凹?jí)靈敏度高，有噪聲干擾造成的。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇國(guó)良.無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].移動(dòng)通信，2010（10）：68-70

[2]王琳，李曉峰，蔡竟業(yè)等.無(wú)線通信射頻實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9（04）：72-74

[3]Analog Devices，Inc.AD8362 Datasheet [DB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8362.pdf，2005.

作者簡(jiǎn)介

劉濤（1983-），男，湖南省永州市人。碩士研究生。現(xiàn)為桂林電子科技大學(xué)講師。研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、光通信、射頻技術(shù)。

作者單位

桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004endprint