基于AD8302芯片的新的幅相測(cè)量系統(tǒng)

引言

傳統(tǒng)的幅度、相位差、阻抗測(cè)量需要采用多個(gè)中小規(guī)模集成電路，不僅電路復(fù)雜，測(cè)量精度低，而且適用的頻率范圍窄，只能測(cè)量低頻或中頻信號(hào)。本文介紹利用美國(guó)ADI公司最近推出的AD8302芯片測(cè)量RF／IF幅度和相位差并計(jì)算阻抗。此芯片是測(cè)量幅度、相位差的首款單片集成電路，可廣泛用于GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))，電力系統(tǒng)的阻波器、結(jié)合濾波器等領(lǐng)域。

1 AD8302性能特點(diǎn)

AD8302內(nèi)含兩個(gè)精密匹配寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等，能同時(shí)測(cè)量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)的兩個(gè)輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差。該器件將精密匹配的兩個(gè)對(duì)數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度，因此，AD8302不僅能測(cè)量放大器、混頻器等電路的增益和相位差，而且特別適合對(duì)無(wú)線基站及測(cè)試設(shè)備的檢測(cè)。

兩個(gè)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為±30 dB，輸出電平的靈敏度為30 mV／dB，輸出電流為8mA，轉(zhuǎn)換速率為25 V／μs；相位測(cè)量范圍可達(dá)180°，相位輸出時(shí)的轉(zhuǎn)換速率為30 MHz，響應(yīng)時(shí)問(wèn)為40 ns～500 ns(視被測(cè)相位差而定)；增益及相位差的小信號(hào)包絡(luò)帶寬均為30 MHz(將MFLT端開路)，利用外部濾波電容器可減小帶寬。

2 AD8302工作原理及模式

2.1 AD8302幅度和相位測(cè)量原理

AD8302幅度和相位測(cè)量工作模式連接如圖1所示。其原理是基于對(duì)數(shù)放大器具有對(duì)數(shù)壓縮的功能，一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Vin為輸入電壓；VZ為截距；Valp為斜率。

AD8302正是利用上述原理，通過(guò)精密匹配的2個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)輸入通道信號(hào)的幅度和相位測(cè)量，其幅度和相位測(cè)量方程式為：

式中：VinA為A通道的輸入信號(hào)幅度；VinB為B通道的輸入信號(hào)幅度；Vmag為幅度比較輸出；φ(VinA)為A通道的輸入信號(hào)相位；φ(VinB)為B通道的輸入信號(hào)相位；Vφ為斜率；Vphs為相位比較輸出。

2.2 AD8302測(cè)量工作模式

AD8302有測(cè)量、控制器和電平比較器3種工作方式，但主要功能是測(cè)量幅度和相位。如圖1所示，當(dāng)芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接與芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測(cè)量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測(cè)量比例系數(shù)為30 mV／dB，精確相位測(cè)量比例系數(shù)為10 mV／(°))。另外，在測(cè)量模式下，工作斜率和中心點(diǎn)可以通過(guò)引腳MSET和PSET的分壓加以修改。

在低頻條件下，幅度和相位測(cè)量方程式為：

式中：PinA和PinB為功率(單位為dBm)，在指定的參考阻抗下，它們可以與VinA和VinB(單位為V)等價(jià)。

對(duì)于幅度測(cè)量方程，RfIslp代表斜率為600 mV／(°)或30 mV／dB，中心點(diǎn)900 mV代表0 dB增益，-30 dB～+30 dB增益范圍對(duì)應(yīng)0 V～1.8 V輸出電壓范圍。對(duì)于相位測(cè)量方程，RfIφ代表斜率為10 mV(°)，中心點(diǎn)900mV對(duì)應(yīng)90°，0°～180°的相位范圍對(duì)應(yīng)1.8 V～0 V的輸出電壓范圍。默認(rèn)測(cè)量模式下的幅度和相位的理想響應(yīng)特性曲線如圖2、圖3所示。

3 AD8302典型應(yīng)用

由于AD8302將測(cè)量幅度和相位的能力集中在一塊集成電路內(nèi)，所以由它構(gòu)成的系統(tǒng)能精確判斷信號(hào)的純度，并對(duì)系統(tǒng)性能水平進(jìn)行精密監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)。目前可以廣泛應(yīng)用于RF／IF功率放大器線性比的測(cè)量，下面介紹典型的應(yīng)用。

3.1 測(cè)量放大器或混頻器的插人損耗和相位

AD8302最基本的應(yīng)用是監(jiān)測(cè)諸如放大器、混頻器等電路的幅度和相位響應(yīng)特性。如圖4所示，通過(guò)定向耦合器DCB或DCA耦合取樣黑匣的輸入和輸出信號(hào)，衰減器ATTENA和ATTENB的作用是使耦合器耦合取樣的信號(hào)幅度低于AD8302輸入信號(hào)幅度的動(dòng)態(tài)范圍。通過(guò)對(duì)AD8302動(dòng)態(tài)范圍的討論，對(duì)于50 Ω系統(tǒng)而言，其兩通道點(diǎn)位于POPT=30 dBm處，為了達(dá)到最佳點(diǎn)，耦合系數(shù)和衰減因子可由下式得到：

式中：Ca和Cb為耦合系數(shù)；La和Lb為衰減因子；Gnom為放大器額定增益。

3.2 測(cè)量電力阻波器的阻抗(Rh、Xb、Zb)參數(shù)

電力阻波器一般由電感型式的主線圈、調(diào)諧裝置以及保護(hù)元件組成，串接在高壓輸電線中，經(jīng)適當(dāng)調(diào)諧，對(duì)載波頻帶(40 kHz～500 kHz)呈現(xiàn)較高阻抗，而工頻阻抗可忽略不計(jì)，用來(lái)限制電力系統(tǒng)分支點(diǎn)載波功率的損失。

電力阻波器測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖見圖5，用DDS(直接數(shù)字合成器)AD9850作為信號(hào)源，被測(cè)信號(hào)Ui經(jīng)輸入接口電路送至AD8302的A通道和B通道，AD8302測(cè)出的幅度、相位再經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后給S3C44B0主控制器，主控制器換算后發(fā)給采色LCD(液晶顯示器)，直接顯示被測(cè)幅度、相位差及測(cè)試時(shí)間，測(cè)量誤差小于1％，并保存到M48T37帶日歷時(shí)鐘存儲(chǔ)器中。

阻抗測(cè)量接口電路見圖6，其中：U0為測(cè)試信號(hào)源；R0為信號(hào)源內(nèi)阻；N1、N4為跟隨器；N3為反相器；N2和R為組成電流／電壓轉(zhuǎn)換器。

ZX是被測(cè)阻抗，A通道和B通道同時(shí)測(cè)量ZX兩端的電壓和流經(jīng)ZX的電流。根據(jù)復(fù)數(shù)運(yùn)算規(guī)則可寫出如下表達(dá)式：

阻塞電阻、電抗分量和阻塞阻抗分別為：

式中，R為已知值，AD8302同時(shí)測(cè)量2個(gè)輸入信號(hào)的幅度比VinA／VinB以及相位差φ，就可計(jì)算出Rb、Xb和Zb的值。

根據(jù)相位測(cè)量方程和響應(yīng)曲線可知，相位比較輸出Vphs只與2個(gè)信號(hào)相位差的絕對(duì)值有關(guān)，因此無(wú)法判定電抗分量的符號(hào)。由于測(cè)試信號(hào)源采用DDS，可實(shí)現(xiàn)快速編程和跳頻，采取f+△f的測(cè)量方法，來(lái)判定電抗分量的符號(hào)，即感性還是容性分量。

4 結(jié)束語(yǔ)

AD8302能將測(cè)量幅度和相位的能力集中在一塊集成電路內(nèi)，使原本十分復(fù)雜的幅相檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，而且系統(tǒng)性能得到極大提高。據(jù)此設(shè)計(jì)的電力阻波器、結(jié)合濾波器自動(dòng)測(cè)試儀，由于體積小、重量輕、測(cè)試準(zhǔn)確、耗電省，給現(xiàn)場(chǎng)檢修測(cè)試帶來(lái)了極大方便，并且系統(tǒng)的可靠性很高。