寬頻帶幅度比和相位差測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐曉林，劉四新，屈義平

（1.沈陽航空工業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.吉林大學(xué)，吉林 長春 130000）

移動通信系統(tǒng)中需要經(jīng)常比較不同輸入信號的幅度與相位。而傳統(tǒng)測量幅度和相位差的儀器大多采用中小規(guī)模集成電路，電路復(fù)雜，適用頻率范圍窄，只能測量低頻或中頻信號且測量結(jié)果精度低。介紹一款集測量信號幅度比和相位差于一體的AD8302器件。該器件用于RF/IF幅度和相位測量的集成電路，能同時測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)2個輸入信號之間的幅度比和相位差。該器件內(nèi)部集成有2個精密匹配的對數(shù)檢波器，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度。它不僅能測量放大器、混頻器等電路的增益和相位差，而且特別適用于無線基站及測試設(shè)備的檢測。幅度測量時，兩輸入信號動態(tài)范圍為±30 dB，相位測量范圍可達(dá) 180°[1]。

1 AD8302簡介

1.1 工作原理

AD8302的幅度和相位測量原理主要基于對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮功能，通過2個精密匹配的寬帶對數(shù)檢波器測量兩輸入通道信號的幅度和相位，對數(shù)放大器能將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成分貝刻度輸出，對數(shù)放大器的輸出電壓為：

式中，VSLP為增益斜坡電壓，VIN為輸入電壓，VZ為截距電壓。

增益測 量時 ， 采 用 VINA、VINB分別 代替 VIN和 VZ，則AD8302的輸出電壓為：

式中，VINA，VINB分別為兩路輸入電壓，增益輸出電壓，VMAG與信號電平差值成比例。

相位差測量輸出電壓表達(dá)式為：

式中，Vφ代表相位差斜坡電壓，mV/（°）；φ 為每個信號的相位[2]。

1.2 AD8302的測量工作模式

AD8302主要具有測量、控制和電平比較3種工作模式，但主要功能是測量幅度和相位。AD8302輸出引腳VMAG和VPHS直接跟其反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時，AD8302的測量模式默認(rèn)為斜率和中心點(diǎn) （精確幅度測量比例系數(shù)為30 mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為l0 mV/（°）。實(shí)際上，在測量模式下，電路的工作斜率和中心點(diǎn)是可通過MSET和PSET的分壓來加以修改的。引腳Uref會有固定的基準(zhǔn)電壓1.8 V輸出。其幅度和相位測量式為：

式中，VINA，VINB分別為 A，B 兩通道的輸入信號幅度，（4）式是增益函數(shù)表達(dá)式，RFISLP代表斜率是600 mV/decade或30 mV/dB，中心點(diǎn)900 mV代表0 dB增益，-30～30 dB測量范圍覆蓋0～1.8 V的整個電壓范圍。VPHS是相位差輸出電壓值，RFIΦ代表斜率是10 mV/decade，中心點(diǎn)900 mV代表90°相位差，0°～180°的測量范圍覆蓋 1.8～0 V 的整個電壓范圍。 0°～-180°的測量范圍覆蓋相同的電壓范圍，但斜率相反。根據(jù)AD8302的相位差響應(yīng)特性曲線在 0°～-180°和在 0°～+180°時的斜率不同，即可判定兩個被測信號的相位差為正或負(fù)[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是針對雷達(dá)接收機(jī)接收的回波信號與發(fā)射源發(fā)射的高頻信號進(jìn)行測量比較，然后將比較后的幅度比與相位差的電壓值送入高速單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集后的數(shù)字信號由單片機(jī)送入PC機(jī)。發(fā)射源是由DDS輸出的步進(jìn)頻率信號，頻率為1～70 MHz，共70個頻點(diǎn)。由于AD8302的輸入信號要求在-60～0 dBm，需對發(fā)射的信號衰減后才能送到AD8302中，由于回波信號很微弱，無需衰減，可直接在發(fā)射源的功率放大電路后加一衰減電路，即由電阻組成的π型衰減電路。

2.1 寬頻帶幅度比和相位差測量系統(tǒng)電路

整個系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖1所示，將發(fā)射源發(fā)射的信號經(jīng)衰減后與回波信號分別送入AD8302的VINA，VINB兩引腳，由于AD8302測量的是發(fā)射信號與回波信號的幅度比與相位差，均是電壓值，且發(fā)射與接收共70個頻點(diǎn)，即可得到幅度比與相位差共140個電壓值，將模擬電壓值送入單片機(jī)中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于采集速度相對不高，則要求采集精度相對高一些，這里采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F系列的C8051F020單片機(jī)[3]。C8051F020是真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，內(nèi)置有9通道的可編程模擬多路選擇器（AMUX0）、可編程增益放大器 （PGA0）和12位分辨率的逐次逼近寄存器（ADC0），其最大采樣率可達(dá)100 ks/s，其轉(zhuǎn)換時鐘來源于系統(tǒng)時鐘分頻，由于內(nèi)部的模擬多路開關(guān)，采集數(shù)據(jù)時可同時采集多路不同的模擬信號，而無需外部模擬多路開關(guān)。由AD8302輸出的2路幅度比與相位差電壓值送至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于系統(tǒng)需要采集2路模擬信號，所以在編程時只應(yīng)用2路模擬輸入端口。

圖1 幅度比與相位差測量及采集系統(tǒng)電路

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

C8051F020的ADC0模擬輸入端口選擇AIN0.0與AIN0.1，ADC0的轉(zhuǎn)換方式觸發(fā)源由定時器3溢出觸發(fā)。以下給出采集控制的相應(yīng)寄存器的配置程序代碼：

ADC0的啟動轉(zhuǎn)換方式有多種，這里采用定時器3溢出啟動ADC0的轉(zhuǎn)換，ADC0采集數(shù)據(jù)采用右對齊方式。ADC0電壓基準(zhǔn)取自VREF0引腳，即采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓約為2.43 V。設(shè)置AIN0和AIN1輸入為獨(dú)立單端輸入。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由單片機(jī)的串口送至PC機(jī)內(nèi)，C8051F020具有2個串口，這里采用UART0的工作方式1，以定時器1的溢出時間函數(shù)作為波特率，采用最大波特率115 200，利用PC機(jī)超級終端接收采集后的數(shù)字信號，并將該數(shù)據(jù)保存到硬盤中。系統(tǒng)采用VB.6設(shè)計(jì)整個采集系統(tǒng)界面（圖2），并利用VB的OLE控件嵌入一個文本文件，實(shí)時保存采集到的數(shù)據(jù)，采用shell函數(shù)調(diào)用相關(guān)可執(zhí)行文件，包括單片機(jī)和串口的應(yīng)用程序[4]。

試驗(yàn)應(yīng)用AD8302測量2路相關(guān)信號的相位差與幅度比，采用標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生2路信號，其中一路作為參考信號，其初始相位為0°保持不變，另一路作為測量信號，其相位由 0°～180°變化，-180°～0°變化，在不同頻率情況下進(jìn)行測量，表1為在25 MHz頻率下，測得的相位差和幅度比。

圖2 數(shù)據(jù)采集與接收

表1 25 MHz頻率下，相位差與幅度比

4 結(jié)論

在實(shí)際測量應(yīng)用中，需要注意AD8302對輸入信號功率的限制，對于50 Ω系統(tǒng)，應(yīng)保證輸入功率在-60～0 dBm，以免輸入信號過大導(dǎo)致器件燒壞，而信號過小則不能準(zhǔn)確測量增益與相位差。AD8302內(nèi)部集成有測量幅度和相位的性能，大大簡化了幅相檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅可同時測量2路信號的增益與相位差，還可利用C8051F020單片機(jī)對增益與相位差值分時采集[5-6]。通過VB編寫數(shù)據(jù)采集與接收的界面，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)實(shí)時保存，實(shí)際應(yīng)用性強(qiáng)。

[1]曹蘭娟.基于AD8302芯片的新的幅相測量系統(tǒng)[J].電子工程師，2007（3）：6-8.

[2]沙占友，劉阿芳.基于AD8302的單片寬頻帶相位差測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2006（1）：57-60.

[3]尹 瑩，陳 南.基于AD8302的幅相測量模塊側(cè)試技術(shù)[J].無線電工程，2004（1）：59-61.

[4]沙占友.智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5]潘琢金，施國君.C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：航空航天出版社，2002.

[6]梁書豪.C8051F020 MCU在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2007，26（4）：35-37.