摘? 要： 介紹了寬帶射頻信號功率對數檢測集成電路AD8318的工作原理及主要性能，提出利用其快速響應能力構建多通道峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" title="峰值功率分析儀">峰值功率分析儀" 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關鍵詞： 射頻; 峰值功率; 對數檢測
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隨著數字通信技術的發展，信號制式越來越多：從脈沖調制GSM、TDMA，偽隨機序列調制信號CDMA、WLAN，到時分同步信號TD_SCDMA、GSM_EDGE,射頻載波調制越來越復雜，相應的輸出功率電平也高速、大幅度地劇烈變化，使用通用功率計僅能測得平均功率，不足以獲知信號狀況。另外，對于雷達測距測高設備、安全調度及應答識別設備以及間歇突發發射工作的無線裝置等，測量其輸出平均功率毫無意義，而脈沖峰值功率、脈沖定時關系才是關鍵。
針對新的測試要求，專業測量儀器公司開發出峰值功率計，可測量平均功率、峰值功率，如中電集團第四十一所的AV2434、安捷倫EMP4416/4417/4418、BOONTON 4530等。功能更強大的峰值功率分析儀增加了瞬時功率檢測，可捕獲功率包絡波形，如安捷倫N1911A/N1912A、安立ML2437/ML2438、BOONTON 4500B等。這些儀器均采用主機配檢測探頭結構，選擇探頭可覆蓋到40GHz，動態范圍約55dB, N1911A采樣率高達100MS/s, BOONTON 4500B等效采樣率可達10GS/s,可滿足復雜調制信號功率檢測。
峰值功率計及峰值功率分析儀，關鍵技術是檢測出射頻信號瞬態功率，一種方法是采用檢波管檢出信號幅度，此方法輸入信號頻帶較寬，小信號響應差，處理電路復雜；另一種方法是直接對數解調輸入的射頻信號，此法一般工作頻率較低，但處理電路簡單，響應快，已有專用集成電路AD8307、AD8313、AD8318等可供選用。下文介紹使用AD8318構建峰值檢測探頭、配置處理器、顯示器等設計峰值功率分析儀方案。
1 射頻信號對數檢測芯片AD8318
1.1 基本特性
AD8318頻率范圍為1MHz～8GHz；動態范圍大于55dB；脈沖響應上升時間為12ns，下降時間為10ns；工作溫度為-40℃～+85℃；溫度穩定性為±0.5dB；功耗為68 mA@+5V。
1.2 工作原理
AD8318內部結構如圖1所示，由9級解調型對數放大器級聯構成，每級增益為8.7dB，帶寬為10.5GHz，其輸出經檢測單元變換為電流并送至電流求和電路，濾波后最終形成與輸入射頻信號電壓成對數關系的電流輸出：
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其中：ID為電路內部設定的檢測電流；VIN為輸入射頻信號電壓；VINTERCEPT 為電路交叉電壓(理想狀態時，當VIN=VINTERCEPT，求和電流應為0mA)。
當VOUT端與VSET端直接連接，電流求和電路平衡后，輸出電壓表示為：
使用功率表示為：
PIN=VOUT/VSLOP/dB+PINTERCEPT。式中，VSLOP/dB為對數變換斜率，即每分貝輸入變化對應輸出電壓變化，一般為-25mV/dB；VINTERCEPT為2.236V，對應PINTERCEPT=20dBm(阻抗50Ω）；PIN為輸入射頻信號功率(單位dBm)，實用范圍-5dBm～-60dBm。
由AD8318配置10dB輸入衰減器，構成峰值功率探頭，如圖2所示，接入+5V直流供電后，即可工作，可檢測+5dBm～-50dBm的射頻信號，轉換成0.2V～2V直流電壓輸出。電路簡單、穩定。
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2 峰值功率分析儀
如圖3所示，峰值功率分析儀由峰值功率探頭，配置12位高速模數變換器AD7274、核心控制邏輯電路EP2C5T144、微處理器LPC2136、單色320×240點陣圖形LCD顯示器、鍵盤掃描電路以及電源組成。
AD7274是串行接口的12位數模轉換芯片，與AD8318檢測探頭配合，最高采樣率可達3MS/s。選用串行接口，使得電路連接簡單，且容易擴展檢測通道數量，組成多通道峰值功率計。
FPGA EP2C5T144 構成核心控制邏輯電路，利用其內部嵌入存儲器模塊完成采樣數據存儲；AD7274采樣過程由FPGA監控，采樣串行數據由FPGA組織成12位并行數據流，進一步分組、提取峰值、觸發條件判斷；單色LCD顯示只需要(320/8)×240=9 600個8位字節顯示緩存器，由FPGA使用內嵌存儲器完成顯示緩存、控制，簡化電路布板。
LPC2136為低功耗32位ARM微處理器，配置32KB RAM、256KB Flash，利用其IAP功能可方便實現功率檢測探頭特性校準數據存儲、測量功率包絡波形存儲。FPGA 配置數據也存儲在Flash中，用于開機時FPGA 初始化，省去專用配置芯片。
2.1 峰值功率分析儀功能
分析儀射頻指標由探頭決定，在1MHz～3GHz之間,動態測量范圍在-50dBm～+5dBm之間。其他功能如下：
(1)測量通道：4通道設置，可選獨立、聯合運行方式。
(2)采樣率：恒定在2.5MS/s, 峰值采樣模式；存儲深度：250點。
(3)顯示時標：10μs/div～5s/div，1～2～5步進。
(4)幅度顯示：10dBm/div、5dBm/div、2dBm/div、1dBm/div。
(5)測量參數：最大功率、最小功率、平均功率、脈沖寬度、頻率/周期等。
(6)測量觸發：功率電平、脈沖前沿、后沿。
(7)運行模式：單次、自動、正常、掃描。
2.2 峰值功率分析儀工作原理
峰值功率分析儀的設計目的是檢測射頻信號功率電平隨時間的動態變化，可以認為就是一臺數字存儲示波器，只不過輸入模擬通道被替換成了峰值功率檢測探頭，采樣率、采樣模式、運行模式、觸發模式、顯示時基等都是完全相同的概念，可以采用同樣方法實現，不同之處在于分析儀采樣捕獲的數據，還要根據輸入射頻信號頻率進一步校準運算，得出對應射頻信號的對數功率值、對數電壓值，經指數運算后得到線性功率值、線性電壓值，再經過平均運算，得到平均功率、平均電壓值。
峰值功率分析儀能檢測出射頻信號瞬時功率值，不能直接測出平均功率（就像示波器只能測出瞬時電壓值，不能直接測出平均電壓）。通過對一個或多個完整功率包絡周期計算，能夠得出平均功率值，計算出真有效值電壓，但當功率脈沖持續時間太短（小于10個采樣點，最短約4μs）或占空比太小（約1/25）時，附加測量誤差將迅速增大。
計算過程中始終以功率為主，電壓值由功率值換算得出，以保證同一功率電平信號的測量數據以不同單位讀出時一致、準確。
2.3? 峰值功率檢測探頭的校準
? 由AD8318芯片構成檢測探頭，由于器件離散性等原因，測量結果會有差異，所以配接主機后，應首先在100MHz進行基本校準：根據VOUT=VSLOP/dB×(PIN-PINTERCEPT)，接入+5dBm穩定信號得到VOUT1=VSLOP/dB×(PIN1-PINTERCEPT)， 接入-50dBm穩定信號得到VOUT2=VSLOP/dB×(PIN2-PINTERCEPT)，解方程組，可得VSLOP/dB=(PIN1-PIN2)/(VOUT1-VOUT2)，PINTERCEPT =PIN1-VOUT1/
VSLOP/dB，記錄信號頻率值、VSLOP/dB、PINTERCEPT，完成基本校準。
當被測信號頻率大于3GHz后，探頭檢測特性變化較大，為消減測量誤差，應當在不同頻點校準，方法同基本校準。功率分析儀主機可支持256組校準數據，根據信號頻率，自動調用相應數據，或者相近頻點數據。
配置多通道時，探頭連接后，應分別校準。
2.4? 峰值功率分析儀的應用
某汽車輪胎氣壓、溫度檢測裝置，工作于433MHz ISM頻段，發射功率約+5dBm，約每2min發送1次測量數據，隨機延時約2min后，再發新的一組數據，發射時間約5ms。由于特殊的使用安裝要求，檢測裝置連同供電電池被密閉灌封，同時開始工作，每一個裝置就是一個隨機發射的脈沖源。在檢測臺，往往同時有幾十個至上百個待檢裝置，要想在如此嘈雜的環境中檢測其中的一只，則需要花費近2分鐘時間去等待和捕獲僅僅幾個毫秒的信號發射，顯然效率太低。
選用峰值功率分析儀，可以較好解決這一測試問題：4路測量通道設置為獨立工作模式，成倍提高檢測效率；觸發電平設為-15dBm，有效屏蔽了鄰近的其他裝置發射的射頻脈沖干擾；時基設為1ms/div，可以捕獲發射信號脈沖包絡細節；選擇單次觸發模式，捕獲脈沖后保持顯示，等待檢測人員判讀后更換被測件。
圖4所示為連接4個被測裝置時典型測試顯示。4通道獨立工作，通道間互不影響，各自按照本通道所設定的運行模式及觸發功率電平控制運行，相當于4臺獨立的單通道分析儀同時工作，所顯示波形之間沒有特定時間關系，各通道不同時間捕獲的波形可同時顯示。分析儀自動提取各波形的峰值功率。
分析儀測量誤差主要取決于功率探頭和校準信號源準確度。峰值功率探頭采用AD8318，單芯片完成高頻信號功率檢測、對數變換輸出，在-50～+5dBm測量范圍內，輸出穩定，對數一致性很好，連接分析儀，經校準后測量誤差小于±0.5dB。
當輸入信號功率超出測量范圍時，測量誤差迅速增加，可加接已知量值的固定衰減器，減小探頭的輸入信號功率，測量值加衰減值即得功率值，但這樣又引入了衰減器的誤差；使用大功率校準信號源，探頭連帶衰減器一起校準，可以消去衰減器誤差，保證測量精度。
功率探頭存在明顯的頻響差異，因此應在所使用的頻點處校準，或選用相近頻點的校準數據，以提高測量精度。
使用射頻信號對數檢測芯片AD8318，可以非常方便地構建寬帶峰值功率檢測探頭；結合數字采樣存儲示波器相關技術，能夠方便地設計實用多通道峰值功率分析儀。
參考文獻
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