便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)----功率分析儀軟件設(shè)計(jì)（一）

4.2軟件算法

4.2.1功率測(cè)量算法

根據(jù)AD8318器件的原理，其采用了對(duì)數(shù)放大器電路技術(shù)，經(jīng)過平方單元輸出的電壓值和輸入信號(hào)的功率實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)峰值測(cè)量，使測(cè)量結(jié)果基本上與波形無關(guān)。在功率計(jì)算中，關(guān)鍵部分是測(cè)量脈沖調(diào)制信號(hào)的峰值功率值。為了得到準(zhǔn)確的峰值，脈沖信號(hào)的觸發(fā)電平的選擇直接影響的峰值測(cè)量的精度。在該設(shè)計(jì)中，觸發(fā)電平的選擇采用了預(yù)采樣的原理。其思想為，在固定的小觸發(fā)電平環(huán)境下獲得粗略的峰值500個(gè)。對(duì)粗采到的峰值功率進(jìn)行排序，選擇其中的最大的前20個(gè)值進(jìn)行平均。以平均值的1/2作為實(shí)際采樣的觸發(fā)電平的大小。在粗采樣獲得觸發(fā)電平后，進(jìn)行接下來的精采樣。精采樣以粗樣采得到的觸發(fā)電平作為觸發(fā)值，同樣采到500個(gè)功率值，并以粗采得到的功率值的4/5作為門限值，去掉低的上升沿和下降沿中的信號(hào)。將得到的信號(hào)再選取其中的3/5作為最后的峰值，進(jìn)行平均為最終獲得的功率值。

此時(shí)捕捉到的峰值僅僅是A/D采樣得到的十六進(jìn)制表示的電壓值。通過此時(shí)電壓和功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合出電壓值和功率值的曲線。擬合曲線根據(jù)不同衰減擋位進(jìn)行擬合。同時(shí)為了方便用戶能夠自主調(diào)整示波顯示，如前文所述，我們?cè)谕ǖ乐欣肨LC5620向通道送入直流偏置調(diào)節(jié)，使用戶可以通過鍵盤調(diào)整顯示波形在顯示屏的位置。所以為了不影響我們對(duì)AD8318輸出電壓的測(cè)量，所以根據(jù)TLC5620電壓輸出：

其中VREF是參考電平，按前文圖解所示，VREF =2.5V;RNG為D/A輸出范圍選擇，恒為0.按照以上公式在計(jì)算功率之前先將A/D采樣得到的電壓值減掉其中直流偏置調(diào)節(jié)部分，才得到真實(shí)的信號(hào)輸入電壓值并進(jìn)入功率計(jì)算部分。

在功率測(cè)量中，我們經(jīng)常用dBm來表示功率，由于我們使用的是50歐姆的匹配網(wǎng)絡(luò)，所以，由峰值檢波出來的電壓值和dBm的轉(zhuǎn)換關(guān)系滿足下面的等式：

所以，通過等式可以以dBm的形式表示信號(hào)的功率值。

4.2.2頻率測(cè)量算法

頻率計(jì)數(shù)器程序包括兩部分，一部分是頻率計(jì)算。從計(jì)數(shù)器得到的頻率為二進(jìn)制表示的25位數(shù)。由于計(jì)數(shù)的門長是一秒。頻率記數(shù)模塊提供一個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志信號(hào)，ARM程序不斷取檢查該標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)標(biāo)志信號(hào)有效(為高)證明記數(shù)完成，再進(jìn)行實(shí)際頻率值的計(jì)算，避免出現(xiàn)記數(shù)過程與頻率計(jì)算過程時(shí)序錯(cuò)誤，造成測(cè)量值錯(cuò)誤的情況。但由于計(jì)數(shù)門長(1s)相對(duì)于FPGA其他部分動(dòng)作速度，顯得過長，為使系統(tǒng)工作效率提高，故在軟件設(shè)計(jì)中加入一個(gè)1s定時(shí)器，在測(cè)頻開始后啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)再搜索計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志信號(hào)。如果使用直接搜索標(biāo)志方式，所造成的整個(gè)系統(tǒng)暫停1s，等待標(biāo)志信號(hào)出現(xiàn)。這勢(shì)必造成功率分析儀對(duì)信號(hào)響應(yīng)緩慢，不能滿足即時(shí)響應(yīng)的要求。通過頻率計(jì)數(shù)器得到的數(shù)據(jù)通過四次讀操作將頻率值讀入存儲(chǔ)器中，通過公式

得到計(jì)數(shù)值。其中，fdata_1是計(jì)數(shù)器中的低8位字節(jié)，fdata_2是計(jì)數(shù)器中的中間8位字節(jié)，fdata_3為計(jì)數(shù)器的高8位字節(jié)，fdata_4為計(jì)數(shù)器的最高1位字節(jié)。計(jì)算得到的freq僅僅是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的結(jié)果值。由于信號(hào)在計(jì)數(shù)前經(jīng)過了預(yù)分頻，故，需要將freq乘以分頻比N得到的是最終的頻率值。

4.2.3參數(shù)測(cè)量

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)在精確測(cè)量計(jì)算射頻脈沖峰值功率的同時(shí)，要將經(jīng)檢波輸出的電壓變化曲線想示波器一樣，顯示在液晶顯示屏幕上供用戶觀測(cè)和分析。所以在參數(shù)測(cè)量部分我們很大程度上借鑒了示波器設(shè)計(jì)原理。將波形特征參數(shù)計(jì)算并且按需要把參數(shù)的值顯示于屏幕菜單顯示區(qū)，這些參數(shù)有峰峰值、平均值、有效值、周期，載波頻率以及溫度等。計(jì)算幅度類參數(shù)的基本依據(jù)是通道量程，計(jì)算時(shí)間類參數(shù)的基本依據(jù)是時(shí)基。每一個(gè)時(shí)基對(duì)應(yīng)一個(gè)控制字，例如：100ns=4，250ns=5，500ns=6就是說100ns的時(shí)基對(duì)應(yīng)的控制字是4，250ns的時(shí)基對(duì)應(yīng)的控制字是5，500ns的時(shí)基對(duì)應(yīng)的控制字是6.利用控制字的大小不同，來對(duì)端口進(jìn)行操作。

參數(shù)測(cè)量都是通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來進(jìn)行的，所以，參數(shù)測(cè)量的結(jié)果都源于在FIFO中存貯的采集到的波形數(shù)據(jù)，這就意味著，功率分析儀的設(shè)置情況對(duì)參數(shù)測(cè)量和結(jié)果會(huì)有影響，例如，如果時(shí)基速度設(shè)置得比較慢，比如說設(shè)置為1ms/格，而要對(duì)一個(gè)估計(jì)為50ns至100ns的上升沿進(jìn)行上升時(shí)間測(cè)量，那么由于采集過程中時(shí)間分辨率的限制，我們就無法測(cè)出正確的結(jié)果，為了進(jìn)行這項(xiàng)參數(shù)測(cè)量，我們應(yīng)當(dāng)把時(shí)基設(shè)置得足夠快，例如設(shè)置為50ns/格以便以足夠細(xì)的時(shí)間分辨率顯示出被測(cè)波形的上升沿。菜單參數(shù)是在250個(gè)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)中計(jì)算的。

峰峰值計(jì)算方法：由于檢波器是將射頻信號(hào)功率值轉(zhuǎn)換為電壓幅值，所以我們對(duì)顯示在液晶屏幕上的波形峰峰值的計(jì)算，實(shí)際是在計(jì)算輸入信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的功率波動(dòng)范圍。Vtop(幅度頂值)和Vbase(幅度底值)就是脈沖波形的100%和0%電平值，是脈沖參數(shù)自動(dòng)測(cè)量的核心。確定了Vtop和Vbase值，才能計(jì)算脈沖其它參數(shù)值。當(dāng)脈沖頂部和底部有嚴(yán)重失真時(shí)，頂值和底值往往很難確定。有關(guān)脈沖參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)文件推薦可用頻數(shù)密度分布統(tǒng)計(jì)平均法或密度分布眾數(shù)法確定Vtop和Vbase值。

Vtop和Vbase的頻數(shù)直方圖眾數(shù)算法。算法的基本出發(fā)點(diǎn)是做波形樣點(diǎn)幅度頻數(shù)直方圖。如圖4-5所示，直方圖縱坐標(biāo)是數(shù)字化電平，橫坐標(biāo)是數(shù)字化電平出現(xiàn)的樣點(diǎn)次數(shù)。在波形中間電平上方和下方，樣點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)最多的量化電平值就分別是Vtop和Vbase。

在記錄樣點(diǎn)數(shù)據(jù)里搜索圖3-2表示的Vmax，Vmin，等參量值。在此基礎(chǔ)上計(jì)算脈沖幅度Vpp參數(shù)，算法是套用脈沖標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)定義。但對(duì)于正弦波，波形的Vtop =Vmax，Vbase =Vmin，在實(shí)際測(cè)量過程中，不能發(fā)現(xiàn)密度分布眾數(shù)點(diǎn)，自然取Vtop =Vmax，Vbase =Vmin。這樣有，Vpp = Vmax -Vmin。

我們具體做法就是以點(diǎn)為單位計(jì)算，先比較求出點(diǎn)中的最大值和最小值，最大值和最小值之差為采樣點(diǎn)的峰峰值，這個(gè)峰峰值的數(shù)值范圍為0-255，沒有單位，這種峰峰值體現(xiàn)不出量程的信息，只有把這個(gè)有采樣點(diǎn)得到的峰峰值與當(dāng)前的量程檔位結(jié)合起來才可以表達(dá)出準(zhǔn)確的波形信息。先初始化最大值為imax=0，最小值為imin=255.然后將數(shù)據(jù)依次讀入，若讀入的數(shù)據(jù)小于初始化的最小值255，則將讀入的數(shù)據(jù)賦給最小值imin，依次用imin和讀入的新數(shù)據(jù)比較，找出最小值。最大值的尋找方法是初始化最大值為0，然后將讀入的數(shù)據(jù)賦給最大值imax，依次拿imax和讀入的新數(shù)據(jù)比較，找出最大值。最大最小值之差即為所要的峰峰值最后將V pp×幅度÷25即為所要求的峰峰值。

平均值的計(jì)算方法：在這里，我們采取誤差相對(duì)較小的計(jì)算方法即：平均值的計(jì)算是在判斷波形數(shù)據(jù)中有沒有半個(gè)以上的周期，若有，則用在半周期整數(shù)倍內(nèi)的波形數(shù)據(jù)來計(jì)算參數(shù)，否則，就用屏幕顯示的所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算。平均值的計(jì)算公式：

然后與采樣值作為零點(diǎn)的零電平進(jìn)行比較，若大于零電平認(rèn)為平均值為正，若小于零電平認(rèn)為平均值為負(fù)，最后與當(dāng)前的量程結(jié)合起來得到波形的平均值信息。即將平均值×幅度÷25即為所要求的平均值。平均值對(duì)于我們功率測(cè)量的意義是代表在顯示時(shí)間范圍內(nèi)功率變化的平均量。

有效值測(cè)量：在這里，我們有效值按下面的公式計(jì)算

x1直到xn為n個(gè)采樣點(diǎn)與零電平之間的差值，當(dāng)然也需要在判斷奇異點(diǎn)并剔除奇異點(diǎn)后，再判斷波形數(shù)據(jù)中有沒有半個(gè)以上的周期，若有，則用在半周期整數(shù)倍內(nèi)的波形數(shù)據(jù)來計(jì)算參數(shù)，否則，就用屏幕顯示的所有點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算。有這個(gè)公式得到的RMS與量程結(jié)合起來可以得到波形的有效值信息。最后將rms×幅度÷25即為所要求的有效值。

4.2.4超差現(xiàn)象及原因

一般來說，被測(cè)信號(hào)的峰峰值在屏幕上的偏轉(zhuǎn)格數(shù)應(yīng)大于5div、小于8div.當(dāng)信號(hào)偏轉(zhuǎn)高度小于1格時(shí)，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)變化大，出現(xiàn)嚴(yán)重超差現(xiàn)象。當(dāng)被測(cè)信號(hào)相對(duì)于功率分析儀測(cè)量范圍很小時(shí)，在屏幕上的偏轉(zhuǎn)高度就很小，極大的損失了儀器測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)然也損失了測(cè)量準(zhǔn)確定。8位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)共執(zhí)行8次比較，使用基準(zhǔn)電壓一次一次的逼近被測(cè)電壓，最后給出測(cè)量結(jié)果。在第一次比較時(shí)，判斷被測(cè)量處于哪一個(gè)1/2區(qū)間;第二次比較時(shí)，判斷被測(cè)量處于哪一個(gè)1/4區(qū)間……，最后一次比較時(shí)，判斷被測(cè)量處于哪一個(gè)1/256區(qū)間。因此，假設(shè)滿量程為10.24div，那么基準(zhǔn)電壓的最小可分辨電壓為40mV，滿量程的1/256.以偏轉(zhuǎn)1div為例，取樣點(diǎn)為1div的信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字化，要逐次逼近8次。在第一次比較時(shí)，5.12div與1div比較，相差太大，減碼，第二次比較時(shí)，2.56div與1div比較，仍相差太大，減碼，第三次比較時(shí)，1.28div與1div比較，還是減碼，只有第四次比較時(shí)才出現(xiàn)加碼，相當(dāng)于儀器的分辨力只有5bit.幅度域測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差的經(jīng)驗(yàn)公式，折算成相對(duì)誤差，大于3%，保證不了測(cè)試準(zhǔn)確度要求。因此，不允許被測(cè)信號(hào)的峰峰值在屏偏轉(zhuǎn)格數(shù)小于1.28div，這是為了保證測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差不大于 3.2%而提出的。