基于軟件校準(zhǔn)的50MHz至9GHzRF功率測量系統(tǒng)

電路功能與優(yōu)勢

本電路用于測量1 MHz至8 GHz頻率的RF功率，測量范圍約為60 dB。測量結(jié)果作為數(shù)字碼在一個12位ADC的輸出端提供，該ADC配有串行接口和集成基準(zhǔn)電壓源。RF檢波器的輸出端可與ADC實現(xiàn)無縫接口，并使用 ADC的大部分輸入范圍，而無需進(jìn)一步調(diào)整。在數(shù)字域執(zhí)行簡單的2點系統(tǒng)校準(zhǔn)。

對于1 MHz至6 GHz信號，AD8318 能保持精確的對數(shù)一致性，并能在最高8 GHz下工作。典型輸入范圍為60 dB (re: 50 Ω)，誤差小于±1 dB。AD8318的響應(yīng)時間為10 ns，能夠檢測45 MHz以上的RF突發(fā)脈沖。在整個溫度范圍內(nèi)，該器件具有極佳的對數(shù)截距穩(wěn)定性(±0.5 dB)。

通過片內(nèi)控制寄存器可將AD7887配置為單通道或雙通道工作模式。在默認(rèn)的單通道模式下，AD7887可作為只讀ADC工作，從而簡化控制邏輯。

所示數(shù)據(jù)為兩個器件在?40°C至+85°C溫度范圍內(nèi)工作的情況。

圖1. 軟件校準(zhǔn)的RF測量系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

將受測的RF信號施加于AD8318。該器件配置為所謂的“測量模式”，引腳VSET與VOUT相連。這種模式下，輸出電壓與輸入信號電平呈線性dB關(guān)系（標(biāo)稱值為?24 mV/dB），典型輸出電壓范圍為0.5 V至2.1 V。

AD8318的輸出直接連到12位ADC AD7887。該ADC使用自己的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，輸入范圍配置為0 V至2.5 V，因此LSB大小為610 μV。當(dāng)RF檢波器提供標(biāo)稱值?24 mV/dB的斜率時，數(shù)字分辨率為39.3 LSB/dB。由于分辨率如此高，因此調(diào)整來自RF檢波器的0.5 V至2.1 V信號，以便恰好符合ADC的0 V至2.5 V范圍并無多大意義。

該檢波器的傳遞函數(shù)可以近似表示為以下方程式：

其中，SLOPE 為斜率，單位mV/dB（標(biāo)稱值?24 mV/dB）；Intercept為y軸截距，單位dBm（標(biāo)稱值20 dBm）；PIN 為輸入功率，單位dBm。圖2給出了檢波器輸出電壓與輸入功率的典型關(guān)系圖。

圖2. AD8318輸出電壓與輸入信號的典型關(guān)系

在ADC的輸出端，該方程式可以表示為：

其中，SLOPE_ADC為碼數(shù)/dBm，PIN 和Intercept 均用dBm表示。圖3以輸入功率與所觀察到的ADC碼的關(guān)系顯示典型的檢波器功率掃描情況。

圖3. 輸入 = 900 MHz，ADC使用2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源

由于斜率（SLOPE）和截距（Intercept）會隨器件的不同而變化，因此需要執(zhí)行系統(tǒng)級校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方法是施加兩個接近AD8318線性輸入范圍端點的已知信號電平，然后測量ADC的相應(yīng)輸出碼。所選校準(zhǔn)點應(yīng)完全在器件的線性工作范圍以內(nèi)。

利用兩個已知輸入功率水平（PIN_1和PIN_2）及所觀察到的對應(yīng)ADC碼（CODE_1和CODE_2），便可以通過下式計算SLOPE_ADC和Intercept：

在工廠校準(zhǔn)過程中計算并存儲SLOPE_ADC和Intercept 之后（存儲在非易失性RAM中），就可以利用它們通過下式計算設(shè)備在現(xiàn)場工作時的未知輸入功率水平PIN：

請注意，用于所示數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)點在?50 dBm和?10 dBm。

另外還顯示了AD8318 RF檢波器的傳遞函數(shù)與上述方程式的差異，特別是在傳遞函數(shù)的端點處。這種差異（單位dB）可以用下式表示：

其中，CODE_OUT為ADC輸出碼；SLOPE_ADC 為所存儲的ADC斜率，單位為碼數(shù)/dBm；Intercept為所存儲的斜率；PIN_TRUE為實際輸入功率。

圖3至圖8顯示一個RF功率測量系統(tǒng)使用AD8318和 AD7887BR所能獲得的系統(tǒng)性能。圖中曲線反映的是RF輸入功率(dBm)與ADC輸出碼和輸出誤差(dBm)的關(guān)系。生成這些曲線所用的數(shù)據(jù)是在各種輸入功率電平、頻率、溫度以及使用ADC內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓源下測得的。從這些圖還可以看出：當(dāng)ADC使用低漂移外部基準(zhǔn)電壓源時，可以提高系統(tǒng)性能并降低溫度所引起的漂移。關(guān)于使用外部基準(zhǔn)電壓源的更多詳細(xì)信息，請參閱“常見變化”部分。

圖4. 輸入 = 900 MHz，ADC使用2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源



圖5. 輸入 = 1.9 GHz，ADC使用2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源



圖6. 輸入 = 1.9 GHz，ADC使用2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源



圖7. 輸入 = 2.2 GHz，ADC使用2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源


圖8. 輸入 = 2.2 GHz，ADC使用2.5 V外部基準(zhǔn)電壓源

測試設(shè)置由AD8318-EVALZ和EVAL-AD7887CBZ組成，安裝了一個AD7887BR，兩個評估板利用SMA轉(zhuǎn)SMB適配器電纜相連，然后置于TestEquity Model 107環(huán)境艙中。接下來，通過測試艙門中的插槽將一個評估控制板2 (ECB2)連接到AD7887評估板。ECB2用于提供電源，以及發(fā)送、接收、采集AD7887評估板的串行數(shù)據(jù)。ECB2并行端口連接到一臺筆記本電腦的擴(kuò)展插口。該筆記本電腦用于在ECB2上加載、運(yùn)行和查看AD7887評估軟件。

AD8318評估板所需的RF輸入信號利用Rhode Schwartz SMT-03 RF信號源產(chǎn)生。用Agilent E3631A電源為AD8318供電，并產(chǎn)生AD7887 ADC所用的外部基準(zhǔn)電壓。有關(guān)板配置的更多信息，請參考AD7887評估板原理圖。

常見變化

AD7887是一款雙通道、12位ADC，配有SPI接口。如果最終應(yīng)用只需一個通道，則可以使用12位AD7495。在需要多個ADC和DAC通道的多通道應(yīng)用中，可以使用AD7294。除提供四路12位DAC輸出外，這款子系統(tǒng)芯片還含有4個非專用ADC通道、2路高端電流檢測輸入和3個溫度傳感器。電流和溫度測量結(jié)果經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后，可通過I2C兼容接口讀取。

利用外部ADC基準(zhǔn)電壓源可以改善該電路的溫度穩(wěn)定性。AD7887的2.5 V內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源具有50 ppm/°C漂移，在125°C溫度范圍內(nèi)漂移約15 mV。檢波器的斜率為?24 mV/dB，因此該ADC基準(zhǔn)電壓漂移將為預(yù)期溫度漂移誤差貢獻(xiàn)大約±0.3 dB。在類似的溫度范圍內(nèi)，AD8318的溫度漂移約為±0.5 dB（具體取決于頻率，詳情參見AD8318數(shù)據(jù)手冊）。

如果使用外部基準(zhǔn)電壓源，建議考慮2.5 V基準(zhǔn)電壓源ADR421 。它的溫度漂移為1 ppm/°C；在?40°C至+85°C范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓變化只有312 μV，這對系統(tǒng)整體溫度穩(wěn)定性的影響可以忽略不計。.

如果動態(tài)范圍要求較低，可以使用 AD8317 (55 dB) 或AD8319 (45 dB) 對數(shù)檢波器。