寬帶射頻檢波功率計的設計

摘 要 本系統實現-45dBm～+5dBm的3GHZ射頻信號的常用功率檢測。射頻信號經過巴倫變壓器進行信號阻抗匹配后經過檢波芯片后進行信號的調理、低噪聲放大濾波后輸出直流信號，使用LMV321運放對直流信號的電壓跟隨，以增強信號輸出的穩定性，再用STM8內部10位A/D轉換器對功率劍波器輸出直流電壓進行A/D轉換，將A/D轉換后的數據進行計算功率值和幅度值并顯示在OLED液晶屏上。同時上位機可進行對當前功率值和幅度值實時顯示和頻率、修正參數的設置。經試驗測試，該功率計測量范圍-45dBm～+5dBm，分辨率0.1dBm，測量誤差為±0.5 dB，測量頻率范圍1MHZ～3GHZ。

【關鍵詞】STM8單片機 ADC 功率計 AD8362

1 引言

射頻信號的重要表示方法之一就是功率，確定微波振蕩源的輸出功率、接收機的靈敏度、電子元器件的性能測試和無線網絡的衰減等都離不開微波功率的測量。射頻功率計一般由功率傳感器和顯示器兩部分構成，按照連接方法分類有兩種射頻功率計，分別是終端式和通過式，終端式的負載為功率計探頭，吸收全部入射功率，直接顯示功率值，但是不能測量大功率，上限為+25dBm，下限為-90dBm，用于測試小信號。通過式則是利用耦合裝置將待測功率按比例耦合出部分進行有效測量具有大功率測量能力，總功率等于測量值乘以耦合系數。因此終端式和通過式功率計被應用于不同的領域，一般終端式功率計被應用于射頻信號的測量，而通過式功率計應用于大功率設備的功率測量。隨著通信領域的不斷發展，射頻信號的測量顯得尤為重要，因此設計一款精度較高、頻段可以調整、抗干擾強的便攜式射頻功率計顯得更加適應當今市場需求。

2 功率計的工作原理和設計方案

本系統將待測輸入信號經過輸入阻抗匹配后送入到功率檢波芯片，功率檢波電路將輸入信號的功率轉換成相應的直流信號輸出，再通過A/D進行電壓采集，為了使得前、后級電路之間互不影響，在檢波芯片輸出直流信號和A/D之間加上電壓跟隨器。主控制器芯片將采集到的電壓值和對應的頻率值來計算出當前相應頻率下的功率值大小。頻率值和修正值采用按鍵輸入方式實現改變，液晶屏顯示相應信息。系統還要實現上位機的實時顯示和參數修改的功能，系統框圖如圖1所示。

功率計的測量精度主要受開關、放大電路、AD采樣及檢波器等硬件電路和數據處理計算機程序處理等軟件部分的雙重影響。其中檢波電路的性能影響較大，是功率檢測的關鍵部分。為了實現信號源在不同頻段，不同功率值下的準確測量，采用不同的對數寬帶檢波器。

3 硬件實現

3.1 硬件實現整體介紹

系統的模擬硬件電路部分主要包括：主控制器芯片、信號功率檢測部分、電源穩壓電路以、顯示部分和USB轉串口電路。主控制器芯片采用采用STM8單片機，其具有有較高的響應速度和豐富的外設資源。它運行速度快，指令操作速度快，控制器主頻最高可以達到16 MHZ。STM8片內資源較豐富，擁有大容量的系統內可編程Flash、內部RAM以及EEPROM、可編程的串行UART接口和多路高速10位A/D轉換器等。信號功率檢測部分采用AD8362作為信號輸入檢波的電路設計。信號源輸出的阻抗為50Ω，為了信號通過功率檢測模塊時功率損耗降至最低，在功率檢測模塊輸入端采用巴倫進行阻抗匹配。為了不影響AD8362的檢波斜率，在檢波輸出端口加上一個電壓跟隨器。電壓采集的穩定性決定了采樣到的功率值的精確度，采樣電壓越穩定，得到的功率值越精確。

3.2 功率檢波電路設計

AD8362是一種真有效值響應的功率檢測器，輸入動態范圍：-52 dBm至+8 dBm的50Ω阻抗下測量范圍大于60dB。它能滿足多種高頻通信系統和儀表對精確信號功率檢測的要求?？梢越邮芫哂杏行е?mV到輸入到1 Vrms，峰值波峰因子為6，滿足了CDMA信號的精確測量的要求。AD8362檢波電路如圖2所示。

電源電路設計采用反接二極管D1方式，防止電源接反導致燒壞芯片。濾波電路采用C1、C2和LS1電感構成π型電源濾波電路，降低電源紋波，保證電路工作的穩定性。采用R1和D2發光二極管構成電源指示燈。信號輸入阻抗匹配采用巴倫變壓器E1進行匹配，以降低信號損耗和噪聲系數。為了消除前增益放大的偏移。器件內部采用零偏移環路，其默認高通角頻率為1MHZ，則可焊接C6，容值按200uf/f（fin） HZ計算。C11是加在平方單元輸出端的外部低通均值電容，3db低通截止頻率f=1/（C11*1.1kΩ），粗略計算為C=900uf/f（fin），容值越大濾波越充分，但會加大環路延時。Eg：F=3MHZ，C=300PF，輸入耦合電容與200Ω差分輸入阻抗共同影響輸入高通截止頻率，F=1/（200*π*C），f至少應等于輸入信號頻率的十分之一。若Vout的所有信號都反饋到Vset，則輸出直線斜率為默認值50mv/dB，但R7和R8的分壓可以改變輸出斜率，R7=R*（S/50-1），S為期望得到的斜率，R為R8與Vset的70K輸入阻抗并聯后的值，若減小VTGT的電壓，則在相同輸入信號功率的情況下，檢波輸入的電壓增大。AD8362芯片的輸入內阻阻抗為200Ω，所以電路使用ETC1.6-4-2-3型號的巴倫變壓器，實現1：4的阻抗匹配變換實已達到阻抗匹配的目的。

3.3 電源穩壓電路設計

主控制器和OLED供電電壓均為3.3V。其不僅不能保證處理器的正常運作，還能保證ADC值的穩定輸入。本系統設計采用ASM1117-3.3V芯片，其三端可調或固定輸出電壓為3.3V，可輸出1A的電流。USB接口輸出+5V的電壓經過ASM1117穩壓芯片供給微處理器和外設模塊使用，系統的電源都要考慮到降低電磁干擾和濾波，經過電容濾波后再為各個模塊供電，保證系統工作的穩定。電源的布線是一些濾波電容應當盡量靠近IC引腳，這樣濾波效果會更好。endprint

3.4 USB轉串口電路設計

USB轉串口電路采用CH340芯片來實現。CH340正常工作時需要XI和XO引腳接入12MHZ晶振，以提供12MHZ的時鐘信號，在XI和XO引腳對地接負載電容，使得晶振振蕩頻率更準確，更穩定，負載電容取22pf大小的容值。CH340芯片的供電電壓使用5V電源時，在 V3引腳應該外接容量為0. 1uF的電源退耦電容。CH340的D+和D-分別接到micro USB接口的D+和D-引腳處。TXD和RXD的引腳分別接到控制器的RX和TX引腳。

4 軟件設計

軟件流程：

主程序是整個軟件系統的主干，進行的工作將各個模塊進行初始化，并聯合起各個模塊協調工作，保證系統工作的有序性。軟件流程圖如圖3首先進行系統初始化，包括配置系統工作時鐘頻率、延時函數、串口初始化和A/D配置初始化。等系統初始化工作。接著進行硬件初始化工作，包括OLED液晶屏初始化，MPR121初始化等。系統和硬件初始化后即可對功率進行采樣，得到的電壓值進行轉換成功率值，再經過修正系數得到最終功率值和幅度值，通過將液晶屏顯示出相應的參數信息同時將信息發送到上位機顯示。同時查詢上位機發送過來的串口數據，根據數據設置相應的參數配置。

5 調試結果

經過軟硬件的調試，成功完成系統設計，得到表1的數據結果。

從測量數據分析得到，50MHZ和3000MHZ在-45dBm的數據測量中均偏小很多，即截止測量范圍在頻率的兩端較小，中間較大。圖4的數據表明了頻率與截止測量范圍的關系，在2200MHZ最大，兩頭逐漸變小。測量到的數據滿足曲線關系。圖5表明一定的頻率內在相應輸入功率與輸入電壓之間的關系，在-50dBm到10dBm之間幾乎呈線性趨勢，程序中采用線性函數計算出相應的功率值，其在相應頻段內滿足線性的趨勢，與圖4所示的關系相匹配。

由AD8362實現的功率計，其信號的輸入與輸出電壓的在一定范圍內具有線性特性的，但是測量的范圍與實際數據手冊所能測量的范圍存在一定差別，原因主要有：斜率的不同導致輸出電壓的范圍有差異；PCB布線具有信號的衰減特性，在數據中可以看出，在輸入信號較低的功率時存在不線性，最有可能是輸入信號衰減導致系統最快達到截止功率點；信號接入的探頭具有衰減。

6 結束語

本系統具有簡單、成本低、實用性強等特點，測量范圍-45dBm～+5dBm，分辨率0.1dBm，測量誤差為±0.5 dB，測量頻率范圍1MHZ～3GHZ，但是仍存在一些不足的地方，精度不是很高，這是因為芯片前級靈敏度高，有噪聲干擾造成的。

參考文獻

[1]蘇國良.無線通信技術發展趨勢[J].移動通信，2010（10）：68-70

[2]王琳，李曉峰，蔡竟業等.無線通信射頻實驗平臺的建設[J].實驗科學與技術，2011，9（04）：72-74

[3]Analog Devices，Inc.AD8362 Datasheet [DB/OL].http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8362.pdf，2005.

作者簡介

劉濤（1983-），男，湖南省永州市人。碩士研究生?，F為桂林電子科技大學講師。研究方向為無線通信、光通信、射頻技術。

作者單位

桂林電子科技大學信息與通信學院 廣西壯族自治區桂林市 541004endprint