用AD8302實(shí)現(xiàn)幅相測量系統(tǒng)

摘  要： 本文介紹了用于RF/IF幅度和相位測量的新型芯片AD8302的功能及特點(diǎn)，并給出了此芯片在實(shí)際工作中的兩種典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 幅度；相位；測量

引言
AD8302是ADI公司2001年底推出的用于RF/IF幅度和相位測量的首款單片集成電路，主要由精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的幅度比和相位差。該器件將精密匹配的兩個對數(shù)檢波器集成在一塊芯片上，因而可將誤差源及相關(guān)溫度漂移減小到最低限度，幅度測量的動態(tài)范圍擴(kuò)展到60dB，而相位測量范圍可達(dá)180度。

AD8302工作原理
AD8302幅度和相位測量原理
AD8302幅度和相位測量原理是基于對數(shù)放大器具有對數(shù)壓縮的功能，一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
(1)
其中，Vin為輸入電壓，Vz為截距，VSLP為斜率。
AD8302正是利用上述原理，通過精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器來實(shí)現(xiàn)對兩輸入通道信號的幅度和相位測量，其幅度和相位測量方程式為：
(2)
(3)
其中，為A通道的輸入信號幅度，為B通道的輸入信號幅度，為斜率，為幅度比較輸出；為A通道的輸入信號相位，為B通道的輸入信號相位，為斜率，為相位比較輸出。
AD8302測量工作模式
AD8302主要有測量、控制器和電平比較器三種工作方式，但其主要的功能是測量幅度和相位。如圖1所示，當(dāng)芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接跟芯片反饋設(shè)置輸入引腳MSET和PSET相連時，芯片的測量模式將工作在默認(rèn)的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測量比例系數(shù)為：30mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為：10mV/度)。另外測量模式下，工作斜率和中心點(diǎn)可以通過引腳MSET和PSET的分壓加以修改。
在低頻條件下，幅度和相位測量方程式為：
    (4)
    (5)
  (6)
其中：PINA和PINB是功率(單位為dBm)，在指定的參考阻抗下，它們可以與VINA和VINB(單位為V)等價。對于幅度測量方程，RFISLP代表斜率為600mV/度或30mV/dB，中心點(diǎn)900mV代表0dB增益， -30dB～+30dB的增益范圍對應(yīng)于0V～1.8V的輸出電壓范圍。對于相位測量方程，RFIΦ代表斜率為10mV/度，中心點(diǎn)900mV對應(yīng)90度，0~180度的相位范圍對應(yīng)于1.8V～0V的輸出電壓范圍。默認(rèn)測量模式下的幅度和相位的理想響應(yīng)特性曲線如圖2，3所示。
典型應(yīng)用
由于AD8302將測量幅度和相位的能力集中在一塊集成電路內(nèi)，所以由它構(gòu)成的系統(tǒng)能精確判斷信號的純度，并對系統(tǒng)性能水平進(jìn)行精確監(jiān)測和校準(zhǔn)。目前它可以廣泛應(yīng)用于RF/IF功率放大器線性比的測量、RF功率的精確控制、遠(yuǎn)程系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷等方面，下面介紹兩種典型的應(yīng)用。
AD8302測量放大器或混頻器的插入損耗和相位
AD8302最基本的應(yīng)用是監(jiān)測諸如放大器、混頻器等電路的幅度和相位的響應(yīng)特性。如圖4所示，通過定向耦合器DCB或DCA耦合取樣黑匣子的輸入和輸出信號，衰減器ATTENA和ATTENB的作用是使定向耦合器耦合取樣的信號幅度低于AD8302輸入信號幅度的動態(tài)范圍。通過對AD8302動態(tài)范圍的討論，對于50歐姆系統(tǒng)而言，其兩通道最佳點(diǎn)位于POPT=-30dBm處，為了達(dá)到最佳點(diǎn)，耦合系數(shù)和衰減因子由下式可得：
(7)
(8)
其中，和為耦合系數(shù)，LA和LB為衰減因子，GAINNOM為放大器額定增益。
AD8302測量對任意負(fù)載的矢量反射系數(shù)
AD8302還可以用于測量相對于某一負(fù)載的入射信號和反射信號之間的幅度比和相位差。如圖5所示，矢量反射系數(shù)定義為：
=反射電壓/入射電壓= (9)
其中，為負(fù)載復(fù)阻抗，為系統(tǒng)特性阻抗。精確的矢量反射系數(shù)可以用來計(jì)算阻抗失配水平，在監(jiān)測諸如天線等變化負(fù)載阻抗的應(yīng)用中是非常有用的。因?yàn)樽兓呢?fù)載阻抗能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的降低甚至?xí)鹣到y(tǒng)物理損壞，因此實(shí)時監(jiān)測變化負(fù)載阻抗的矢量反射系數(shù)將是十分有意義的。為達(dá)到最佳工作狀態(tài)，耦合系數(shù)和衰減因子由下式可得：
(10)
(11)
其中 為額定的反射系數(shù)(dB)。

結(jié)語
AD8302能將測量幅度和相位的能力集中在一塊集成電路內(nèi)，使原本十分復(fù)雜的幅相檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大簡化，而且系統(tǒng)性能得到極大提高。據(jù)此設(shè)計(jì)的三路幅相檢測電路已成功應(yīng)用于交流三相電的實(shí)時幅相監(jiān)控系統(tǒng)中，新系統(tǒng)幅相檢測的精度大大高于原系統(tǒng)幅相檢測的精度，并且新系統(tǒng)的可靠性能得到很大的提高。■

參考文獻(xiàn)
1 Analog Devices. AD8302 Data sheet. 2001
2方林海, 盛宗寅.《電子測量和儀表》. EEI.  1986
3張是勉,關(guān)山.《自動檢測系統(tǒng)實(shí)踐》.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.1990

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