一種信號發(fā)生器穩(wěn)幅環(huán)路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

       Design and Implementation of a Signal Generator Amplitude Stabilization Loop

　　鐵奎 田元瑣

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 安徽 蚌埠233010)

       摘要：針對信號發(fā)生器中功率控制的需求，采用理論推導(dǎo)的方法得到閉環(huán)穩(wěn)幅環(huán)路的理論依據(jù)并設(shè)計(jì)了閉環(huán)穩(wěn)幅環(huán)路的電路原理，逐一實(shí)現(xiàn)檢波器的功率-電壓轉(zhuǎn)換，環(huán)路數(shù)字化運(yùn)算的誤差積分和環(huán)路狀態(tài)控制，功準(zhǔn)確度和頻率響應(yīng)的校準(zhǔn)，最后通過實(shí)際測量驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。
　　關(guān)鍵詞：穩(wěn)幅環(huán)路；開閉環(huán)；檢波器；校準(zhǔn)

       中圖分類號：TN911.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

       基金名稱：國家科技重大專項(xiàng)2018ZX03001026

       1 引言

       信號發(fā)生裝置中功率控制必不可少，一般情況下功率大小的輸出是通過小步進(jìn)電調(diào)衰減器與大步進(jìn)程控衰減器結(jié)合使用來實(shí)現(xiàn)功率的大動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整。功率控制除了調(diào)整輸出信號功率大小之外，還有保持信號輸出功率穩(wěn)定度的需求，因此在小步進(jìn)電調(diào)衰減器的控制過程中根據(jù)是否將輸出功率反饋給電壓調(diào)整電路分為開環(huán)與閉環(huán)，大多數(shù)的信號源都具備閉環(huán)穩(wěn)幅功能，從而保證信號的輸出功率不會因輸入功率的微小變化或有源器件增益隨工作溫度變化造成的偏差而受到較大影響。

　　2 閉環(huán)穩(wěn)幅環(huán)路的原理

       閉環(huán)穩(wěn)幅具備穩(wěn)定輸出功率的作用，其控制電調(diào)衰減器的衰減量一定與輸出端檢測的功率大小成正相關(guān)性，也就是輸出端耦合的功率越大，其通過閉環(huán)穩(wěn)幅環(huán)路調(diào)整電調(diào)衰減器的衰減量越大，從而使得輸出功率減小，是一個(gè)負(fù)反饋的過程。其電路原理如圖1所示。
　　輸出信號經(jīng)過定向耦合、檢波后得到電壓輸出信號經(jīng)過定向耦合、檢波后得到電壓Vdfalse，檢波電壓與參考電壓比較后得到的差值再進(jìn)行積分得到Vi false

      積分電壓與參考電壓求和后得到電調(diào)衰減器的控制電壓Vc false

       假設(shè)檢波功率P_outfalse越大，檢波電壓V_dfalse越大；V_cfalse越大，電調(diào)衰減器的衰減越大，即信號輸出功率P_outfalse越小。此時(shí)若有某種不可控因素導(dǎo)致信號輸出功率P_outfalse變大，那么V_dfalse變大，△V=V_d-V_reffalse也變大導(dǎo)致V_c false變大，從而使得P_outfalse變小，這樣穩(wěn)幅環(huán)路便可以達(dá)到某種動(dòng)態(tài)平衡。從上述過程可以看出只要△Vfalse不為零，環(huán)路就一直在調(diào)整，直到△Vfalse趨于零為止，也就是V_dfalse無限趨近于V_reffalse。只要V_reffalse不變，任何其他原因?qū)е螺敵龉β首兓瘡亩?em>V_dfalse產(chǎn)生變化的過程，只要在環(huán)路調(diào)整范圍之內(nèi)，都可通過動(dòng)態(tài)調(diào)整最終平衡到V_dfalse無限趨近于V_reffalse的狀態(tài)，即V_dfalse幾乎保持不變，同樣輸出功率P_outfalse也幾乎保持不變。

       3 閉環(huán)穩(wěn)幅環(huán)路的設(shè)計(jì)
       3.1 穩(wěn)幅環(huán)路原理設(shè)計(jì)
       為了便于環(huán)路的控制，我們設(shè)計(jì)采用了數(shù)字穩(wěn)幅環(huán)路，主要是將環(huán)路積分、參考電壓設(shè)置和環(huán)路工作狀態(tài)由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)點(diǎn)在于可以對環(huán)路的開閉環(huán)狀態(tài)及取樣保持根據(jù)時(shí)間要求動(dòng)態(tài)調(diào)整，尤其對于通信類的脈沖信號可以讓開閉環(huán)狀態(tài)與時(shí)隙同步，這樣就避免了脈沖信號造成環(huán)路失鎖，其電路設(shè)計(jì)如圖2。輸出功率通過定向耦合器進(jìn)入檢波電路得到檢波電壓，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換數(shù)字化后導(dǎo)入FPGA進(jìn)行誤差比較、積分及與參考電壓的求和計(jì)算得到電壓控制字，最后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換成模擬電壓控制電調(diào)衰減器的衰減程度。
       3.2 檢波電路的設(shè)計(jì)
在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)過程中，檢波器采用AD8318對數(shù)檢波器，其主要電路設(shè)計(jì)如圖3所示。其工作頻率范圍1MHz～8GHz；準(zhǔn)確度±1dB（55dB范圍）；溫度穩(wěn)定性±0.5dB；對數(shù)斜坡-25mV/dB；脈沖響應(yīng)時(shí)間10/12ns；集成溫度探頭2mV/K；5V@68mA；封裝LFCSP4mm×4mm；噪聲功率-68dBm；最佳線性范圍-50～-10dBm；芯片工作在控制模式時(shí)，配置如下。

      ENBL：高使能，低休眠；

      INHI、INLO：1MHz～8GHz建議耦合電容0402型1nF，外跨接52.3Ω匹配電阻；

      VOUT：內(nèi)部PNP射極跟隨輸出

      VSET：設(shè)置參考電壓；

      TADJ：輸出電壓溫度補(bǔ)償，常態(tài)配接500Ω對地電阻，隨頻率改變；
      TEMP：溫度傳感器輸出2mV/℃，27℃時(shí)為600mV；
      CFLT：對地連接參考電容，對環(huán)路不平衡時(shí)的誤差積分；
      檢波器輸出電壓與檢波功率、頻率對應(yīng)關(guān)系如表1。

      3.3 FPGA的設(shè)計(jì)
      FPGA內(nèi)部電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程中，參考電壓V_reffalse首先要根據(jù)檢波的頻率不同疊加一個(gè)頻響補(bǔ)償電壓V_ffalse（不同的頻率在同一功率下檢波電壓不同），檢波電壓V_dfalse與補(bǔ)償電壓V_ffalse求和后得到預(yù)置功率電壓V_pfalse，并在積分電壓輸出前增加了環(huán)路狀態(tài)控制電路。

       在閉環(huán)狀態(tài)下，電調(diào)衰減器控制電壓V_cfalse，由V_reffalse、V_ffalse和Vi false共同作用，即

       在開環(huán)狀態(tài)下，電調(diào)衰減器控制電壓V_cfalse由V_reffalse和V_ffalse共同作用，即

       在取樣保持狀態(tài)下，電調(diào)衰減器控制電壓，由V_reffalse、V_ffalse和Vi false的上一次的輸出結(jié)果共同作用，此時(shí)檢波電壓V_dfalse不再參與反饋，積分電路停止工作，保持上一次的電壓輸出結(jié)果不變，即

       穩(wěn)幅環(huán)路FPGA設(shè)計(jì)核心代碼如下：

process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
acc_en_1<=adc_epy;
acc_en<=acc_en_1;
end if;
end process;
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’

then
ad_acc_start_1 <= ad_acc_start;
ad_acc_start_2 <= ad_acc_start_1;
end if;
end process;
ad_acc_start_3 <= (not ad_acc_start_2) and ad_
acc_start_1;
ad_acc_start_4 <= (not ad_acc_start_1) and ad_
acc_start_2;
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
if cw_EN = ‘0’ then
cw_win_stage<=’0’;

loop_en <= ‘0’;
loop_counter <= x”000”;
else
if loop_switch = ‘0’ then
loop_en <= ‘1’;
else
if ad_acc_start_3 = ‘1’ then
loop_en <= ‘1’;
loop_counter <= x”000”;
else
if qt_en_12 = ‘1’ then
if loop_counter = x”1ff” then ---x”190” then
loop_en <= ‘0’;
loop_counter <= loop_counter;
else

loop_counter <= loop_counter + ‘1’;
end if;
else
loop_en <= loop_en;
loop_counter <= loop_counter;
end if;
end if;
end if;
if ad_acc_start_3 =’1’ then
cw_win_stage<=’1’;
elsif ad_acc_start_4 =’1’ then
cw_win_stage<=’0’;
else
cw_win_stage<=cw_win_stage;
end if;
end if;
end if;
end process;

　　3.4 功率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)

       功率校準(zhǔn)的目的就是建立參考電壓與輸出功率之間的映射表，通過預(yù)期輸出功率可以快速查到對應(yīng)的參考電壓設(shè)置。校準(zhǔn)是在穩(wěn)幅環(huán)路開環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行，其過程如下：對參考電壓控制字從小到大開始遍歷設(shè)置，然后會得到相對應(yīng)的輸出功率，保存電壓控制字，最后得到一個(gè)功率校準(zhǔn)表，也就是參考電壓與實(shí)際功率輸出的映射關(guān)系。在最大與最小輸出功率之間沒有得到相應(yīng)的功率控制字時(shí)，可通過線性擬合的方法計(jì)算得到。因此功率輸出準(zhǔn)確度與映射表格容量有關(guān)，映射關(guān)系越精細(xì)，功率控制越準(zhǔn)確。
　　3.5 頻率響應(yīng)的校準(zhǔn)

       由于射頻通道的頻響特性會造成同樣的信號由于頻率不同而通道增益不同，因此需要對輸出同樣功率的信號，由于通道增益不同帶來的電調(diào)衰減器衰減差別進(jìn)行校準(zhǔn)，即針對同樣輸出功率由于頻率不同，調(diào)整控制電壓，用不同的電調(diào)衰減器衰減來補(bǔ)償通道頻響，校準(zhǔn)過程如下：將信號輸出功率設(shè)定為某一固定值，在信號輸出頻率范圍內(nèi)以固定頻率步進(jìn)遍歷輸出，測量實(shí)際輸出信號的功率大小，實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出功率的差值即為需要補(bǔ)償?shù)念l響功率。校準(zhǔn)完成后可得到一張信號輸出頻率與需要補(bǔ)償功率的映射關(guān)系表。在最小與最大輸出頻率之間，沒有遍歷到的頻率點(diǎn)，可通過線性擬合的方法得到。同樣射頻通道頻響性能與頻響校準(zhǔn)映射表的容量有關(guān)，頻率遍歷步進(jìn)越小、映射表格越大，射頻通道頻響特性越好。
　　4 測試結(jié)果

       圖5-7為閉環(huán)穩(wěn)幅頻率設(shè)置為2GHz，功率分別設(shè)置為10dBm、0dBm、-10dBm時(shí)實(shí)測值，可以看出目標(biāo)輸出功率與實(shí)測功率誤差極小。

       圖8-10為閉環(huán)穩(wěn)幅時(shí)功率設(shè)置為5 dBm，頻率分別設(shè)置為1GHz、1.5GHz、2GHz時(shí)實(shí)測的功率值，可以看出功率隨頻率變化波動(dòng)極小。

　　5 結(jié)束語

       穩(wěn)幅環(huán)路狀態(tài)有閉環(huán)、開環(huán)與保持三種狀態(tài)，一般根據(jù)實(shí)際工作條件進(jìn)行選擇。閉環(huán)穩(wěn)幅環(huán)路功率穩(wěn)定性最好，但由于是負(fù)反饋電路，若有輸入信號帶有脈沖調(diào)制，有可能導(dǎo)致環(huán)路失鎖，此時(shí)環(huán)路應(yīng)切換為保持或開環(huán)狀態(tài)；若穩(wěn)幅閉環(huán)中要加入調(diào)幅信號，那么環(huán)路帶寬要隨著調(diào)制頻率的大小而調(diào)整。在實(shí)際電路中，一般連續(xù)波或模擬調(diào)制會在閉環(huán)狀態(tài)；普通數(shù)字調(diào)制，碼元速率較小時(shí)需開環(huán)或保持，碼元速率較大時(shí)可以閉環(huán)但可能會影響信號質(zhì)量；通信信號如LTE、WCDMA等則需要穩(wěn)幅環(huán)路在開環(huán)或保持狀態(tài)。

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      作者簡介
      鐵奎：1981年生，男，安徽淮南，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信測試技術(shù)。
      田元瑣：1983年生，男，安徽淮南，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字中頻處理。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第36頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處