基于AD8302的單片寬頻帶相位差測量系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

傳統(tǒng)的相位差測量儀需要采用多個中小規(guī)模集成電路，不僅電路復(fù)雜，測量相位差的精度低，而且適用的頻率范圍窄，只能測量低頻或中頻信號。本文介紹利用美國adi推出的ad8302型相位檢測器設(shè)計的寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能精確測量2個獨(dú)立的射頻（rf）、中頻（if）或低頻信號的增益、相位差及頻率?？蓮V泛用于全球移動通信系統(tǒng)（gsm），碼分多址（cdma）、寬帶碼分多址（wcdma）、時分多址（tdma）移動電話、個人通信業(yè)務(wù)（pcs）及寬帶基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

2 ad8302的性能特點(diǎn)

ad8302內(nèi)部包含2個精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、1個寬帶相位檢測器、1.8v精密基準(zhǔn)源、以及模擬標(biāo)定電路和接口電路，能同時測量從低頻到2.7ghz頻率范圍內(nèi)2個輸入信號之間的增益（亦稱幅度比）和相位差。由于該器件內(nèi)部集成2個精密匹配的對數(shù)放大器，因此可將溫度漂移降至最低限度。ad8302不僅能測量放大器、混頻器等電路的增益和相位差，而且特別適合對無線基站及測試設(shè)備的檢測。

測量增益時，2個輸入信號的動態(tài)范圍為±30db，輸出電平的靈敏度為30mv/db，誤差小于0.5db。對應(yīng)于－30db的輸出電壓為30mv，而對應(yīng)于＋30db的輸出電壓為1.8v。輸出電流為8ma，轉(zhuǎn)換速率為25v/μs。

測量相位差的范圍是0°－180°，對應(yīng)的輸出電壓變化范圍是0v－1.8v，輸出電壓靈敏度為10mv/度，測量誤差小于0.5°。當(dāng)相位差δψ＝0°時，輸出電壓為1.8v；當(dāng)δψ＝180°時，輸出電壓為30mv，輸出電流為8ma。相位輸出時的轉(zhuǎn)換速率為30mhz，響應(yīng)時間為40ns－500ns（視被測相位差而定）。

ad8302還具有3種工作模式：相位測量模式、輸入電平比較器模式和相位控制器模式。利用相位控制模式可構(gòu)成相位控制器。

增益及相位差的小信號包絡(luò)帶寬均為30mhz（將mflt端開路），利用外部濾波電容器可減小帶寬。對于特性阻抗為50ω的相位差測量系統(tǒng)，輸入功率電平的范圍為－60dbm－0dbm。

3 ad8302的測量原理

ad8302的內(nèi)部電路框圖如圖1所示。主要包括2個精密匹配的解調(diào)式對數(shù)放大器，1個乘法器型的相位檢測器，3個加法器（σ），1組輸出放大器，偏置電路和基準(zhǔn)電壓緩沖器。輸入信號可以是單端信號，也可以是差分信號。在低頻段，這些信號的輸入阻抗通常為3kω，每個對數(shù)放大器6個10db增益級串聯(lián)而成，6個增益級帶有7個輔助檢波器。每個增益級的－3db的帶寬都超過5ghz。利用這2個對數(shù)放大器可以測量2個輸入信號的增益（或幅度比）。如果測量變頻增益（或變頻衰減），這2個信號也可以是不同頻率的信號。如將被測信號加到1個輸入端，而將標(biāo)準(zhǔn)信號加到另1個輸入端，ad8302還可用來測量絕對電平。乘法器型的相位檢測器能實(shí)現(xiàn)精確的相位平衡，在很寬的頻率范圍內(nèi)相位差的測量精度與信號電平無關(guān)。對數(shù)放大器和相位檢波器對輸入高頻信號進(jìn)行處理后，就以電流的形式把增益和相位差信息送至輸出放大器，再由輸出放大器最終決定增益靈敏度和相位差靈敏度，外部濾波電容器可分為每路輸出提供平均時間常數(shù)?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器提供1.8v、5ma的基準(zhǔn)電壓源。

ad8302還可以作為控制器使用。當(dāng)作為增益控制器時，必須將增益輸出端（umag）和設(shè)定端（mset）之間的反饋電路斷開，把mset作為所需要的設(shè)置點(diǎn)，再利用umag信號控制外部增益調(diào)節(jié)器，當(dāng)作為相位差控制器時，應(yīng)斷開相位差輸出端（uphs）與其設(shè)定端（pset）之間的反饋電路，然后用uphs信號控制外部的相位調(diào)節(jié)器。ad8302能精確測量2個信號之間的增益和相位差，測量原理如下所述。

對數(shù)放大器能將寬度范圍的輸入電壓信號變成窄范圍的分貝刻度輸出，對數(shù)放大器的輸出電壓為：

uoui＝uslplg（uin/uz） （1）
式中，uslp為增益斜坡電壓，uin為輸入電壓。uz為參考電壓，lg（uin/uz）為2個輸入電壓的分貝比。

測量增益時，分別用uina和uinb來代替uin、uz、ad8302的輸出就變成
umag＝uslplg（uina/uinb） （2）
式中，uina和uinb為2路輸入電壓，umag為增益輸出電壓，與信號電平的差值相對應(yīng)。

相位差輸出電壓的表達(dá)式為
uphs＝uψ[ψ（uina）－ψ（uinb）] （3）
式中，uψ為相位差斜坡電壓，單位是mv/度；ψ為每個信號的相位，單位是度。相位檢波器具有180°的相位差范圍。該相位差范圍既可以是0°～＋180°（以90°為中心），也可以是0°～－180°（以－90°為中心）。根據(jù)ad8302的相位差響應(yīng)特性曲線在0°～－180°和在0°～＋180°時的斜率不同，即可判定2個被測信號的相位差為正或者為負(fù)。

在處理射頻系統(tǒng)時經(jīng)常要用到史密斯（smith）圓圖，它是計算傳輸線阻抗的重要工具。史密斯圓圖是由許多圓周交織而成的。利用它，不做任何計算即可得到1個復(fù)雜系統(tǒng)的匹配阻抗，唯一要做的是沿著圓周線讀取并跟蹤數(shù)據(jù)。所有的圓周只有1個公共交點(diǎn)（公切點(diǎn)），每個圓周對應(yīng)于1個阻抗值。ad8302在100mhz－3ghz的頻率范圍內(nèi)，每個輸入端阻抗的史密斯圓圖如圖2所示。終端電阻器rt的阻值由下式確定：

rt＝rinrs/（rin－rs）（4）
式中，rin為輸入電阻，rs為電源內(nèi)阻。

4 寬頻帶相位差測量系統(tǒng)的電路設(shè)計

4.1 寬頻帶相位差測量系統(tǒng)

ad8302的典型應(yīng)用電路如圖3所示，r1和r2為輸入端電阻器。r3為uref輸出端的負(fù)載。c1和c4為交流輸入的耦合電容器，c2和c3為濾波電容器，c5和c6為電源退耦電容器。s1為增益測量模塊/比較器模式選擇開關(guān)，將s1撥至a擋時選擇增益測量模式；撥至b擋時進(jìn)入比較器模式，mset端接設(shè)定電壓。s2為相位差測量模式/比較器模式選擇開關(guān)，將s2撥至a擋時選擇相位差測量模式；撥至b擋時工作在比較器模式，pset端接設(shè)定電壓。

4.2 寬頻帶相位差/頻率測量系統(tǒng)

寬頻帶相位差及頻率測量系統(tǒng)的電路框圖如圖4所示。2路相位信號u1、u2分別送至ad8302的a通道和b通道，ad8302測出的相位差信號再送給由mc14433型單片a/d轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的31/2位數(shù)字電壓表。mc14433通過段譯碼驅(qū)動器（cd4511）和位驅(qū)動器（mc1413）驅(qū)動31/2位共陰極led數(shù)碼管，直接顯示被測相位差。測量相位差的范圍是0°－180°，分辨率達(dá)0.1°。

測頻電路采用icm7226b型單片8位10mhz通用頻率計數(shù)器，配置少量外圍元件即可準(zhǔn)確測量頻率和周期，它還能測量頻率比、時間間隔及累計數(shù)。該頻率計數(shù)器具有自校準(zhǔn)功能。測量范圍是0mhz－10mhz，最高分辨率可達(dá)0.000 1hz。
mc14433和icm7226b輸出的bcd碼送至89c51型單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為簡化電路，還可選用帶1o位adc的pic16f874型單片機(jī)。pic16f874是美國微科技（microchip）公司生產(chǎn)的高性價比8位單片機(jī)，內(nèi)含8路逐次逼近式10位a/d轉(zhuǎn)換器，這里僅用其中1路。

4.3 反射計電路

用ad8302還可構(gòu)成反射計（reflect meter），通過測量入射到負(fù)載的信號和從負(fù)載反射的信號的增益及相位差，最終計算出反射系數(shù)γ。反射系數(shù)的計算公式為

γ＝反射電壓/入射電壓＝（zl－z0）/（zl＋z0） （5）

式中，zl是用復(fù)數(shù)表示的負(fù)載阻抗，z0是系統(tǒng)的特征阻抗。反射系數(shù)常常用來計算阻抗失配程度及駐波比（swr）。反射系數(shù)通常用分貝表示。

由ad8302構(gòu)成反射計的電路如圖5所示，該電路可以測量反射系數(shù)。反射計包括20db電阻衰減器和1db電阻衰減器，由阻容元件構(gòu)成的一對定向耦合器a和b可對入射信號和反射信號進(jìn)行采樣。a、b通道的耦合系數(shù)和衰減系數(shù)分別由下式確定：

ca＋la＝pin＝γnom－popt （6）
cb＋lb＝pin－popt （7）

式中，γnom為標(biāo)定反射系數(shù)，單位是db，對無源負(fù)載而言，該系數(shù)為負(fù)值。當(dāng)輸入信號為10db和標(biāo)定反射系數(shù)為－19db時，可使用一對20db的耦合器，當(dāng)popt＝330dbm時，衰減器a和b的衰減量分別為1db和2db。當(dāng)增益靈敏度為30mv/db，相位差靈敏度為10mv/度時，umac端和uphs端分別輸出被測反射系數(shù)γ的幅度信號和相位信號。當(dāng)γ＝－19db時，umag端的輸出為900mv。