USB總線的RF數字功率計

摘要： 本文簡述USB儀器的進展。并且介紹USB總線的RF數字功率計的電路構成，多通道RF數字功率傳感器的網絡連接。

關鍵詞： USB儀器；數字功率計；數字功率傳感器；網絡連接

USB總線的儀器應用

　　Intel公司在90年代開發(fā)成功32位的奔騰系列微處理器，代替80年代普遍使用的16位80X86系列微處理器。同時推出PCI(外設部件互連總線)代替原來的ISA/EISA(工業(yè)/擴展工業(yè)標準結構總線)，PCI總線能夠驅動10塊PCI擴展卡，向后兼容ISA/EISA總線，帶寬達到132MB/s至264MB/s。PCI總線大幅度提升PC計算機的外設能力，測試測量儀器業(yè)亦成功制訂基于PCI總線擴展的PXI開放式模塊儀器接口標準。90年代PC業(yè)界開發(fā)出USB(通用串行總線)。自2001年起Intel亦為奔騰微處理器配備USB接口，當時，USB1.0版本的數據率最高達到12Mb/s，僅適合鍵盤、鼠標、掃描儀、打印機、低速閃存等的數字應用。然而，USB具有的即插即用功能，無須復雜的安裝程序即可連接外部設備，實現熱插拔、配置、應用，它的彈性性能和簡單易用，獲得PC用戶的認可和贊許。加上USB的連接電纜只用一對雙絞線傳輸數字信號和兩根電線傳送直流，連接器尺寸小巧，容易裝卸，價格便宜，成為繼COM(串行通信)端口后最成功的PC外部設備連接接口。

　　USB接口很快在眾多的計算機外部設備接口標準中脫穎而出，筆記本和臺式PC都配置USB接口，同時普及到消費電子產品和通信設備，在測試測量儀器中亦出現基于USB接口的掌上式和手持式儀器。特別是USB2.0版本實施后，數據率從12Mb/s提高40倍至480Mb/s，目前USB2.0的數據率基本上滿足PC與外部設備的數據傳輸要求，每臺PC最少安裝兩套USB接口(主接口和設備接口)，在功能合理和成本優(yōu)勢的驅動下，成為外部設備的主流接口。在消費電子產品方面越來越受到歡迎，數碼相機、照相手機、MP3音樂播放機大部分采用USB接口下載和上傳數據。在通信設備方面，USB接口廣泛用于有線調制解調器、ADSL數字用戶線和路由器等設備。按市場占有率劃分，USB接口在PC相關應用中約占70%，消費電子產品約占20%，通信設備約占9%。USB接口作為PC業(yè)界的開放式標準，直接應用到測試測量儀器作為“事實上”儀器接口，與測試測量儀器業(yè)界的四種開放式儀器總線接口，即GPIB、VXI、PXI和LXI，同樣受到用戶的重視。它的儀器應用范圍日益擴大，成為單臺儀器使用的最佳選擇接口，甚至RF功率計亦提供USB接口的便攜產品。

USB總線的RF數字功率計

　　HP(Agilent的前身)和Boonton兩家公司在50年代開始供應RF功率計，當時頻譜分析儀還沒有開發(fā)成功，RF功率計成為測量RF信號幅度最簡單和實用的儀器。HP 430A功率計采用電橋電路，其一臂是對RF信號敏感的儀器用小型保險絲管，額定電流10mA，帶寬達到1GHz，由電流表指示平均功率讀數。這種模擬式功率計具有電路簡單，結構可靠，作為傳感器的保險絲管由2m電纜外引至被測點，可降低阻抗的失配，提高操作的機動性。進入80年代，RF功率計完成從模擬到數字化的轉型，為了提高帶寬和讀數速度，高頻二極管檢波器代替了響應時間較慢的熱敏元件，采用A/D轉換器獲得數字值，由微處理器執(zhí)行運算和數據處理，構成完整的帶有顯示屏和操作面板的臺式儀器，通常采用GPIB接口。視功能的不同，該類儀器稱為數字功率計或功率分析儀，它們的探頭由電纜與主機連接，探頭內裝有高頻二極管檢波器和前端電路，根據被測對象的不同，可選用不同帶寬和不同靈敏度的探頭。

　　隨著儀器總線的發(fā)展，數字功率計亦推出VXI、PXI和LXI接口的相應儀器，同時隨著其它工業(yè)總線的發(fā)展，數字功率計也有PCI、LAN和USB的多種儀器。近兩年來，測試測量儀器業(yè)界紛紛開發(fā)USB接口的數字功率計，特點是電路結構簡單，與采用儀器總線或其它工業(yè)總線的數字功率計相比，充分發(fā)揮USB接口和PC的效能。具體實現方法是在原來數字功率計的傳感器探頭的輸出端增加一塊USB控制器芯片，傳感器探頭通過USB電纜和連接器與PC的USB設備接口連接，構成虛擬儀器。前端傳感器探頭完成對被測信號的檢測和數字變頻，輸出的數據由后端PC執(zhí)行數字處理和顯示，探頭的電源同時由USB儀器接口供應。一種USB數字功率計如圖1所示。

圖1 USB RF數字功率計框圖

USB RF數字功率計的電路構成

　　USB RF數字功率計的電路構成主要有兩類，二極管檢波器和熱敏傳感器，前者的代表性產品有Agilent公司的U2000系列，后者的代表性產品有Anritsu公司的MA24106A。U2000系列USB功率傳感器的方框圖如圖2所示，RF信號輸入至半橋式檢波電路，檢波輸出經高、低增益通道后，分別由雙路A/D轉換器作數字變換，串行數據輸入DSP嵌入式處理器，經過數字運算和誤差校正，通過USB2.0接口控制器芯片和電纜傳送到PC主計算機進行功率分析和測量結果顯示。USB接口數字傳感器可實現外觸發(fā)，傳感器伏安特性曲線校正，多路并行輸入，分屏多畫面顯示，多種調制格式測量，高測量速度，數據多次平均，及格/不合格分類等測量功能。

圖2 U2000系列數字功率傳感器框圖

　　MA24106A USB數字傳感器采用傳統的熱敏傳感器件，但具有更大的動態(tài)范圍和更寬頻率特性，方框圖如圖1所示。RF信號經直流隔離和10dB衰減，由分路器分成A、B兩路檢波和平均放大器后，輸入到雙路A/D轉換器和微處理器作數字變換和處理，最后由USB接口控制器和電纜輸出至PC主計算機。它與圖2的主要不同點在于采用兩套獨立的傳感器檢波電路，A路檢測RF大信號輸入，B路檢測RF小信號輸，保持傳感器工作在平方律曲線段內。A/D轉換器使用溫度補償，微處理器的EEPROM提供在線功率校準曲線和測試函數。