CN0178: 通过软件校准的50 MHz至9 GHz RF功率测量系统

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优势和特点
  • 宽带频率范围:50MHz至9GHz
  • 动态范围:65 dB
  • 计算波峰因数、RMS和峰值信号电平
此电路中所用产品
    应用: 
  • 通信
  • 雷达
  • 通信
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评估硬件
Part numbers with "Z" indicate RoHS Compliance.
评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-CFTL-6V-PWRZ ($ 16.60) Wall Power Supply for Eval Board
  • EVAL-CN0178-SDPZ ($ 50.00) Software-Calibrated, 50 MHz to 9 GHz, RF Power Measurement System
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Controller board needed to evaluate the this circuit. Please see "Circuit Evaluation & Test" section for connection information.
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电路功能与优势

该电路使用 ADL5902 TruPwr™ 检波器测量RF信号的均方根信号强度,信号波峰因素(峰值均值比)在约65 dB的动态范围内变化,工作频率为50 MHz至9 GHz。

测量结果在12位ADC(AD7466)输出端以串行数据形式提供。在数字域中针对环境温度执行简单的4点系统校准。

RF检波器与ADC之间的接口很简单,由两个信号调整电阻组成,无有源元件。此外,ADL5902内部2.3 V基准电压为微功耗ADC提供电源和基准电压。AD7466无流水线延迟,可作为只读SAR ADC。

整个电路实现了约±0.5 dB的温度稳定性。

显示的数据是针对在−40°C至+85°C温度范围内工作的两个器件。

图1. 通过软件校准的RF功率测量系统

电路描述

测量的RF信号施加于ADL5902的输入端,即dB线性rms响应均方根检波器。外部60.4 Ω电阻R3结合ADL5902的较高输入阻抗,确保宽带50 Ω与RF输入匹配。ADL5902以所谓的“测量模式”配置,VSET和VOUT引脚相连。在此模式下,输出电压与输入均方根值的对数成比例。换言之,读数以分贝值直接呈现,每到十倍调整至1.06 V,或者53 mV/dB。

AD7466 12位ADC的电源电压和基准电压由ADL5902内部2.3 V基准电压源提供。由于AD7466消耗的电流极少(以10 kSPS采样时仅为16 μA),ADL5902的基准电压输出足以向ADC以及由R9、R10、R11、R12组成的温度补偿和均方根精度调整网络供电。

ADC满量程电压等于2.3 V。最大检波器输出电压(在线性输入范围内工作时)约为3.5 V(参见ADL5902数据手册图6、7、8、12、13及14),因此在驱动AD7466前必须降低0.657倍。这个降低过程通过简单的电阻分压器R10和R11(1.21 kΩ和2.0 kΩ)来实现。以上数值可实现0.623的实际比例因子,通过建立电阻容差余量确保ADL5902 RF检波器不会过驱ADC。

图2显示的是检波器输出电压与输入功率的典型曲线(无输出调整)。

图2. ADL5902均方根检波器在900 MHz时的输出电压与输入功率的关系

该检波器的传递函数可通过以下公式计算近似值:

       VOUT = SLOPE_DETECTOR × (PIN − INTERCEPT)

其中SLOPE_DETECTOR是检波器斜率,单位为mV/dB;INTERCEPT 是x轴截距,单位为dBm;PIN是输入功率,单位为dBm。

在ADC输出端,VOUT由ADC输出代码取代,公式可改写为:

       CODE = SLOPE × (PIN − INTERCEPT)

其中 SLOPE 是检波器、调整电阻及ADC的组合斜率,单位为次/dB; PININTERCEPT 单位仍为dBm。

图3显示的是典型检波器输入功率的功率扫描以及在700 MHz输入信号下观察到的ADC输出代码。

图3. 700 MHz下的ADC输出代码及误差与RF输入功率的关系

总体斜率和截距随系统的不同而变化,该变化是由RF检波器、调整电阻和ADC传递函数的器件间差异造成的。因此需要系统级校准以确定整个系统的斜率和截距。本应用中,使用4点校准校正RF检波器传递函数内的某些非线性,特别是在低端位置。该4点校准方案产生三个斜率和三个截距校准系数,这些数值在校准后应存储在非易失RAM (NVM)内。

通过向ADL5902施加四个已知信号电平执行校准,从ADC测量相应的输出代码。选择的校准点应在器件线性工作范围内。本例中,校准点位于0 dBm、−20 dBm、−45 dBm及−58 dBm。

斜率和截距校准系数通过以下公式计算:

       SLOPE1 = ( CODE _1 – CODE_2)/(PIN_1 − PIN_2)

       INTERCEPT1= CODE_1/(SLOPE_ADC × PIN_1)

接着使用CODE_2/CODE_3和CODE_3/CODE_4重复计算,分别得出SLOPE2/INTERCEPT2和SLOPE3/INTERCEPT3。六个校准系数应与CODE_1、CODE_2、CODE_3、CODE_4一起存储在NVM内。

当电路在现场工作时,这些校准系数用于计算未知的输入功率电平PIN,公式如下:

       PIN = (CODE/SLOPE) + INTERCEPT

为了在电路工作期间获得适当的斜率和截距校准系数,从ADC观察到的CODE必须与CODE_1、CODE_2、CODE_3、CODE_4进行比较。例如,如果来自ADC的CODE在CODE_1与CODE_2之间,则应使用SLOPE1和INTERCEPT1。该步骤还可用于提供欠量程或超量程警告。例如,如果来自ADC的CODE大于CODE_1或小于CODE_4,表示测得的功率在校准范围以外。

图3还显示了电路传递函数变化与以上直线公式的关系。该误差函数由传递函数边沿弯曲、线性工作范围内的小纹波以及温度漂移造成。误差以dB表示,公式如下:

       误差 (dB) = 计算的RF功率 − 实际输入功率
       = (CODE/SLOPE) + INTERCEPT – PIN_TRUE

图3还包括了误差与温度的关系曲线。本例中,将在+85°C和−40°C下测得的ADC代码与环境温度下的直线公式进行比较。该方法与现实系统一致,系统校准一般只能在环境温度下进行。

图4和图5分别显示电路在1 GHz和2.2 GHz下的性能。

图4. 1 MHz下的ADC输出代码及误差与RF输入功率的关系
图5. 2.2 MHz下的ADC输出代码及误差与RF输入功率的关系

该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局,包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路(如需要)、元件布局、信号布线以及电源层和接地层。(有关PCB布局的详情,请参见 MT-031教程, MT-101 教程高速印刷电路板布局实用指南 一文 。)

测试设置由ADL5902-EVALZ和EVAL-AD7466CBZ评估板组成,两者使用SMA至SMB适配器电缆相连。置于环境室内进行温度测试。评估控制板2(EVAL-CONTROL-BRD2Z)通过测试室门内的插槽连接至AD7466评估板;也就是ADL5902和AD7466评估板位于测试室内部,评估控制板留在外部。控制板用于发送、接收和捕捉来自AD7466评估板的串行数据。ECB2并行端口连接至笔记本电脑。笔记本电脑用于加载、运行和查看ECB2上的AD7466评估软件。ADL5902评估板所需的RF输入信号由Rhode & Schwarz SMT-03 RF信号源提供。使用Agilent E3631A电源为ADL5902供电。有关详情请参见AD7466评估板原理图和ADL5902数据手册。

常见变化

对于需要较小RF检波范围的应用,可以使用 AD8363 均方根检波器。AD8363检波范围为50 dB,工作频率最高达6 GHz。对于非均方根检波应用,可使用 AD8317/ AD8318/ AD8319 ADL5513 。这些器件提供不同的检波范围,输入频率范围最高达10 GHz(有关详情参见 CN-0150 )。

AD7466是单通道12位ADC,采用SPI接口。如果终端应用需要多通道ADC,可使用双通道12位 AD7887 。在需要多个ADC和DAC通道的多通道应用中,可使用 AD7294 。除提供四路12位DAC输出外,这款子系统芯片还含有4个非专用ADC通道、2路高端电流检测输入和3个温度传感器。电流和温度测量结果经过数字化转换后,可通过I2C 兼容接口读取。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7466 1.6 V微功率12位ADC AD7466BRMZ AD7466BRTZ-REEL7
ADL5902 100 MHz至9 GHz、60 dB TruPwr™检波器 ADL5902ACPZ-R7
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-CFTL-6V-PWRZ Wall Power Supply for Eval Board $ 16.60 Yes
EVAL-CN0178-SDPZ Software-Calibrated, 50 MHz to 9 GHz, RF Power Measurement System $ 50.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Controller board needed to evaluate the this circuit. Please see "Circuit Evaluation & Test" section for connection information. $ 99.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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