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评估硬件

产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • ADL6010-EVALZ ($500.00) ADL6010 Evaluation Board
  • EVAL-AD7091RSDZ ($59.00) AD7091R Evaluation Board
  • EVAL-SDP-CB1Z ($99.00) Eval Control Board
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优势和特点

  • 40GHz功率计
  • 45dB动态范围
  • 低功耗

电路功能与优势

图1所示电路是一款40 GHz 精密微波功率计,具有45 dB范围,仅需两个器件。RF检波器有一个采用肖特基二极管的创新检波器单元,后接一个模拟线性化电路。一个低功耗、12位、1 MSPS模数转换器(ADC)通过串行外设接口(SPI)端口提供数字输出。

测量之前,在需要的特定RF频率执行简单的校准程序。然后,用户便可在测量模式下使用该系统。在测量模式下,CN-0366 评估软件 显示施加于检波器输入端的校准 RF输入功率(单位为dBm)。

采用5 V单电源供电时,该电路的总功耗低于9 mW。 



图1.微波功率计原理示意图(未显示去耦和所有连接)

电路描述

图1所示电路利用RF和微波功率检波器 ADL6010 将交流波形转换为与输入波形幅度对应的比例输出电压。输出电压为线性电压,斜率单位为V/V rms。然而,在大多数功率计应用中,输出电压是一个代表输入波形幅度的稳定直流值ADL6010可提取带宽高达40 MHz的RF信号包络。

12位、1 MSPS ADC AD7091R 对检波器输出进行采样,数据通过数据采集板处理,然后送至PC作进一步处理和分析。该ADC内置2.5 V基准电压源,可利用它来设置满量程电压。如果需要更大的满量程电压,可由外部基准电压源驱动到更高的电压。

该系统必须进行校准,因为输出电压取决于输入波形的频率。测量调制信号时,还需要一个校正系数。为了执行计算,提供了一个带简单图形用户界面的PC软件(CN-0366评估软件)。


功率检波器

ADL6010是一款45 dB包络检波器,工作频率范围是500 MHz到43.5 GHz。其线性电压斜率约为5.9 V/V rms,检波器绝对输入范围为−30 dBm至+15 dBm或−43 dBV至+2 dBV(50 Ω系统中)。检波器单元使用专有八肖特基二极管阵列,后接新颖的线性化电路,可创建相对于输入均方根电压幅度,总比例因子(或传递增益)标称值为5.9的线性电压表。利用输出均值电容,ADL6010可以检测具有可变包络的信号,但对于相同的输入功率,必须使用校正系数来补偿输出电压的变化。输出电压与均方根输入电压的关系如下:

CN0366_Image1

其中:

VOUT 为VOUT引脚上的电压。
Slope 约为5.9 V/V rms(10 GHz时)。
VRFIN 为均方根输入电压。
Intercept 为延长后数据经过Y轴的值。

图2为ADL6010的功能框图。



图2.ADL6010RF/微波检波器功能框图


图3所示为不同频率下传递函数的变化。在1 GHz到40 GHz范围内,输出电压约有300 mV的差异。在整个频率范围内,温度变化小于±0.5 dB。图4和图5分别显示10 GHz和40 GHz下的温度变化。

Figure 3


图3. 500 MHz到43.5 GHz频率范围内的传递函数


Figure 4


图4.不同温度下10 GHZ时的传递函数和误差



图5.不同温度下40 GHZ时的传递函数和误差



模数转换器

AD7091R 是一款12位、1 MSPS ADC,输入电压范围为0 V至VREF,其基准电压由内部2.5 V基准电压源提供,或由取代内部基准电压源的外部基准电压源提供。外部基准电压源最高可达5 V。对于2.5 V满量程电压 (VREF = 2.5 V),LSB大小为:

CN0366_Image2

ADL6010的输出电压约为25 mV至4 V,因此,当AD7091R使用内部2.5 V基准电压源时,利用一个衰减比约为1.6的200 Ω/340 Ω电阻分压器便能将信号幅度降低至该ADC支持的范围以内。


数据分析

EVAL-SDP-CB1Z 演示平台(SDP)板与基于AD7091R评估板控制软件的软件一起使用,以捕捉ADC采样的数据。该软件可读出功率计值,并具有校准选项。功率计显示屏显示施加于ADL6010输入端的功率。为了利用ADL6010和AD7091R精确测量功率,应将两个不同电平的已知输入功率施加于ADL6010输入端,然后读取相应的ADC输出码。这四个值构成图上的两点,必须将其存储起来以供之后的校准程序使用。这两点为:

  • 第1点:(VLOW, CODELOW)
  • 第2点:(VHIGH, CODEHIGH)

根据这两点便可求出斜率和截距,进而在特定工作频率下校准系统。


图6为软件功率水平显示。


图6.CN-0366评估软件显示



系统传递函数

从检波器输入到ADC输出的系统斜率和截距为:

CN0366_Image3

其中:

SlopeSYS 为系统斜率。
CODEHIGH、CODELOW 分别为ADC的高码输出和低码输出。
VHIGH、VLOW 分别为高RF电压和低RF电压。
INTSYS 为系统截距。

系统整体传递函数为:

CN0366_Image4

其中,VIN 为输入RF信号的均方根电压。

求解 VIN

CN0366_Image5

因此,功率PIN(dBm)可表示为:

CN0366_Image6

对于50 Ω输入阻抗,此公式可简化为:

CN0366_Image7


用户校准算法

CN-0366评估软件在特定工作频率执行一次性校准。校准通过校准选项卡完成,如图6中的窗口所示。校准程序如下:
  1. 将RF功率设置为高电平 (VHIGH)。
  2. 测量ADC输出码 (CODEHIGH)。
  3. 将RF功率设置为低电平 (VLOW)。
  4. 测量ADC输出码 (CODELOW)。
  5. 计算系统斜率(单位为码/V)。
  6. 计算系统截距(单位为码)。
  7. 将斜率和截距存储为校准系数。
  8. 用任意输入RF功率测量ADC码。
  9. 利用该码、斜率和截距计算输入功率。


包括ADC的完整信号链的测量结果


利用CN-0366评估软件获取多个频率上的测量结果。每个频率都要先校准,再测量。结果如图7、图8和图9所示。图7中,注意误差与校准功率水平的相关性。选择适当的校准水平可能需要一些试错过程。


图7至图9显示了实测输入功率与施加于ADL6010输入端的实际功率的关系以及二者之间的误差。

数据是在0°C、25°C和70°C温度下获得,结果如图10、图11、图12和图13所示,分别针对1 GHz、10 GHz、20 GHz和30 GHz的频率。

注意,某些测量结果是利用不具均值功能的旧版软件获得的,因此在较低输入功率水平时会有较大纹波。


图7.各种三点校准下实测功率和误差与施加功率的关系(1 GHz)



图8.不同频率下实测功率与施加功率的关系



图9.不同频率下实测功率误差与施加功率的关系



图10.不同温度下实测功率和误差与施加功率的关系(1 GHz)



图11.不同温度下实测功率和误差与施加功率的关系(10 GHz)



图12.不同温度下实测功率和误差与施加功率的关系(20 GHz)



图13.不同温度下实测功率和误差与施加功率的关系(30 GHz)



公式总结

下面总结了CN-0366中的公式,另外还给出了几个公式以便用户深入了解此功率计电路的功能。

ADL6010的传递函数为:

CN0366_Image8

其中:
VOUT 为检波器的直流输出电压。
SlopeDET 为检波器的增益/斜率,单位为V/V rms。
VIN 为输入RF信号的均方根电压。
INTDET 为检波器的截距,单位为V。

求解 VIN

CN0366_Image9

ADC传递函数(由ADL6010驱动时)为:

CODE = VOUT/LSB
LSB = VREF/4096

其中:
CODE为ADC输出码,这是一个范围从0到4096的无单位数字。
VREF为ADC的满量程基准电压,单位为V。LSB为ADC可以分辨的最小量化电压,单位为V/步或V/位。

求解 VOUT

VOUT = CODE × LSB

将此式代入前面的VIN公式可得:

CN0366_Image10

将所有量再折合到输入功率可得:

CN0366_Image11

其中,R为ADL6010 RFIN引脚的阻抗。将VIN代入功率计算公式可得:

CN0366_Image12

上式简化后得到:

CN0366_Image13

此公式涉及到ADL6010检波器输出斜率和截距,有助于从概念上了解系统的相互作用关系。然而,在实际应用中,系统的传递函数需要用系统的总斜率和截距来表示,其中斜率的单位为码/V,截距的单位为码。最终传递函数可以按如下方式推导。

用系统斜率 (slopeSYS) 和系统截距 (INTSYS) 表示的系统传递函数的推导从公式2开始,公式2中的输入功率用检波器斜率 (slopeDET) 和检波器截距 (INTDET)表示。将 VIN 表达式(公式2)的分子和分母同时乘以1/LSB便可实现推导,具体如下所示:

CN0366_Image14

将此 VIN 表达式代入公式2便可得到公式1。

INTDET 单位为V,SlopeDET 单位为V/V rms,LSB单位为V/码。乘以1/LSB后, INTDET 变为等效ADC码,检波器斜率变为系统斜率(单位为码/V rms),如下式所示:

INTSYS = INTDET/LSB
Slopesys = SlopeDET/LSB

有关CN-0366电路的完整设计文件,包括原理图、布局布线、Gerber和物料清单,请参阅 CN-0366 设计支持包

常见变化

在功率监控和VGA应用中,常见做法是用耦合器获取传输线路的一些功率,然后将信号馈入RF/微波检波器,如图14所示。 

  


图14.使用耦合器的功率计通用应用


校准此设置时,上述校准程序不变。耦合器和传输线路的损耗通过校准消除,并在斜率和截距公式中考虑。计算系统斜率和截距时,使用施加于耦合器输入端的电压电平。系统斜率和截距用检波器输入电压和ADC输出码表示如下:

CN0366_Image15

其中:VHIGH、VLOW 分别为施加于检波器输入端的高电压和低电压(图14中用一般形式 VIN 表示)。CODEHIGH、CODELOW 分别为ADC的高输出和低输出。

若将已知电压施加于耦合器输入端(图14中用一般形式 VCOUPLER 表示),则耦合器输入与检波器输入之间具有如下一般关系:

VIN = VCOUPLER × Voltage Loss

其中,Voltage Loss为小数形式的恒定衰减系数。

例如,若从耦合器输入到检波器输入的电压损耗为20 dB,则电压损耗系数为1/10。

如果使用耦合器输入端的电压电平,而不是检波器输入端的电压电平,则系统斜率的新表达式(包括耦合器和传输线路损耗)为:

CN0366_Image16

其中,VHIGH’ 和 VLOW’ 分别是耦合器输入端的高校准电压和低校准电压。

若用检波器输入电压以及耦合器和传输线路的损耗表示,则上式变为:

CN0366_Image17

图15显示了一个采用10 dB损耗耦合器的系统在1 GHz和5 GHz时的传递函数。


图15.采用10 dB耦合器的系统在1 GHz和5 GHz时的实测功率和误差与施加功率的关系

电路评估与测试

设备要求

若要进行CN-0366中所述的评估,需要如下设备:

  1. ADL6010-EVALZ 评估板。
  2. EVAL-AD7091 RSDZ 评估板。
  3. EVAL-SDP-CB1Z SDP 板。
  4. Agilent E8257D信号发生器。
  5. Agilent 34410A数字万用表。
  6. 通过USB电缆将Windows® 7 PC连接到SDP板(随EVAL-SDP-CB1Z提供)。
  7. 用5 V电源为ADL6010-EVALZ板供电。
  8. 用9 V交流变直流壁装式转换器为EVAL-AD7091RSDZ评估板供电(随EVAL-AD7091RSDZ提供)。注意,EVAL-SDP-CB1Z由EVAL-AD7091RSDZ上的稳压器供电。
  9. CN-0366 评估软件


开始使用


对ADL6010-EVALZ评估板EVAL-AD7091RSDZ评估板进行如下改动和链路设置,以便实现图1所示电路。

对于ADL6010-EVALZ,用200 Ω电阻(0402尺寸)替换R1。

对于EVAL-AD7091RSDZ,用0 Ω电阻(0603尺寸)替换R1,用340 Ω电阻(0603尺寸)替换C13。对于EVAL-AD7091RSDZ链路设置,将LK1调到位置C,将LK2调到位置C,LK3和LK4保持开路。



图16.测试RF和微波功率计的功能框图



功能框图

图16显示了用于测试接收链的测试设置的功能框图。


设置与测试


设置和测试微波功率计系统的步骤如下:

  1. 开启所有测试设备,等待测试设备预热完毕。
  2. 将ADL6010-EVALZ评估板输入连接到Agilent信号发生器(建议利用管式连接器从信号发生器直接连到评估板)。
  3. 将ADL6010-EVALZ评估板输出连接到EVAL-AD7091RSDZ评估板输入。
  4. 将EVAL-SDP-CB1ZSDP板连接到EVAL-AD7091RSDZ评估板。
  5. 通过USB电缆(随SDP板提供)将SDP板连接到PC。
  6. 将CN-0366评估软件下载并安装到与SDP控制板相连的PC。
  7. 正确安装软件后,运行可执行文件。
  8. 开启信号发生器,将它设置为ADL6010工作范围以内的功率和频率。
  9. 为了获得准确的功率读数,运行软件中的校准程序。
  10. 软件GUI随即计算并显示施加于ADL6010输入端的功率。

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描述

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AD7091R 1 MSPS、超低功耗、12位ADC、内置片内基准电压源、采用10引脚LFCSP和MSOP封装

AD7091RBCPZ-RL7

AD7091RBRMZ

ADL6010 快速响应、45 dB 范围、 0.5 至 40 GHz 功率检波器

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