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评估硬件 $176.55
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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

  • EVAL-CN0399-SDPZ ($176.55) Battery or USB Powered 9 kHz to 6 GHz RMS Power Measurement System
  • EVAL-SDP-CS1Z ($57.67) Eval Control Board
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器件驱动器

软件（如C代码和/或FPGA代码等）用于与元件的数字接口通信。

AD7091R参考代码

AD7091R GitHub no-OS Driver Source Code

IIO Single Channel Serial ADC Linux Driver

FPGA/HDL

BeMicro FPGA Project for AD7091R with Nios driver

AD7091R FMC-SDP Interposer & Evaluation Board / Xilinx KC705 Reference Design

AD7091R Pmod Xilinx FPGA Reference Design

优势和特点

  • RMS功率测量：9kHz至6GHz
  • 45dB输入功率范围：−30dBm至+15dBm
  • USB供电

产品类别

领域和技术

所用产品

参考资料

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    电路功能与优势

    图1所示电路是一个RF功率测量电路，它能精确测量9 kHz至6 GHz频率范围内的RF信号源的功率，标称输入功率范围为45 dBm（−30 dBm至+15 dBm）。

    此电路构成一个尺寸非常小的完整RMS RF功率计，它完全可以采用5 V USB电源供电。测量信号链由RMS响应的RF功率检波器和12位精密模数转换器 (ADC) 组成。这些器件由CMOS线性稳压器供电，该稳压器从5 V USB电源生成3.3 V电压。

    可在多个频率执行简单的校准程序，以补偿该电路的频率响应差异。校准数据存储在查找表中，RF功率测量期间会参照该查找表。
    Portable RF Power Meter Evaluation Board Measurement Setup
    图1. 便携式RF功率计评估板测量设置（未显示全部连接和去耦）

    电路描述

    将一个介于9 kHz到6 GHz的RF信号施加于电路的SMA测量头。此信号通过一个交流耦合电容驱动RMS响应RF功率检波器 ADL5904的RFIN输入引脚。此电容的大小 (0.47 μF) 设置电路的最低输入频率。检波器的输出电压 (VRMS) 是一个与输入信号的RMS水平成比例的直流输出电压。

    检波器输出直接驱动12位ADC AD7091R 的输入端。ADC周期性对输入采样，并将电压转换为数字化电压码。各码通过3线串行外设接口 (SPI) 传输到PC，由PC利用一个公式计算输入信号的RF功率。校准系数信息存储在PC中的查找表中。系数斜率和截距根据工作频率加以选择；要精确计算RF输入功率水平，必须知道工作频率。


    RF功率检波器

    ADL5904是一款宽带RMS响应RF功率检波器，工作频率范围为DC至6 GHz。图2所示为ADL5904的功能框图。
    ADL5904 Block Diagram
    图2. ADL5904框图

     

    检波器的动态范围为45 dB，从−30 dBm到+15 dBm，具有线性dB输出特性。低功耗特性 (3 mA) 使ADL5904适合此应用电路，电路完全采用PC的5 V USB接口供电。

    此检波器还提供可编程包络阈值检测功能。阈值检测利用内部比较器比较输入包络电压和预定义用户输入电压。如果包络电压超过此预定义电压，数字输出信号便置位高电平。输出信号通过R/S触发器锁存在高电平状态，直至检波器上的复位引脚 (RST) 发送高电平脉冲。此功能在图1所示电路中未使用。


    模数转换器

    图3所示的AD7091R是一款12位单通道逐次逼近型 (SAR) ADC。它在正常工作时的功耗极其低，仅1 mW。
    AD7091R Analog-to-Digital Converter
    图3. AD7091R模数转换器

     

    ADC的REFIN/REFOUT引脚可利用外部基准电压过驱。但在此应用中，使用内部2.5 V基准电压源不会影响精度。使用内部2.5 V基准电压源时，LSB大小为：

    cn0399-p2eq1

    这意味着ADC的分辨率为610 μV。ADC输入电压VIN的范围是0 V至2.5 V (VREF)。检波器最大输出电压约为1.8 V，故ADC输入端无必要进行电压调整，检波器输出端可以直接连到ADC输入端。


    片上稳压器

    ADP160是一款CMOS线性稳压器，可提供2.2 V至5.5 V的稳定输出电压，输出静态电流非常低 (42 μA)。
    ADP160-3.3 Linear CMOS Regulator
    图4. ADP160-3.3线性CMOS稳压器

     

    ADP160提供固定和可调两种配置。本设计使用3.3 V固定型号，其提供稳定输出以为功率检波器和ADC供电，只需极少外部电路，如图4所示。


    功率计算

    RF输入信号功率表示为相对于检波器输出的功率比，单位为分贝 (dBm)，计算公式如下：

    cn0399-p3eq1

    其中：

    VRMS为检波器输出电压，如图5所示。
    m 为功率检波器的斜率。
    Int为功率检波器的x轴截距。

    使用等式1，系统整体传递函数即为：

    cn0399-p3eq2

    其中：

    CODERMS 为来自ADC的VRMS的数字码表示，如图5所示。
    m' 为功率检波器和ADC组合的斜率。
    Int' 为功率检波器和ADC组合的x轴截距。

    Detector and ADC Outputs

    图5. 检波器和ADC输出


    等式中的斜率和截距均为频率相关的参数。因此，必须在全频率范围内（即以足够的频率增量）进行校准，以确保系统具有良好的频率平坦度。
    ADC Code vs. Input Power Transfer Function at 10 MHz
    图6. 10 MHz时ADC码与输入功率的传递函数

     

    图6显示了测得的原始ADC码与检波器输入功率的关系。图中给出了功率检波器范围内多个频率时的曲线。这些测得的ADC码对应于采样和转换的功率检波器输出电压。图6中的每条曲线表明：在检波器的工作范围（−30 dBm至+15 dBm）内，检波器的特性曲线与分贝输入功率成线性变化关系。此响应即所谓线性dB功率检波器响应。


    软件接口

    通过一个简单的软件图形用户界面 (GUI) 来计算和显示测得的RF功率。图7所示为GUI前面板。
    Software GUI Front Panel
    图7. 软件GUI前面板

     

    在Power Measurement（功率测量）选项卡中，输入信号频率必须在测量之前输入，从而让软件知道应使用哪一组校准系数（斜率和截距）。软件使用最接近输入频率的频率所对应的校准系数。选中Continuous（连续）并单击Read（读取）将周期性更新实测功率。可将用户自定义的基准水平偏移应用于测量，以抵消外部线缆或耦合损耗。此偏移会增加到测量值上，然后显示为功率。


    校准程序

    执行功率测量之前，用户必须执行全频率校准程序。
    Calibration Routine Tab
    图8. 校准程序选项卡

     

    图8所示为Calibration（校准）选项卡。频率通过数值选择框选择。然后在该频率下施加三种功率水平。此三点校准程序为该校准频率计算两个不同的斜率和截距值。这些值存储在查找表中，用于功率计算。图9显示了一个选定频率对应的校准数据示例。
    3-Point Calibration Data Example
    图9. 三点校准数据示例

     

    每个校准点都有一个对应的ADC测量码，如图9所示。这些码用于计算校准功率水平之间的两个区域各自的斜率和截距值。针对各校准频率存储的校准值包含这两个功率区域的斜率和截距，如图10中的查找表概要所示。
    Look-up Table Outline
    图10. 查找表概要

     

    测量序列

    图11显示了功率测量过程中执行的测量序列。
    Measurement Sequence
    图11. 测量序列

     

    当用户单击Read（读取）时，最接近选定工作频率的校准频率所对应的那组校准值便从查找表中读出。

    这些校准值包含三点校准程序的两个功率区域的斜率和截距。然后通过SPI接口读取原始ADC码，此码用于功率计算。对于选定频率，根据读取的原始ADC码，从校准值中提取两个功率区域之一的斜率和截距。

    利用这些斜率和截距值，根据等式1计算功率并显示在GUI中。如果选中Continuous（连续）复选框，则将对选定频率周期性重复测量。


    测量时序

    每次测量的时序如图12所示。利用 SDP-S 接口板上的GPIO将转换开始 (CONSTB) 输入置位低电平后，ADC即开始采样。经过大约1 ms后，所得对应采样电压的ADC码值即通过SPI传输。计算功率之后，GUI显示屏即更新为当前功率测量结果。实测功率在GUI上显示1秒。如果连续测量，则重复显示测量结果。


    Measurement Timing

    图12. 测量时序


    关于EVAL-CN0399-SDPZ板的完整文档，包括原理图、布局布线文件和物料清单，可从 www.analog.com/CN0399-DesignSupport下载。


    测试结果

    在不同频率执行校准程序之后，在检波器的完整功率范围内手动收集测量数据，以验证检波器电路的功率测量是否精确。
    Input Power vs. Measured Power Data
    图13. 输入功率与实测功率数据的关系

     

    如图13中的结果所示，从10 MHz到6 GHz，该电路能够精确跟踪输入功率。在此频率范围内，相对于实际输入功率的最大偏差为0.57 dB (5 GHz) 时。

    常见变化

    当输入功率水平较低（低于−20 dBm）时，ADL5904传递函数的非线性度提高，说明可将校准点置于此区域。注意，不要求以均匀间隔设置校准功率水平，这样做也没有好处。

    如果PC端口不能提供USB电源，可以通过VPOS和GND测试点向电路提供外部3.3 V电源。如果使用外部电源，应移除R15以隔离片上稳压器输出。

    可不使用内部2.5 V基准源，而在ADC的VREF引脚上提供外部基准源，以提高基准电压或提供更稳定的基准源。

    读取ADC的另一种办法是使用串行端口 (SPORT) 接口协议。SPORT要求使用较大的SDP-B接口板 (EVAL-SDP-CB1Z)。还必须编写定制软件以配合SPORT接口使用。此选项对需要更快吞吐速率的应用有用，因为使用SDP-B接口板可提供最高1 MSPS的吞吐速率。

    电路评估与测试

    设备要求

    若要进行本电路笔记中所描述的评估，需要如下设备：



    设置与测试

    为设置并测试EVAL-CN0399-SDPZ板，应将SDP-S板连接到EVAL-CN0399-SDPZ板，并通过USB电缆将PC连接到SDP-S板。

    1. 开启信号发生器，确保 RF 输出信号关闭。
    2. 直接将信号发生器的 RF 输出端连接到 RF 功率计板的输入端。
    3. 打开评估软件 ADL5904 Low Power RF Power Meter.exe，单击 Connect（连接）。
    4. 单击软件窗口中的 Calibration（校准）选项卡，将信号发生器频率设置为 1 GHz，将功率水平设置为−20 dBm，然后启动校准程序。
    5. 开启信号发生器的 RF 输出，然后单击软件窗口中的 Low Cal. Point（低校准点）。随即出现一个对话框，指示已存储该功率水平的校准码。
    6. 对 1 GHz 时的各校准点重复步骤 4 和步骤 5，每次调整信号发生器的功率水平。
    7. 单击 Calibrate（校准）以计算 1 GHz 对应的斜率和截距值。此操作会将这些值存储在软件文件夹中的一个查找表中。
    8. 在信号发生器上将功率水平调整到−10 dBm 输出。
    9. 在软件窗口中单击 Power Measurement（功率测量）选项卡。
    10. 选中 Continuous（连续）复选框，然后单击 Read（读取）。
    11. RF Power（RF 功率）显示框读数为−10 dBm (1 GHz) 时。
    12. 以 1 dB 步长将功率水平从−10 dBm 提高到+15 dBm。在软件窗口中，功率水平读数最高为+15 dBm。
    13. 要停止测量，请单击 Stop（停止）。


    测试设置的功能框图

    图14所示为测试设置的功能框图。
    Functional Block Diagram of Test Setup
    图14. 测试设置的功能框图

     

    图15所示为EVAL-CN0399-SDPZ板顶部的照片。图16中的底视图显示EVAL-SDP-CS1Z板连接到EVAL-CN0399-SDPZ板。
    Top View Showing EVAL-CN0399-SDPZ Board
    图15. 显示EVAL-CN0399-SDPZ板的顶视图

     
    Bottom View Showing SDP-S Board Connected to EVAL-CN0399-SDPZ Board
    图16. 显示SDP-S板连接到EVAL-CN0399-SDPZ板的底视图