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通过软件校准的50 MHz至9 GHz RF功率测量系统

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通过软件校准的50 MHz至9 GHz RF功率测量系统 Rev.0 “Circuits from the Lab” from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested an...
通过软件校准的50 MHz至9 GHz RF功率测量系统
Rev.0 “Circuits from the Lab” from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any “Circuit from the Lab”. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 电路电路笔记 CN-0178CN-0178 连接/参考器件 连接/参考器件 利用 ADI 公司产品进行电路设计 TM50 MHz至 9 GHz、65 dB TruPwr 检 波器 ADL5902放心运用这些配套产品迅速完成设计。 欲获得更多信息和技术支持,请拨打 4006-100-006 或 访问 AD7466 微功耗、12位、200 kSPS SAR ADC www.analog.com/zh/circuits 。 通过软件校准的 50 MHz 至 9 GHz RF 功率测量系统 电路功能与优势 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。 TM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。 整个电路实现了约±0.5 dB的温度稳定性。 AD7466测量结果在 12位ADC( )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。 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 CN-0178 电路笔记 Rev. 0 | Page 2 of 4 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。 在ADC输出端,VOUT由ADC输出代码取代,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;PIN和 INTERCEPT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。 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 3. 700 MHz下的 ADC输出代码及误差与 RF输入功率的关系 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)。 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) 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 INTERCEPT1= CODE_1/(SLOPE_ADC × PIN_1) 该检波器的传递函数可通过以下公式计算近似值: 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。 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。 电路笔记 CN-0178 Rev. 0 | Page 3 of 4 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: 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 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。 MT-031教程、MT-101教程和高速印刷电路板 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。 图 4 图 5分别显示电路在 1 GHz和 2.2 GHz下的性能。 和 图 4. 1 MHz下的 ADC输出代码及误差与 RF输入功率的关系 CN-0178 电路笔记 (Continued from first page) "Circuits from the Lab" are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the "Circuits from the Lab" in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the "Circuits from the Lab". Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, "Circuits from the Lab" are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any "Circuits from the Lab" at any time without notice, but is under no obligation to do so. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. ©2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN09331sc-0-10/10(0) w w w . a n a l o g . c o m Rev. 0 | Page 4 of 4 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或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。 进一步阅读 Ardizzoni, John. A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout, Analog Dialogue 39-09, September 2005. CN-0150 Circuit Note, Software Calibrated, 1 MHz to 8 GHz, 70 dB RF Power Measurement System Using the AD8318 Logarithmic Detector, Analog Devices. MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND”, Analog Devices. MT-073 Tutorial, High Speed Variable Gain Amplifiers (VGAs), Analog Devices. MT-077 Tutorial, Log Amp Basics, Analog Devices. MT-078 Tutorial, High Speed Log Amps, Analog Devices. MT-081 Tutorial, RMS-to-DC Converters, Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices. Whitlow, Dana. Design and Operation of Automatic Gain Control Loops for Receivers in Modern Communications Systems. Chapter 8. Analog Devices Wireless Seminar. 2006. 数据手册和评估板 ADL5902 Data Sheet ADL5902 Evaluation Board AD7466 Data Sheet AD7466 Evaluation Board 修订历史 10/10—Rev. 0: Initial Version
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