软件校准的1 MHz至8 GHz、60 dB RF功率测量系统设计

在当今的电子设计领域，RF功率测量系统的设计是一个关键课题。本文将详细介绍CN - 0150电路，这是一款软件校准的1 MHz至8 GHz、60 dB RF功率测量系统，希望能为电子工程师们在相关设计中提供有价值的参考。

文件下载：EVAL-CN0150A-SDPZ.pdf

1. 电路概述

1.1 参考电路优势

Circuits from the Lab™参考电路经过精心设计和测试，旨在实现快速且简便的系统集成，有效解决当前模拟、混合信号和RF设计中的挑战。CN - 0150电路便是其中之一，更多信息可访问www.analog.com/CN0150 。

1.2 相关器件

该电路主要涉及以下器件：

• AD8318：1 MHz至8 GHz、70 dB对数检测器/控制器。
• AD7887：2.7 V至5.25 V、微功耗、2通道、125 kSPS、12位ADC，采用8引脚MSOP封装。
• ADR421：精密、低噪声、2.5 V参考源。

2. 电路功能与优势

2.1 功率测量范围

此电路能够在1 MHz至8 GHz的任意频率下，测量约60 dB范围内的RF功率。测量结果以数字代码形式输出，通过具有串行接口和集成参考源的12位ADC实现。

2.2 接口特性

RF检测器的输出与ADC实现无缝接口，无需进一步调整即可利用ADC的大部分输入范围。

2.3 校准方式

采用简单的两点系统校准，在数字域中完成。AD8318在1 MHz至6 GHz的信号下能保持精确的对数一致性，在8 GHz也能正常工作，其典型输出电压温度稳定性为±0.5 dB。

2.4 ADC配置

AD7887 ADC可通过片上控制寄存器配置为双通道或单通道操作，默认单通道模式可使其作为只读ADC运行，简化控制逻辑。文中给出了这两个器件在−40°C至+85°C温度范围内的典型数据。

3. 电路描述

3.1 信号输入与处理

待测量的RF信号输入到AD8318，该器件配置为测量模式，VSET和VOUT引脚相连。在此模式下，输出电压与输入信号电平呈线性dB关系（标称−24 mV/dB），典型输出电压范围为0.5 V至2.1 V。

3.2 ADC连接与分辨率

AD8318的输出直接连接到12位ADC AD7887。ADC使用内部参考源，配置为0 V至2.5 V输入，LSB大小为610 μV。由于RF检测器标称−24 mV/dB，数字分辨率为39.3 LSBs/dB，因此无需将RF检测器的0.5 V至2.1 V信号精确缩放以适配ADC的0 V至2.5 V范围。

3.3 传输函数与校准

• 检测器传输函数：可近似表示为 (V{OUT }=SLOPE timesleft(P{IN}- INTERCEPT right))，其中SLOPE为mV/dB（标称−24 mV/dB），INTERCEPT为x轴截距（单位dBm，标称20 dBm），(P_{IN})为输入功率（dBm）。
• ADC输出方程：(CODE_OUT = SLOPE_ADC times(PIN - INTERCEPT))，其中SLOPE_ADC为codes/dB，PIN和INTERCEPT为dBm。
• 系统校准：由于系统的斜率和截距因器件而异，需要进行系统级校准。通过施加接近AD8318线性输入范围端点的两个已知信号电平，并测量ADC的相应输出代码来完成校准。所选校准点应在器件的线性工作范围内（本例中为−10 dBm和−50 dBm）。利用两个已知输入功率电平 (PIN_1) 和 (PIN_2) 以及相应的ADC代码 (CODE_1) 和 (CODE_2)，可计算出 (SLOPE_ADC) 和 (INTERCEPT)：
  • (SLOPE_ADC = (CODE_2 - CODE_1) / (PIN_2 - PIN_1))
  • (INTERCEPT = PIN_2 - (CODE_2 / SLOPE_ADC))
  • 校准后，可根据 (PIN = (CODE_OUT / SLOPE_ADC) + INTERCEPT) 计算未知输入功率电平。

3.4 系统性能与误差

通过图3至图8可以看出系统传输函数与直线方程的偏差，特别是在传输函数的端点处。偏差用dB表示：(Error (dB) = Measured Input Power - True Input Power = (CODE_OUT / SLOPE_ADC) + INTERCEPT - PIN_TRUE)。这些图表展示了使用AD8318和AD7887BR的RF功率测量系统的典型性能，使用低漂移外部ADC电压参考可提高系统性能并降低温度漂移。

4. 常见变化

4.1 温度测量

AD7887的第二个输入通道可连接到AD8318的TEMP引脚，方便测量AD8318周围的环境温度，该电压输出也需校准。

4.2 器件替换

• 若最终应用只需单通道，可使用12位AD7495。
• 在需要多个ADC和DAC通道的多通道应用中，可使用AD7294，该芯片除提供四个12位DAC输出外，还包含四个未使用的ADC通道、两个高端电流检测输入和三个温度传感器，电流和温度测量可通过I2C兼容接口数字转换并读取。

4.3 温度稳定性改进

使用外部ADC参考源可提高电路的温度稳定性。AD7887内部2.5 V参考源的漂移为50 ppm/°C，在125°C范围内约为15 mV，对温度漂移误差预算贡献约±0.3 dB；AD8318在类似温度范围内的温度漂移约为±0.5 dB。推荐使用ADR421 2.5 V参考源，其1 ppm/°C的温度漂移在−40°C至+85°C范围内参考电压变化仅为312 μV，对系统整体温度稳定性影响可忽略不计。

4.4 其他器件选择

若需要更小的动态范围，可使用AD8317（55 dB）或AD8319（45 dB）对数检测器；若需要真均方根响应功率测量，可使用AD8363（50 dB）或ADL5902（65 dB）。

5. 电路评估与测试

5.1 评估板与平台

该电路使用EVAL - CN0150A - SDPZ电路板和EVAL - SDP - CB1Z系统演示平台（SDP）评估板，两块板通过120引脚匹配连接器连接，便于快速设置和评估电路性能。

5.2 所需设备

• 带有USB端口的PC，运行Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows 7（32位）。
• EVAL - CN0150A - SDPZ电路评估板。
• EVAL - SDP - CB1Z SDP评估板。
• CN0150A评估软件。
• 6 V电源或6 V墙式适配器。
• 环境试验箱。
• RF信号源。
• 带SMA连接器的同轴RF电缆。

5.3 操作步骤

• 软件加载：将CN0150A评估软件CD放入PC的CD驱动器，通过“我的电脑”找到包含评估软件CD的驱动器，打开readme文件，按说明安装和使用评估软件。
• 电路连接：将EVAL - CN0150A - SDPZ电路板的120引脚连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z评估板的CON A连接器，用尼龙硬件固定；用RF电缆将RF信号源连接到EVAL - CN0150A - SDPZ板的SMA RF输入连接器；关闭电源，将6 V电源连接到板上的+6V和GND引脚，若有6 V墙式适配器，可连接到板上的桶形连接器；将SDP板附带的USB电缆连接到PC的USB端口，但此时不要连接到SDP板的迷你USB连接器。
• 测试过程：给连接到EVAL - CN0150A - SDPZ电路板的6 V电源（或墙式适配器）供电，启动评估软件，将PC的USB电缆连接到SDP板的USB迷你连接器。建立USB通信后，SDP板可用于发送、接收和捕获EVAL - CN0150A - SDPZ板的串行数据。

6. 学习资源

• CN0150设计支持包：http://www.analog.com/CN0150 - DesignSupport
• SDP用户指南
• 相关教程：MT - 031、MT - 077、MT - 078、MT - 101等。
• 参考书籍：Whitlow, Dana的《Design and Operation of Automatic Gain Control Loops for Receivers in Modern Communications Systems》第8章。
• 数据手册和评估板：CN - 0150电路评估板、系统演示平台、AD7887、AD8318、ADR421的数据手册和评估板。

在实际设计中，工程师们可以根据具体需求对电路进行灵活调整和优化。大家在设计过程中是否遇到过类似电路的难题呢？欢迎在评论区分享交流。