软件校准的RF功率测量系统设计与实践

引言

在当今的电子设计领域，RF功率测量是一个关键的环节，它广泛应用于通信、雷达、测试与测量等众多领域。本文将详细介绍一款由ADI公司设计的软件校准的RF功率测量系统（CN - 0178），深入剖析其电路功能、工作原理、校准方法以及测试过程，为电子工程师们提供有价值的参考。

文件下载：EVAL-CN0178-SDPZ.pdf

电路概述

CN - 0178电路使用ADL5902 TruPwr™探测器来测量具有不同波峰因数（峰均比）的RF信号的均方根（rms）信号强度，动态范围约为65 dB，工作频率从50 MHz到9 GHz。测量结果通过12位ADC（AD7466）以串行数据形式输出。该电路在数字域进行简单的4点系统校准，RF探测器与ADC之间的接口简单，仅由两个信号缩放电阻组成，无有源组件。同时，ADL5902内部的2.3 V参考电压为微功耗ADC提供电源和参考电压，AD7466无流水线延迟，作为只读逐次逼近寄存器（SAR）ADC运行，整体电路实现了约±0.5 dB的温度稳定性。

电路工作原理

RF信号输入与匹配

被测量的RF信号施加到ADL5902的输入，外部60.4 Ω电阻R3与ADL5902相对较高的输入阻抗相结合，确保了与RF输入的宽带50 Ω匹配。ADL5902配置为“测量模式”，VSET和VOUT引脚相连，此时输出电压与输入的均方根值的对数成正比，读数直接以分贝表示，比例为每十倍频程1.06 V，即53 mV/dB。

ADC供电与信号缩放

AD7466 12位ADC的电源电压和参考电压由ADL5902内部的2.3 V参考提供。由于AD7466在10 kSPS采样时仅消耗16 µA电流，ADL5902的参考电压输出不仅能为ADC供电，还能为包括R9、R10、R11和R12的温度补偿和均方根精度缩放网络供电。ADC的满量程电压为2.3 V，而探测器在其线性输入范围内的最大输出电压约为3.5 V，因此需要使用由R10（1.21 kΩ）和R11（2.0 kΩ）组成的简单电阻分压器将信号按0.657的系数缩放，实际缩放系数为0.623，为电阻公差留出了一定余量，避免ADL5902 RF探测器使ADC过载。

探测器传递函数与ADC输出

探测器的传递函数可以近似表示为 [VOUT = SLOPE_DETECTOR times( PIN - INTERCEPT )]，其中SLOPE_DETECTOR单位为mV/dB，INTERCEPT为x轴截距，单位为dBm，PIN为输入功率，单位为dBm。在ADC输出端，VOUT被ADC的输出代码CODE取代，方程变为 [CODE = SLOPE times( PIN - INTERCEPT )]，其中SLOPE是探测器、缩放电阻和ADC的组合斜率，单位为计数/dB。

系统校准

由于RF探测器、缩放电阻和ADC的传递函数存在器件间差异，导致整体SLOPE和INTERCEPT在不同系统中会有所变化，因此需要进行系统级校准来确定完整的系统SLOPE和INTERCEPT。在本应用中，采用4点校准来校正RF探测器传递函数中的一些非线性，特别是在低端。这种4点校准方案产生三个SLOPE和三个INTERCEPT校准系数，校准后应存储在非易失性RAM（NVM）中。

校准过程是将四个已知信号电平施加到ADL5902，并测量ADC的相应输出代码。校准点应选择在器件的线性工作范围内，例如本文使用的0 dBm、−20 dBm、−45 dBm和−58 dBm。SLOPE和INTERCEPT校准系数通过以下方程计算： [SLOPE1 = (CODE_1 - CODE_2) / (PIN_1 - PIN_2)] [INTERCEPT1 = CODE_1 / (SLOPE_ADC × PIN_1)] 然后分别使用CODE_2/CODE_3和CODE_3/CODE_4重复计算SLOPE2/INTERCEPT2和SLOPE3/INTERCEPT3。六个校准系数应与CODE_1、CODE_2、CODE_3和CODE_4一起存储在NVM中。

在电路现场运行时，使用这些校准系数通过方程 [PIN = (CODE / SLOPE) + INTERCEPT] 计算未知输入功率电平。为了在电路运行期间获取适当的SLOPE和INTERCEPT校准系数，需要将ADC的观测代码与CODE_1、CODE_2、CODE_3和CODE_4进行比较。例如，如果ADC的代码在CODE_1和CODE_2之间，则应使用SLOPE1和INTERCEPT1。此步骤还可用于提供欠量程或超量程警告，例如，如果ADC的代码大于CODE_1或小于CODE_4，则表示测量功率超出了校准范围。

电路性能与误差分析

性能表现

通过图3、图4和图5可以看到，在不同频率（700 MHz、1 GHz和2.2 GHz）下，电路的ADC输出代码和误差随RF输入功率的变化情况。同时，还展示了不同温度（−40°C、+25°C和+85°C）下的性能。

误差来源

电路的误差函数由传递函数边缘的弯曲、线性工作范围内的小波纹以及温度漂移引起。误差以dB表示，计算公式为 [Error (dB) = Calculated RF Power - True Input Power = (CODE / SLOPE) + INTERCEPT - PIN_TRUE]。

常见变化与替代方案

RF探测器替代

对于需要较小RF检测范围的应用，可以使用AD8363 rms探测器，其检测范围为50 dB，工作频率高达6 GHz。对于非均方根检测应用，可以使用AD8317/AD8318/AD8319或ADL5513，这些器件提供不同的检测范围，输入频率范围高达10 GHz。

ADC替代

AD7466是单通道12位ADC，具有SPI接口。如果最终应用需要多通道ADC，可以使用双12位AD7887。在需要多个ADC和DAC通道的多通道应用中，可以使用AD7294，该子系统芯片除了提供四个12位DAC输出外，还包括四个未使用的ADC通道、两个高端电流检测输入和三个温度传感器，电流和温度测量通过I2C兼容接口进行数字转换和读取。

电路评估与测试

所需设备

• 带有USB端口和Windows® XP、Windows Vista®（32位）或Windows® 7（32位）的PC
• EVAL - CN0178 - SDPZ电路评估板
• EVAL - SDP - CB1Z系统演示平台（SDP）评估板
• CN0178评估软件
• +6 V电源或+6 V“墙式电源”
• 环境试验箱
• RF信号源
• 带有SMA连接器的同轴RF电缆

测试步骤

1. 软件加载：将CN0178评估软件光盘放入PC的CD驱动器，使用“我的电脑”找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件，按照文件中的说明安装和使用评估软件。
2. 电路连接：将EVAL - CN0178 - SDPZ电路板上的120针连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z评估（SDP）板上标记为“CON A”的连接器，使用尼龙硬件通过120针连接器两端的孔牢固固定两块板。使用适当的RF电缆将RF信号源通过SMA RF输入连接器连接到EVAL - CN0178 - SDPZ板。在电源关闭的情况下，将+6 V电源连接到板上标记为“+6 V”和“GND”的引脚，如果有+6 V“墙式电源”，可以将其连接到板上的桶形连接器代替+6 V电源。将SDP板附带的USB电缆连接到PC的USB端口，但此时不要将USB电缆连接到SDP板上的迷你USB连接器。
3. 测试执行：向连接到EVAL - CN0178 - SDPZ电路板的+6 V电源（或“墙式电源”）供电，启动评估软件，将PC的USB电缆连接到SDP板上的USB迷你连接器。建立USB通信后，SDP板可用于发送、接收和捕获来自EVAL - CN0178 - SDPZ板的串行数据。

总结

CN - 0178软件校准的RF功率测量系统为电子工程师提供了一种可靠的RF功率测量解决方案。通过详细的电路设计、校准方法和测试过程，我们可以看到该系统在不同频率和温度条件下的性能表现。同时，提供的常见变化和替代方案为工程师在不同应用场景下的设计提供了更多选择。在实际设计中，工程师们需要根据具体需求选择合适的器件和校准方法，同时要注意PCB布局对电路性能的影响，以确保系统的稳定性和准确性。你在实际应用中是否遇到过类似的RF功率测量问题？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。