通过软件校准的50MHz至9GHz RF功率测量系统

电路 功能 与优势

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。

测量结果在12位ADC(AD7466)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。

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。

单个电路实现了约±0.5 dB的温度稳定性。
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 。
通过 软件 校准的50 MHz至9 GHz RF 功率 测量系统 (CN0178)
通过软件校准的RF功率测量系统

图1. 通过软件校准的RF功率测量系统

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。

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。

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）

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） [p]

该检波器的传递函数可通过以下公式计算近似值：

VOUT = SLOPE_DETECTOR × (PININTERCEPT)

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。

在ADC输出端，VOUT由ADC输出代码取代，公式可改写为：

CODE = SLOPE × (PININTERCEPT)

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。

700 MHz下的ADC输出代码及误差与RF输入功率的关系

图3. 700 MHz下的ADC输出代码及误差与RF输入功率的关系

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 方案 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)
INTERCEPT1= CODE_1/(SLOPE_ADC × PIN_1)

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。

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。 [p]

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：

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。

图4和图5分别显示电路在1 GHz和2.2 GHz下的性能。

图4. 1 MHz下的ADC输出代码及误差与RF输入功率的关系

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 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*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。*估控制板2(EVAL-CONTROL-BRD2Z)通过测试室门内的插槽连接至AD7466*估板；也就是ADL5902和AD7466*估板位于测试室内部，*估控制板留在外部。控制板用于发送、接收和捕捉来自AD7466*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*估软件。ADL5902*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*估板原理图和ADL5902数据手册。

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。