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基于AD8302芯片的新的幅相测量系统
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引言
传统的幅度、相位差、阻抗测量需要采用多个中小规模集成电路，不仅电路复杂，测量精度低，而且适用的频率范围窄，只能测量低频或中频信号。本文介绍利用美国ADI公司最近推出的AD8302芯片测量RF／IF幅度和相位差并计算阻抗。此芯片是测量幅度、相位差的首款单片集成电路，可广泛用于GSM(全球移动通信系统)，电力系统的阻波器、结合滤波器等领域。
1 AD8302性能特点
AD8302内含两个精密匹配宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等，能同时测量从低频到2.7 GHz频率范围内的两个输入信号之间的幅度比和相位差。该器件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度，因此，AD8302不仅能测量放大器、混频器等电路的增益和相位差，而且特别适合对无线基站及测试设备的检测。
两个输入信号的动态范围为±30 dB，输出电平的灵敏度为30 mV／dB，输出电流为8mA，转换速率为25 V／μs；相位测量范围可达180°，相位输出时的转换速率为30 MHz，响应时问为40 ns～ 500 ns(视被测相位差而定)；增益及相位差的小信号包络带宽均为30 MHz(将MFLT端开路)，利用外部滤波电容器可减小带宽。
2 AD8302工作原理及模式
2.1 AD8302幅度和相位测量原理
AD8302幅度和相位测量工作模式连接如图1所示。其原理是基于对数放大器具有对数压缩的功能，一般数学表达式为：
式中：Vin为输入电压；VZ为截距；Valp为斜率。
AD8302正是利用上述原理，通过精密匹配的2个宽带对数检波器来实现对2个输入通道信号的幅度和相位测量，其幅度和相位测量方程式为：
式中：VinA为A通道的输入信号幅度；VinB为B通道的输入信号幅度；Vmag为幅度比较输出；φ(VinA)为A通道的输入信号相位；φ(VinB)为B通道的输入信号相位；Vφ为斜率；Vphs为相位比较输出。
2.2 AD8302测量工作模式
AD8302有测量、控制器和电平比较器3种工作方式，但主要功能是测量幅度和相位。如图1所示，当芯片输出引脚VMAG和VPHS直接与芯片反馈设置输入引脚MSET和PSET相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30 mV／dB，精确相位测量比例系数为10 mV／(°))。另外，在测量模式下，工作斜率和中心点可以通过引脚MSET和PSET的分压加以修改。
在低频条件下，幅度和相位测量方程式为：
式中：PinA和PinB为功率(单位为dBm)，在指定的参考阻抗下，它们可以与VinA和VinB(单位为V)等价。
对于幅度测量方程，RfIslp代表斜率为600 mV／(°)或30 mV／dB，中心点900 mV代表0 dB增益，-30 dB～+30 dB增益范围对应0 V～1.8 V输出电压范围。对于相位测量方程，RfIφ代表斜率为10 mV(°)，中心点900mV对应90°，0°～180°的相位范围对应1.8 V～0 V的输出电压范围。默认测量模式下的幅度和相位的理想响应特性曲线如图2、图3所示。
3 AD8302典型应用
由于AD8302将测量幅度和相位的能力集中在一块集成电路内，所以由它构成的系统能精确判断信号的纯度，并对系统性能水平进行精密监测和校准。目前可以广泛应用于RF／IF功率放大器线性比的测量，下面介绍典型的应用。
3.1 测量放大器或混频器的插人损耗和相位
AD8302最基本的应用是监测诸如放大器、混频器等电路的幅度和相位响应特性。如图4所示，通过定向耦合器DCB或DCA耦合取样黑匣的输入和输出信号，衰减器ATTENA和ATTENB的作用是使耦合器耦合取样的信号幅度低于AD8302输入信号幅度的动态范围。通过对AD8302动态范围的讨论，对于50 Ω系统而言，其两通道点位于POPT=30 dBm处，为了达到最佳点，耦合系数和衰减因子可由下式得到：
式中：Ca和Cb为耦合系数；La和Lb为衰减因子；Gnom为放大器额定增益。
3.2 测量电力阻波器的阻抗(Rh、Xb、Zb)参数
电力阻波器一般由电感型式的主线圈、调谐装置以及保护元件组成，串接在高压输电线中，经适当调谐，对载波频带(40 kHz～500 kHz)呈现较高阻抗，而工频阻抗可忽略不计，用来限制电力系统分支点载波功率的损失。
电力阻波器测量系统的原理框图见图5，用DDS(直接数字合成器)AD9850作为信号源，被测信号Ui经输入接口电路送至AD8302的A通道和B通道，AD8302测出的幅度、相位再经过A／D转换后给S3C44B0主控制器，主控制器换算后发给采色LCD(液晶显示器)，直接显示被测幅度、相位差及测试时间，测量误差小于1％，并保存到M48T37带日历时钟存储器中。
阻抗测量接口电路见图6，其中：U0为测试信号源；R0为信号源内阻；N1、N4为跟随器；N3为反相器；N2和R为组成电流／电压转换器。
ZX是被测阻抗，A通道和B通道同时测量ZX两端的电压和流经ZX的电流。根据复数运算规则可写出如下表达式：
式中，R为已知值，AD8302同时测量2个输入信号的幅度比VinA／VinB以及相位差φ，就可计算出Rb、Xb和Zb的值。
根据相位测量方程和响应曲线可知，相位比较输出Vphs只与2个信号相位差的绝对值有关，因此无法判定电抗分量的符号。由于测试信号源采用DDS，可实现快速编程和跳频，采取f+△f的测量方法，来判定电抗分量的符号，即感性还是容性分量。
4 结束语
AD8302能将测量幅度和相位的能力集中在一块集成电路内，使原本十分复杂的幅相检测系统的设计大大简化，而且系统性能得到极大提高。据此设计的电力阻波器、结合滤波器自动 测试仪，由于体积小、重量轻、测试准确、耗电省，给现场检修测试带来了极大方便，并且系统的可靠性很高。
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