宽频带幅度比和相位差测量系统的设计

徐晓林，刘四新，屈义平

（1.沈阳航空工业学院，辽宁 沈阳 110136；2.吉林大学，吉林 长春 130000）

移动通信系统中需要经常比较不同输入信号的幅度与相位。而传统测量幅度和相位差的仪器大多采用中小规模集成电路，电路复杂，适用频率范围窄，只能测量低频或中频信号且测量结果精度低。介绍一款集测量信号幅度比和相位差于一体的AD8302器件。该器件用于RF/IF幅度和相位测量的集成电路，能同时测量从低频到2.7 GHz频率范围内2个输入信号之间的幅度比和相位差。该器件内部集成有2个精密匹配的对数检波器，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。它不仅能测量放大器、混频器等电路的增益和相位差，而且特别适用于无线基站及测试设备的检测。幅度测量时，两输入信号动态范围为±30 dB，相位测量范围可达 180°[1]。

1 AD8302简介

1.1 工作原理

AD8302的幅度和相位测量原理主要基于对数放大器的对数压缩功能，通过2个精密匹配的宽带对数检波器测量两输入通道信号的幅度和相位，对数放大器能将输入电压信号转换成分贝刻度输出，对数放大器的输出电压为：

式中，VSLP为增益斜坡电压，VIN为输入电压，VZ为截距电压。

增益测 量时 ， 采 用 VINA、VINB分别 代替 VIN和 VZ，则AD8302的输出电压为：

式中，VINA，VINB分别为两路输入电压，增益输出电压，VMAG与信号电平差值成比例。

相位差测量输出电压表达式为：

式中，Vφ代表相位差斜坡电压，mV/（°）；φ 为每个信号的相位[2]。

1.2 AD8302的测量工作模式

AD8302主要具有测量、控制和电平比较3种工作模式，但主要功能是测量幅度和相位。AD8302输出引脚VMAG和VPHS直接跟其反馈设置输入引脚MSET和PSET相连时，AD8302的测量模式默认为斜率和中心点 （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l0 mV/（°）。实际上，在测量模式下，电路的工作斜率和中心点是可通过MSET和PSET的分压来加以修改的。引脚Uref会有固定的基准电压1.8 V输出。其幅度和相位测量式为：

式中，VINA，VINB分别为 A，B 两通道的输入信号幅度，（4）式是增益函数表达式，RFISLP代表斜率是600 mV/decade或30 mV/dB，中心点900 mV代表0 dB增益，-30～30 dB测量范围覆盖0～1.8 V的整个电压范围。VPHS是相位差输出电压值，RFIΦ代表斜率是10 mV/decade，中心点900 mV代表90°相位差，0°～180°的测量范围覆盖 1.8～0 V 的整个电压范围。 0°～-180°的测量范围覆盖相同的电压范围，但斜率相反。根据AD8302的相位差响应特性曲线在 0°～-180°和在 0°～+180°时的斜率不同，即可判定两个被测信号的相位差为正或负[3]。

2 系统设计

该系统设计是针对雷达接收机接收的回波信号与发射源发射的高频信号进行测量比较，然后将比较后的幅度比与相位差的电压值送入高速单片机进行数据采集。采集后的数字信号由单片机送入PC机。发射源是由DDS输出的步进频率信号，频率为1～70 MHz，共70个频点。由于AD8302的输入信号要求在-60～0 dBm，需对发射的信号衰减后才能送到AD8302中，由于回波信号很微弱，无需衰减，可直接在发射源的功率放大电路后加一衰减电路，即由电阻组成的π型衰减电路。

2.1 宽频带幅度比和相位差测量系统电路

整个系统电路设计如图1所示，将发射源发射的信号经衰减后与回波信号分别送入AD8302的VINA，VINB两引脚，由于AD8302测量的是发射信号与回波信号的幅度比与相位差，均是电压值，且发射与接收共70个频点，即可得到幅度比与相位差共140个电压值，将模拟电压值送入单片机中进行A/D转换。由于采集速度相对不高，则要求采集精度相对高一些，这里采用Cygnal公司生产的C8051F系列的C8051F020单片机[3]。C8051F020是真正独立工作的片上系统，内置有9通道的可编程模拟多路选择器（AMUX0）、可编程增益放大器 （PGA0）和12位分辨率的逐次逼近寄存器（ADC0），其最大采样率可达100 ks/s，其转换时钟来源于系统时钟分频，由于内部的模拟多路开关，采集数据时可同时采集多路不同的模拟信号，而无需外部模拟多路开关。由AD8302输出的2路幅度比与相位差电压值送至单片机进行数据采集，由于系统需要采集2路模拟信号，所以在编程时只应用2路模拟输入端口。

图1 幅度比与相位差测量及采集系统电路

2.2 数据采集与传输

C8051F020的ADC0模拟输入端口选择AIN0.0与AIN0.1，ADC0的转换方式触发源由定时器3溢出触发。以下给出采集控制的相应寄存器的配置程序代码：

ADC0的启动转换方式有多种，这里采用定时器3溢出启动ADC0的转换，ADC0采集数据采用右对齐方式。ADC0电压基准取自VREF0引脚，即采用内部电压基准，基准电压约为2.43 V。设置AIN0和AIN1输入为独立单端输入。

3 试验结果

采集的数据经由单片机的串口送至PC机内，C8051F020具有2个串口，这里采用UART0的工作方式1，以定时器1的溢出时间函数作为波特率，采用最大波特率115 200，利用PC机超级终端接收采集后的数字信号，并将该数据保存到硬盘中。系统采用VB.6设计整个采集系统界面（图2），并利用VB的OLE控件嵌入一个文本文件，实时保存采集到的数据，采用shell函数调用相关可执行文件，包括单片机和串口的应用程序[4]。

试验应用AD8302测量2路相关信号的相位差与幅度比，采用标准信号发生器产生2路信号，其中一路作为参考信号，其初始相位为0°保持不变，另一路作为测量信号，其相位由 0°～180°变化，-180°～0°变化，在不同频率情况下进行测量，表1为在25 MHz频率下，测得的相位差和幅度比。

图2 数据采集与接收

表1 25 MHz频率下，相位差与幅度比

4 结论

在实际测量应用中，需要注意AD8302对输入信号功率的限制，对于50 Ω系统，应保证输入功率在-60～0 dBm，以免输入信号过大导致器件烧坏，而信号过小则不能准确测量增益与相位差。AD8302内部集成有测量幅度和相位的性能，大大简化了幅相检测系统电路设计。该系统设计不仅可同时测量2路信号的增益与相位差，还可利用C8051F020单片机对增益与相位差值分时采集[5-6]。通过VB编写数据采集与接收的界面，将A/D转换后的数据实时保存，实际应用性强。

[1]曹兰娟.基于AD8302芯片的新的幅相测量系统[J].电子工程师，2007（3）：6-8.

[2]沙占友，刘阿芳.基于AD8302的单片宽频带相位差测量系统的设计[J].电子设计工程，2006（1）：57-60.

[3]尹 莹，陈 南.基于AD8302的幅相测量模块侧试技术[J].无线电工程，2004（1）：59-61.

[4]沙占友.智能传感器系统设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2004.

[5]潘琢金，施国君.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用[M].北京：航空航天出版社，2002.

[6]梁书豪.C8051F020 MCU在高速数据采集系统中的应用[J].电气应用，2007，26（4）：35-37.