基于AD8302的单片宽频带相位差测量系统设计

摘要：在移动通信系统中，经常需要精确测量相位差。详细阐述了AD8302构成的宽频带相位差及频率测量系统。该系统可精确测量从低频到射频范围内0°~360°的相位差（测量误差小于0.5°），-60dBm~0dBm范围内的功率电平以及10MHz以下的频率。
关键词：相位差；增益；频率；相位检波器；测量系统；AD8302
中图分类号：TN911.23  文献标识码：A  文章编号：1006-6977（2006）01-0057-04

1 引言
       传统的相位差测量仪需要采用多个中小规模集成电路，不仅电路复杂，测量相位差的精度低，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推出的AD8302型相位检测器设计的宽频带相位差及频率测量系统。该系统能精确测量2个独立的射频（RF）、中频（IF）或低频信号的增益、相位差及频率。可广泛用于全球移动通信系统（GSM），码分多址（CDMA）、宽带码分多址（WCDMA）、时分多址（TDMA）移动电话、个人通信业务（PCS）及宽带基础设施网络等领域。

2 AD8302的性能特点
       AD8302内部包含2个精密匹配的宽带对数放大器、1个宽带相位检测器、1.8V精密基准源、以及模拟标定电路和接口电路，能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内2个输入信号之间的增益（亦称幅度比）和相位差。由于该器件内部集成2个精密匹配的对数放大器，因此可将温度漂移降至最低限度。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。

      测量增益时，2个输入信号的动态范围为±30dB，输出电平的灵敏度为30mV/dB，误差小于0.5dB。对应于－30dB的输出电压为30mV，而对应于＋30dB的输出电压为1.8V。输出电流为8mA，转换速率为25V/μs。
 
     测量相位差的范围是0°－180°，对应的输出电压变化范围是0V－1.8V，输出电压灵敏度为10mV/度，测量误差小于0.5°。当相位差Δψ＝0°时，输出电压为1.8V；当Δψ＝180°时，输出电压为30mV，输出电流为8mA。相位输出时的转换速率为30MHz，响应时间为40ns－500ns（视被测相位差而定）。
   
       AD8302还具有3种工作模式：相位测量模式、输入电平比较器模式和相位控制器模式。利用相位控制模式可构成相位控制器。
   
       增益及相位差的小信号包络带宽均为30MHz（将MFLT端开路），利用外部滤波电容器可减小带宽。对于特性阻抗为50Ω的相位差测量系统，输入功率电平的范围为－60dBm－0dBm。

3 AD8302的测量原理
       AD8302的内部电路框图如图1所示。主要包括2个精密匹配的解调式对数放大器，1个乘法器型的相位检测器，3个加法器（Σ），1组输出放大器，偏置电路和基准电压缓冲器。输入信号可以是单端信号，也可以是差分信号。在低频段，这些信号的输入阻抗通常为3KΩ，每个对数放大器6个10dB增益级串联而成，6个增益级带有7个辅助检波器。每个增益级的－3dB的带宽都超过5GHz。利用这2个对数放大器可以测量2个输入信号的增益（或幅度比）。如果测量变频增益（或变频衰减），这2个信号也可以是不同频率的信号。如将被测信号加到1个输入端，而将标准信号加到另1个输入端，AD8302还可用来测量绝对电平。乘法器型的相位检测器能实现精确的相位平衡，在很宽的频率范围内相位差的测量精度与信号电平无关。对数放大器和相位检波器对输入高频信号进行处理后，就以电流的形式把增益和相位差信息送至输出放大器，再由输出放大器最终决定增益灵敏度和相位差灵敏度，外部滤波电容器可分为每路输出提供平均时间常数。基准电压缓冲器提供1.8V、5mA的基准电压源。

    AD8302还可以作为控制器使用。当作为增益控制器时，必须将增益输出端（UMAG）和设定端（MSET）之间的反馈电路断开，把MSET作为所需要的设置点，再利用UMAG信号控制外部增益调节器，当作为相位差控制器时，应断开相位差输出端（UPHS）与其设定端（PSET）之间的反馈电路，然后用UPHS信号控制外部的相位调节器。AD8302能精确测量2个信号之间的增益和相位差，测量原理如下所述。

       对数放大器能将宽度范围的输入电压信号变成窄范围的分贝刻度输出，对数放大器的输出电压为：
   
    式中，USLP为增益斜坡电压，UIN为输入电压。UZ为参考电压，lg（UIN/UZ）为2个输入电压的分贝比。
   
       测量增益时，分别用UINA和UINB来代替UIN、UZ、AD8302的输出就变成
   

    式中，UINA和UINB为2路输入电压，UMAG为增益输出电压，与信号电平的差值相对应。

       相位差输出电压的表达式为
   

    式中，Uψ为相位差斜坡电压，单位是mV/度；ψ为每个信号的相位，单位是度。相位检波器具有180°的相位差范围。该相位差范围既可以是0°～＋180°（以90°为中心），也可以是0°～－180°（以－90°为中心）。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2个被测信号的相位差为正或者为负。

        在处理射频系统时经常要用到史密斯（Smith）圆图，它是计算传输线阻抗的重要工具。史密斯圆图是由许多圆周交织而成的。利用它，不做任何计算即可得到1个复杂系统的匹配阻抗，唯一要做的是沿着圆周线读取并跟踪数据。所有的圆周只有1个公共交点（公切点），每个圆周对应于1个阻抗值。AD8302在100MHz－3GHz的频率范围内，每个输入端阻抗的史密斯圆图如图2所示。终端电阻器RT的阻值由下式确定：

   
    式中，RIN为输入电阻，RS为电源内阻。

4 宽频带相位差测量系统的电路设计
4.1 宽频带相位差测量系统
        AD8302的典型应用电路如图3所示，R1和R2为输入端电阻器。R3为UREF输出端的负载。C1和C4为交流输入的耦合电容器，C2和C3为滤波电容器，C5和C6为电源退耦电容器。S1为增益测量模块/比较器模式选择开关，将S1拨至a挡时选择增益测量模式；拨至b挡时进入比较器模式，MSET端接设定电压。S2为相位差测量模式/比较器模式选择开关，将S2拨至a挡时选择相位差测量模式；拨至b挡时工作在比较器模式，PSET端接设定电压。

4.2 宽频带相位差/频率测量系统
        宽频带相位差及频率测量系统的电路框图如图4所示。2路相位信号U1、U2分别送至AD8302的A通道和B通道，AD8302测出的相位差信号再送给由MC14433型单片A/D转换器构成的31/2位数字电压表。MC14433通过段译码驱动器（CD4511）和位驱动器（MC1413）驱动31/2位共阴极LED数码管，直接显示被测相位差。测量相位差的范围是0°－180°，分辨率达0.1°。

    测频电路采用ICM7226B型单片8位10MHz通用频率计数器，配置少量外围元件即可准确测量频率和周期，它还能测量频率比、时间间隔及累计数。该频率计数器具有自校准功能。测量范围是0MHz－10MHz，最高分辨率可达0.000 1Hz。
   
     MC14433和ICM7226B输出的BCD码送至89C51型单片机进行数据处理。为简化电路，还可选用带1O位ADC的PIC16F874型单片机。PIC16F874是美国微科技（Microchip）公司生产的高性价比8位单片机，内含8路逐次逼近式10位A/D转换器，这里仅用其中1路。

4.3 反射计电路
         用AD8302还可构成反射计（Reflect Meter），通过测量入射到负载的信号和从负载反射的信号的增益及相位差，最终计算出反射系数γ。反射系数的计算公式为
   
   
    式中，ZL是用复数表示的负载阻抗，Z0是系统的特征阻抗。反射系数常常用来计算阻抗失配程度及驻波比（SWR）。反射系数通常用分贝表示。
       
      由AD8302构成反射计的电路如图5所示，该电路可以测量反射系数。反射计包括20dB电阻衰减器和1dB电阻衰减器，由阻容元件构成的一对定向耦合器A和B可对入射信号和反射信号进行采样。A、B通道的耦合系数和衰减系数分别由下式确定：

 
     式中，γNOM为标定反射系数，单位是dB，对无源负载而言，该系数为负值。当输入信号为10dB和标定反射系数为－19dB时，可使用一对20dB的耦合器，当POPT＝330dBm时，衰减器A和B的衰减量分别为1dB和2dB。当增益灵敏度为30mV/dB，相位差灵敏度为10mV/度时，UMAC端和UPHS端分别输出被测反射系数γ的幅度信号和相位信号。当γ＝－19dB时，UMAG端的输出为900mV。