USB总线微波功率计设计

  微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数。当待测信号频率进入微波频段时，功率便成为更可靠的测量对象。在无线通信系统、微波设备和微波器件的设计和测试过程中，微波功率计是必不可少的测试仪器[1]。
　本文基于虚拟仪器思想，设计了功率计探头，编写了功率计软件。功率计探头采用二极管检波、微弱信号检测、高速USB总线等技术，完成微波功率到直流电压信号的转换、采集和传输。功率计软件以NI公司LabWindows/CVI为开发环境，利用NI-VISA和多线程技术实现设备管理、测量控制以及图形用户接口。实际应用表明，充分利用USB总线即插即用、扩展方便的特点和软件的可移植性，本文设计的USB总线微波功率计能够实现与配备Windows操作系统、具有USB接口的计算机、频谱仪等多种设备适配。
1 测量原理
　二极管检波式USB总线微波功率计通过检测二极管检波输出电压，然后针对二极管检波特性进行数字校准和补偿，获取待测信号功率值。USB总线微波功率计组成结构如图1所示。

    功率计探头利用双检波二极管将输入的微波信号转化为直流电压信号，经斩波后转化为方波信号，依据信号的大小经过量程选择进入低噪声、高增益的前置级放大电路，放大后的信号通过带通滤波、后级放大等操作后利用A/D芯片进行采集，将采集到的数据初步处理后通过USB总线送入主机处理,全部过程在CPLD控制下完成。为实现功率计的调零、校准、补偿等功能，功率计探头还包括温度传感器、直流校准源、EEPROM等。主机功率计软件主要包括USB控制器固件程序、基于NI-VISA的底层硬件驱动程序和基于LabWindows/CVI的用户应用程序，共同实现对USB外设的控制、数据采集、校准补偿、显示和存储等功能。
2 功率计探头设计
　功率计探头主要用来实现微波功率到直流电压信号的转化、采集和传输，研制过程中需要重点解决二极管检波、微弱信号检测、高速USB总线通信等问题。
2.1二极管检波电路
　二极管平均功率检波器采用平衡配置的双二极管检波方式，基于多种校准和补偿技术，使得单个二极管平均功率计探头的动态范围达到了-70 dBm～＋20 dBm。二极管检波器的原理如图2所示。

    输入的微波信号经过电容C隔离掉直流分量后经3 dB衰减器进入50 Ω匹配负载和双二极管检波器，两个检波二极管分别输出V+、V-的正、负两路直流信号(设其幅值A、-A)，通过视频滤波电容Cb送入平衡斩波电路处理。这种平衡配置双二极管全波检波可以有效消除低功率测量时由不同金属连接导致的接触电压问题。为实现对二极管检波特性的温度补偿，在二极管附近设置热敏电阻来检测其工作温度。
2.2 微弱信号检测电路
　对应-55 dBm～＋20 dBm范围内的功率输入，二极管检波器输出的检波电压约在1 μV～1.6 V之间，该信号具有低端微弱的特点，且由于该信号是直流信号，测量过程中极容易受到噪声的影响[2]。本文采用MOSFET自制平衡斩波器解决了上述问题。平衡斩波技术利用两个MOSFET交替导通和关断将检波输出的两路直流信号转化成一路方波信号，经耦合进入交流放大系统，利用交流放大电路加以放大，从而削弱了噪声的影响。平衡斩波电路的原理如图3所示。

    斩波后产生的方波信号经低噪声前置级放大、后级放大和带通滤波后送入ADC进行采样，ADC数据送入CPLD。CPLD对正负半斩波周期内的采样值分别进行累加，求出差值。在MOSFET导通和关断的瞬间会使方波的上升沿和下降沿附近出现较大的信号过冲，给测量带来较大影响，需要通过CPLD精确的时间控制去除上升沿和下降沿附近20%的ADC数据不参与计算。热敏电阻随温度变化产生的电压变化同时进入ADC量化处理，以获取工作环境温度值。
2.3 USB通信电路
　为了提高功率计的兼容性和测量的实时性，功率计探头和主机之间的数据传输采用USB总线通信。USB接口芯片选用CY7C68013A，它集成了USB 2.0高速收发器、串行接口引擎和可编程的外围接口。CY7C68013A的4 KB数据FIFO设计专用于传输高速片上和片外的USB数据。由于在功率计探头内部已对数据进行累加、求差值、去斩波等操作，根据待发送到主机的数据量大小，本文通过修改固件程序将CY7C68013A配置成同步Slave FIFO工作模式。CPLD作为主控设备，内部设计FIFO控制器。USB接口电路如图4所示。

    CPLD通用I/O引脚通过状态标志位FLAGA、FLAGD判断CY7C68013内部FIFO空或满的状态，然后通过SLRD、SLWR、SLOE引脚操作CY7C68013A的FIFO读写。Slave FIFO的同步工作时钟由CPLD分频产生。
3 功率计软件设计
　USB总线微波功率计软件分为USB控制器固件程序、底层驱动程序以及用户应用程序。USB控制器固件程序在Keil C环境中设计完成；底层驱动部分采用NI-VISA技术连接USB外设和主机；利用LabWindows/CVI作为主要开发环境,设计编写了用户应用程序。
3.1 USB控制器固件设计
　运行在CY7C68013A上的固件程序采用C语言编写并在Keil C开发环境中编译,负责控制CY7C68013A接收并响应应用程序及USB驱动程序的请求、通过端点FIFO收发数据。固件框架如图5所示,主要包含初始化、处理标准USB设备请求以及USB挂起时的电源管理等[3]。框架首先初始化全局变量,然后调用用户初始化函数TD_Init()。从该函数返回后,框架初始化USB接口到未配置状态并使能中断，然后每隔1 s进行一次设备重枚举,直到端点0接收到一个SETUP包,同时系统将开始执行交互的任务调度。

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3.2 底层驱动程序
　本文在LabWindows/CVI环境下通过NI-VISA开发能驱动用户USB设备的程序，降低了开发USB驱动程序的复杂性，大大缩短了开发周期。VISA是计算机与仪器之间的软件层连接,利用VISA开发的软件具有较好的可移植性。
　在LabWindows/CVI环境下使用VISA实现USB通信需要先对NI-VISA进行简单的配置，然后使用相关的函数完成相应的操作。NI-VISA的具体配置步骤：(1)使用Driver Development Wizard(驱动程序开发向导)创建INF文档；(2)安装INF文档,并安装使用INF文档的USB设备；(3)使用NI-VISA Interactive Control(NI-VISA互动控制工具)对设备进行测试，以证实USB设备已正确安装，并获得USB设备的各属性值。完成NI-VISA的配置后，就可以在LabWindows/CVI中使用VISA提供的函数实现与USB驱动程序的通信，以实现各种功能。
3.3用户应用程序
　USB总线微波功率计软件实现的主要功能包括：对USB外设的控制、数据采集、数据处理、数据的显示和存储、响应用户请求、实现其他功能。为合理利用系统资源，提高系统响应速度，本文采用LabWindows/CVI多线程技术编写了并行执行的多任务程序。在软件的编写过程中，采用VISA技术和多线程的编程思想，以图形用户接口为主线程，以数据采集、数据处理与存储和数据显示为次线程。数据采集线程中使用VISA技术完成对USB设备的数据读取和控制，完成数据的实时采集，并将采集到的数据放入线程安全队列TSQ中，然后数据处理与存储线程从线程安全队列TSQ读取数据，并进行处理和存储，最后再将数据送到数据显示线程，完成数据的显示。线程间的控制调度和数据信息的传输如图6所示。

4 多维数字校准技术
    由参考文献[4]可知，由于二极管检波器检波存在平方率—非平方率特性，即使输入纯线性功率变化的微波信号进入功率计探头，检波二极管也不能得到线性的检波直流电压,要想使用检波电压得到准确的输入功率，必须进行线性校准。二极管检波还存在检波频响特性，即检波直流电压的效率随着输入微波信号的频率变化而不同,二极管检波的频响特性主要由检波组件的微带电路、二极管材料及其制作工艺等决定，需要频响校准予以消除。此外，二极管检波还受工作温度的影响，本文的校准工作在常温下完成。
4.1二极管检波的线性校准
　功率线性校准的作用就是使位于不同特性区的检波电压的转换数据，经过线性数据校准之后，能够得到与输入功率对应的准确功率表示值。
　本文采用高精度的ADC对二极管检波电压完成ADC转换。常温下,采用AV1487超宽带合成扫频信号发生器以1 dB为步进在-55 dBm～+20 dBm范围内产生76个信号样本点，为保证其准确性，每个样本点利用安捷伦E4419A微波功率计对其进行测量，然后改用本文试制的功率计测量，记录每个信号样本点对应的ADC值，建立一组ADC基本数据节点。基本功率校准节点建立完毕后，为了减小测试误差，依据三次样条插值算法，增加数据插值节点。本文将全量程ADC分为四段处理，每大段等分为N小段,可以根据测量精度的需要进行设置，相邻量程之间保留1 dBm的过渡带。设定每大段内ADC最小值和最大值分别为ADCmin和ADCmax。大段的划分规则为：

式中，i=1，2，3，4，这样总共产生了(N1+N2+N3+N4)个数据点，将此四个数组称作功率线性校准表格，分别记为CALTab[n](n=1,2,3,4)，每个ADC数据点对应的功率值由三次样条插值算法产生。测量过程中得到的ADC值对应的功率表示值就通过这(N1+N2+N3+N4)个功率线性校准数据表格查表得到。
 
5 测试与测试结果分析
    常温下，在10 MHz～18 GHz频率范围、-55 dBm～+20 dBm功率范围内随机抽取50个待测功率样本点，使用本文设计的USB总线微波功率计与标准功率计先后进行测量，表1给出了其中7个样本点对比试验结果：
    由表1可以看出，在输入信号整个动态范围内两端的相对误差较大，分析低端误差产生的原因是微弱信号检测电路稳定性有待提高，高端产生误差原因是二极管受温度影响较强。

    本文介绍了一种USB总线微波功率计设计方法，该设计采用虚拟仪器思想，重点研究了强背景噪声条件下微弱直流信号检测、USB通信和数字校准等技术。经试验验证，应用该方法设计的USB总线微波功率计经过数字校准后能够实现-55 dBm～+20 dBm范围内连续波平均功率测量。同时具有系统构成简单、测量精度高、体积小巧等特点，可以同Windows平台的计算机或其他测试仪器等多种设备适配。
参考文献
[1] 李立功,年夫顺,王厚军.现代电子测试技术[M]. 北京：国防工业出版社，2008:181-182.
[2] 高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社,2004:47-51.
[3] 窦颖艳,肖伸平,龙永红,等.基于LabWindows/CVI 的数据采集系统[J].计算机工程,2009,35(22):230-235.
[4] 李坤党,徐达旺.二极管功率计的数字校准补偿技术[J].国外电子测量技术,2007,26(7):45-46.