可实现测量幅度和相位差的AD8302芯片的性能特点和应用分析
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：
阻塞电阻、电抗分量和阻塞阻抗分别为：
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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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。
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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：
阻塞电阻、电抗分量和阻塞阻抗分别为：
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。
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4、 结束语
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