USB總線(xiàn)微波功率計設計

微波功率是表征微波信號特性的一個(gè)重要參數。當待測信號頻率進(jìn)入微波頻段時(shí)，功率便成為更可靠的測量對象。在無(wú)線(xiàn)通信系統、微波設備和微波器件的設計和測試過(guò)程中，微波功率計是必不可少的測試儀器[1]。
　本文基于虛擬儀器思想，設計了功率計探頭，編寫(xiě)了功率計軟件。功率計探頭采用二極管檢波、微弱信號檢測、高速USB總線(xiàn)等技術(shù)，完成微波功率到直流電壓信號的轉換、采集和傳輸。功率計軟件以NI公司LabWindows/CVI為開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用NI-VISA和多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現設備管理、測量控制以及圖形用戶(hù)接口。實(shí)際應用表明，充分利用USB總線(xiàn)即插即用、擴展方便的特點(diǎn)和軟件的可移植性，本文設計的USB總線(xiàn)微波功率計能夠實(shí)現與配備Windows操作系統、具有USB接口的計算機、頻譜儀等多種設備適配。
1 測量原理
　二極管檢波式USB總線(xiàn)微波功率計通過(guò)檢測二極管檢波輸出電壓，然后針對二極管檢波特性進(jìn)行數字校準和補償，獲取待測信號功率值。USB總線(xiàn)微波功率計組成結構如圖1所示。

功率計探頭利用雙檢波二極管將輸入的微波信號轉化為直流電壓信號，經(jīng)斬波后轉化為方波信號，依據信號的大小經(jīng)過(guò)量程選擇進(jìn)入低噪聲、高增益的前置級放大電路，放大后的信號通過(guò)帶通濾波、后級放大等操作后利用A/D芯片進(jìn)行采集，將采集到的數據初步處理后通過(guò)USB總線(xiàn)送入主機處理,全部過(guò)程在CPLD控制下完成。為實(shí)現功率計的調零、校準、補償等功能，功率計探頭還包括溫度傳感器、直流校準源、EEPROM等。主機功率計軟件主要包括USB控制器固件程序、基于NI-VISA的底層硬件驅動(dòng)程序和基于LabWindows/CVI的用戶(hù)應用程序，共同實(shí)現對USB外設的控制、數據采集、校準補償、顯示和存儲等功能。
2 功率計探頭設計
　功率計探頭主要用來(lái)實(shí)現微波功率到直流電壓信號的轉化、采集和傳輸，研制過(guò)程中需要重點(diǎn)解決二極管檢波、微弱信號檢測、高速USB總線(xiàn)通信等問(wèn)題。
2.1二極管檢波電路
　二極管平均功率檢波器采用平衡配置的雙二極管檢波方式，基于多種校準和補償技術(shù)，使得單個(gè)二極管平均功率計探頭的動(dòng)態(tài)范圍達到了-70 dBm～＋20 dBm。二極管檢波器的原理如圖2所示。

輸入的微波信號經(jīng)過(guò)電容C隔離掉直流分量后經(jīng)3 dB衰減器進(jìn)入50 Ω匹配負載和雙二極管檢波器，兩個(gè)檢波二極管分別輸出V+、V-的正、負兩路直流信號(設其幅值A、-A)，通過(guò)視頻濾波電容Cb送入平衡斬波電路處理。這種平衡配置雙二極管全波檢波可以有效消除低功率測量時(shí)由不同金屬連接導致的接觸電壓?jiǎn)?wèn)題。為實(shí)現對二極管檢波特性的溫度補償，在二極管附近設置熱敏電阻來(lái)檢測其工作溫度。
2.2 微弱信號檢測電路
　對應-55 dBm～＋20 dBm范圍內的功率輸入，二極管檢波器輸出的檢波電壓約在1 μV～1.6 V之間，該信號具有低端微弱的特點(diǎn)，且由于該信號是直流信號，測量過(guò)程中極容易受到噪聲的影響[2]。本文采用MOSFET自制平衡斬波器解決了上述問(wèn)題。平衡斬波技術(shù)利用兩個(gè)MOSFET交替導通和關(guān)斷將檢波輸出的兩路直流信號轉化成一路方波信號，經(jīng)耦合進(jìn)入交流放大系統，利用交流放大電路加以放大，從而削弱了噪聲的影響。平衡斬波電路的原理如圖3所示。

斬波后產(chǎn)生的方波信號經(jīng)低噪聲前置級放大、后級放大和帶通濾波后送入ADC進(jìn)行采樣，ADC數據送入CPLD。CPLD對正負半斬波周期內的采樣值分別進(jìn)行累加，求出差值。在MOSFET導通和關(guān)斷的瞬間會(huì )使方波的上升沿和下降沿附近出現較大的信號過(guò)沖，給測量帶來(lái)較大影響，需要通過(guò)CPLD精確的時(shí)間控制去除上升沿和下降沿附近20%的ADC數據不參與計算。熱敏電阻隨溫度變化產(chǎn)生的電壓變化同時(shí)進(jìn)入ADC量化處理，以獲取工作環(huán)境溫度值。
2.3 USB通信電路
　為了提高功率計的兼容性和測量的實(shí)時(shí)性，功率計探頭和主機之間的數據傳輸采用USB總線(xiàn)通信。USB接口芯片選用CY7C68013A，它集成了USB 2.0高速收發(fā)器、串行接口引擎和可編程的外圍接口。CY7C68013A的4 KB數據FIFO設計專(zhuān)用于傳輸高速片上和片外的USB數據。由于在功率計探頭內部已對數據進(jìn)行累加、求差值、去斬波等操作，根據待發(fā)送到主機的數據量大小，本文通過(guò)修改固件程序將CY7C68013A配置成同步Slave FIFO工作模式。CPLD作為主控設備，內部設計FIFO控制器。USB接口電路如圖4所示。

CPLD通用I/O引腳通過(guò)狀態(tài)標志位FLAGA、FLAGD判斷CY7C68013內部FIFO空或滿(mǎn)的狀態(tài)，然后通過(guò)SLRD、SLWR、SLOE引腳操作CY7C68013A的FIFO讀寫(xiě)。Slave FIFO的同步工作時(shí)鐘由CPLD分頻產(chǎn)生。
3 功率計軟件設計
　USB總線(xiàn)微波功率計軟件分為USB控制器固件程序、底層驅動(dòng)程序以及用戶(hù)應用程序。USB控制器固件程序在Keil C環(huán)境中設計完成；底層驅動(dòng)部分采用NI-VISA技術(shù)連接USB外設和主機；利用LabWindows/CVI作為主要開(kāi)發(fā)環(huán)境,設計編寫(xiě)了用戶(hù)應用程序。
3.1 USB控制器固件設計
　運行在CY7C68013A上的固件程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)并在Keil C開(kāi)發(fā)環(huán)境中編譯,負責控制CY7C68013A接收并響應應用程序及USB驅動(dòng)程序的請求、通過(guò)端點(diǎn)FIFO收發(fā)數據。固件框架如圖5所示,主要包含初始化、處理標準USB設備請求以及USB掛起時(shí)的電源管理等[3]?？蚣苁紫瘸跏蓟肿兞?然后調用用戶(hù)初始化函數TD_Init()。從該函數返回后,框架初始化USB接口到未配置狀態(tài)并使能中斷，然后每隔1 s進(jìn)行一次設備重枚舉,直到端點(diǎn)0接收到一個(gè)SETUP包,同時(shí)系統將開(kāi)始執行交互的任務(wù)調度。