便携式功率分析仪设计-----硬件设计（三）

作者：时间：2013-06-18来源：网络收藏

3.3.4.2可变增益放大器

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175062.htm

由于在信号调理通道上使用了具有较大衰减的无源衰减网络，为动态调整A/D的采样范围，我们在A/D采样模块之前加入一个可变增益放大器，以达到对微小信号或过大信号仍然能够进行采样。我们选用了AD8369，AD8369是一种以分贝为单位的线性数字可变增益放大器(DVGA)，该芯片具有45dB的增益调节范围，3dB步长，工作频率从低频到400 MHz，20 MHz带宽内增益波动小于0.1 dB.AD8369的增益控制是通过一个数字接口(串行或并行)实现的。

AD8369的内部电路结构由一个7阶R-2R梯形电阻衰减网络、固定增益放大器、3dB开关衰减器、互补电流源输出网络、偏置电路、增益步进控制电路和数字接口等部分组成。AD8369工作时，数字接口(并口或SPI串口)接收的4位二进制增益控制代码，其高3位用于控制跨导单元和梯形电阻衰减网络，实现步长6 dB、最大42 dB的增益调节，最低位用来控制3 dB开关衰减器，并配合前面的电阻衰减网络，最终实现在45 dB增益调节范围内，3 dB步长的数字增益调节功能。AD8369的输出电路采用两对互补电流源的全差分形式，差分输出阻抗200Ω。AD8369的电压增益可以用(3-10)式计算：

式中RL是外接负载电阻，单位是欧姆;n是增益控制代码，最小是0，最大是15.由图3-14可知，当增益控制代码不变时，负载RL增大，则芯片的增益提高;当负载电阻一定时，在整个45 dB增益调节范围内，AD8369的增益与增益控制代码之间都能保持良好的，以分贝为单位的，3dB步进的线性关系。

同时，AD8369在从低频到400 MHz工作频率范围内都能保持3dB步进和相对较平坦的频响特性。当工作频率低于300 MHz时，其噪声系数基本可保证小于7 dB.由此可以满足信号通道的要求。

3.3.4.3 A/D采样

A/D转换器是整个功率分析仪的重要组成部分之一，A/D转换器作为将模拟量转换为数字量的作用，可以将我们获得的峰值电压转化为数字量，通过单片机读人存储器，通过功率和峰值电压的线性关系，可以计算处理的到信号的功率。A/D转换的基本原理是，它通常有四个环节：采样，保持，量化，编码。其中量化和编码是必不可少的核心工作。采样是指对输入的模拟信号按一定的采样速率f s即按一定的时间间隔进行抽样。采样实质就是对模拟信号进行时间分隔，把连续的模拟量离散化，对采量速率要求f s≥2f min，即至少是模拟信号最低频率的2倍以上。采样得到的离散模拟电压必须保持一段时间以保证量化和编码工作的完成。量化是A/D转换器的关键一步，是对采样到的模拟信号进行幅度分割，既在幅值上使其离散化。具体的做法是用足够晓得标准单位一量化单位△来量度采样值并取整数倍，量化误差为±1△或±1/2△。量化取整所获离散幅值通过编码形成二进制或BCD代码的数字量输出。A/D转换器主要考虑的是转换的精度和速度的问题。由Dn = 2n /Vr*Ui(Dn为n维数据的输出，Ui是输入的模拟电压，Vr为基准电压)。可知，位数越高转化后的精度越高。根据我们需要达到的功率精度，我们可以选择恰当位数的A/D转换器。采样电路也是峰值功率测量的主要部分。其采样速率直接影响了仪器所能获取的最窄脉冲调制信号，其A/D转换位数影响着功率测量精度，并且其性能的好坏对整个系统工作的稳定性起着决定性作用。A/D采样得到的数据存入FPGA中的FIFO中，然后传给ARM芯片进行计算处理。

本系统接收信号的最窄调制脉宽为400ns，由奈奎斯特采样定理知采样频率必须大于被测信号最大频率的两倍，才能不失真的恢复原信号。但实际上以奈奎斯特频率采样很难获得采样精度的，所以通常是以信号频率的5～10倍的频率去采样。为了能准确地反映信号的大小，要求A/D采样的采样率不得低于12.5MHz.为保证其对输入信号细致特征的捕获能力，故暂选用8位的AD9480高速ADC.

此款ADC具有250msps转换速率，同时保持±0.25LSB的微分线性误差(DNL)即使工作在250M采样率的情况下仍然仅有590 mW的较低功耗。AD9480支持多路分配的TTL/CMOS输出逻辑和低电压差分信号(LVDS)输出，以便兼容现有的和下一代的专用集成电路(ASIC)。在CMOS多路分配模式下，AD9480可以交叉存储模式或并行模式，并以半时钟速率在两个8位通道中移动数据。当工作在LVDS输出模式时，AD9480通过单一输出通道以全时钟速率输出数据。

这款8位AD9480 ADC除了支持LVDS输出简化设计考虑，还具有46.4dB信噪比(SNR)和无失码等特点。AD9480在-40℃～+85℃的整个工业温度范围内提供±0.35LSB的DNL.该转换器采用3.3V单电源供电并且包含一个内部基准电压源和采样跟踪保持电路。AD9480与ADI公司的AD9041A高速ADC具有相同的引脚配置，允许设计工程师通过电路板修改升级其产品，从而降低系统开发成本。在系统工作时，AD9480工作在LVDS输出模式下，根据不同时基所提供的不同时钟，以全时钟速率采集数据。根据采样定律，采样率最高为250MHz的高速A/D转换器，能够满足对信号频率为50MHz以下信号的实时采集，由于检波器AD8318的最小响应时间为8ns，这使得AD8318对射频脉冲的检波能力为50MHz左右，故A/D采样芯片采样速度能够满足需要。

3.3.5控制电路的设计

3.3.5.1 ARM芯片简介及其外围电路连接

LPC2138微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-S CPU，并带有512kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

较小的封装和很低的功耗使LPC2138特别适用于访问控制和POS机等小型应用中;由于内置了宽范围的串行通信接口和32kB的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统。

主要特性：

32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。

32kB的片内静态RAM和512kB的片内Flash程序存储器。128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率。

通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程(ISP/IAP)。单个Flash扇区或整片擦除时间为400ms.256字节行编程时间为1ms.

EmbeddedICE RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。

2个8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us.

1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。

2个32位定时器/外部事件计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗。

低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。

多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线(400 kbit/s)、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP.向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。

小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口(可承受5V电压)。

多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。