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一种信号发生器稳幅环路的设计与实现

作者:铁奎 田元琐时间:2019-03-29来源:电子产品世界收藏
编者按:针对信号发生器中功率控制的需求,采用理论推导的方法得到闭环稳幅环路的理论依据并设计了闭环稳 幅环路的电路原理,逐一实现检波器的功率-电压转换,环路数字化运算的误差积分和环路状态控制,功准确 度和频率响应的校准,最后通过实际测量验证了设计的有效性。

       Design and Implementation of a Signal Generator Amplitude Stabilization Loop

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201903/399032.htm

  铁奎 田元琐

(中国电子科技集团公司第四十一研究所 安徽 蚌埠233010)

       摘要:针对信号发生器中功率控制的需求,采用理论推导的方法得到闭环的理论依据并设计了闭环的电路原理,逐一实现的功率-电压转换,环路数字化运算的误差积分和环路状态控制,功准确度和频率响应的,最后通过实际测量验证了设计的有效性。
  关键词:

       中图分类号:TN911.72 文献标识码:B

       基金名称:国家科技重大专项2018ZX03001026

       1 引言

       信号发生装置中功率控制必不可少,一般情况下功率大小的输出是通过小步进电调衰减器与大步进程控衰减器结合使用来实现功率的大动态范围调整。功率控制除了调整输出信号功率大小之外,还有保持信号输出功率稳定度的需求,因此在小步进电调衰减器的控制过程中根据是否将输出功率反馈给电压调整电路分为开环与闭环,大多数的信号源都具备闭环稳幅功能,从而保证信号的输出功率不会因输入功率的微小变化或有源器件增益随工作温度变化造成的偏差而受到较大影响。

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  2 闭环稳幅环路的原理

       闭环稳幅具备稳定输出功率的作用,其控制电调衰减器的衰减量一定与输出端检测的功率大小成正相关性,也就是输出端耦合的功率越大,其通过闭环稳幅环路调整电调衰减器的衰减量越大,从而使得输出功率减小,是一个负反馈的过程。其电路原理如图1所示。
  输出信号经过定向耦合、检波后得到电压输出信号经过定向耦合、检波后得到电压Vdfalse,检波电压与参考电压比较后得到的差值再进行积分得到Vi false

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      积分电压与参考电压求和后得到电调衰减器的控制电压Vc false

1.png

       假设检波功率Poutfalse越大,检波电压Vdfalse越大;Vcfalse越大,电调衰减器的衰减越大,即信号输出功率Poutfalse越小。此时若有某种不可控因素导致信号输出功率Poutfalse变大,那么Vdfalse变大,△V=Vd-Vreffalse也变大导致Vc false变大,从而使得Poutfalse变小,这样稳幅环路便可以达到某种动态平衡。从上述过程可以看出只要△Vfalse不为零,环路就一直在调整,直到△Vfalse趋于零为止也就是Vdfalse无限趋近于Vreffalse。只要Vreffalse不变,任何其他原因导致输出功率变化从而让Vdfalse产生变化的过程,只要在环路调整范围之内,都可通过动态调整最终平衡到Vdfalse无限趋近于Vreffalse的状态,即Vdfalse几乎保持不变,同样输出功率Poutfalse也几乎保持不变。

       3 闭环稳幅环路的设计
       3.1 稳幅环路原理设计
       为了便于环路的控制,我们设计采用了数字稳幅环路,主要是将环路积分、参考电压设置和环路工作状态由数字电路实现。它的优点在于可以对环路的状态及取样保持根据时间要求动态调整,尤其对于通信类的脉冲信号可以让状态与时隙同步,这样就避免了脉冲信号造成环路失锁,其电路设计如图2。输出功率通过定向耦合器进入检波电路得到检波电压,经过AD转换数字化后导入FPGA进行误差比较、积分及与参考电压的求和计算得到电压控制字,最后经过DA转换成模拟电压控制电调衰减器的衰减程度。
       3.2 检波电路的设计
在实际电路的设计过程中,采用AD8318对数检波器,其主要电路设计如图3所示。其工作频率范围1MHz~8GHz;准确度±1dB(55dB范围);温度稳定性±0.5dB;对数斜坡-25mV/dB;脉冲响应时间10/12ns;集成温度探头2mV/K;5V@68mA;封装LFCSP4mm×4mm;噪声功率-68dBm;最佳线性范围-50~-10dBm;芯片工作在控制模式时,配置如下。

1557192715970257.jpg

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      ENBL:高使能,低休眠;

      INHI、INLO:1MHz~8GHz建议耦合电容0402型1nF,外跨接52.3Ω匹配电阻;

      VOUT:内部PNP射极跟随输出

      VSET:设置参考电压;

      TADJ:输出电压温度补偿,常态配接500Ω对地电阻,随频率改变;
      TEMP:温度传感器输出2mV/℃,27℃时为600mV;
      CFLT:对地连接参考电容,对环路不平衡时的误差积分;
      检波器输出电压与检波功率、频率对应关系如表1。

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      3.3 FPGA的设计
      FPGA内部电路设计如图4所示。

实际电路设计过程中,参考电压Vreffalse首先要根据检波的频率不同叠加一个频响补偿电压Vffalse(不同的频率在同一功率下检波电压不同),检波电压Vdfalse与补偿电压Vffalse求和后得到预置功率电压Vpfalse,并在积分电压输出前增加了环路状态控制电路。

       在闭环状态下,电调衰减器控制电压Vcfalse,由Vreffalse、Vffalse和Vi false共同作用,即

1.png

       在开环状态下,电调衰减器控制电压Vcfalse由VreffalseVffalse共同作用,即

1.png

       在取样保持状态下,电调衰减器控制电压,由Vreffalse、Vffalse和Vi false的上一次的输出结果共同作用,此时检波电压Vdfalse不再参与反馈,积分电路停止工作,保持上一次的电压输出结果不变,即

1.png

       稳幅环路FPGA设计核心代码如下:

process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
acc_en_1<=adc_epy;
acc_en<=acc_en_1;
end if;
end process;
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’

then
ad_acc_start_1 <= ad_acc_start;
ad_acc_start_2 <= ad_acc_start_1;
end if;
end process;
ad_acc_start_3 <= (not ad_acc_start_2) and ad_
acc_start_1;
ad_acc_start_4 <= (not ad_acc_start_1) and ad_
acc_start_2;
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
if cw_EN = ‘0’ then
cw_win_stage<=’0’;

loop_en <= ‘0’;
loop_counter <= x”000”;
else
if loop_switch = ‘0’ then
loop_en <= ‘1’;
else
if ad_acc_start_3 = ‘1’ then
loop_en <= ‘1’;
loop_counter <= x”000”;
else
if qt_en_12 = ‘1’ then
if loop_counter = x”1ff” then ---x”190” then
loop_en <= ‘0’;
loop_counter <= loop_counter;
else

loop_counter <= loop_counter + ‘1’;
end if;
else
loop_en <= loop_en;
loop_counter <= loop_counter;
end if;
end if;
end if;
if ad_acc_start_3 =’1’ then
cw_win_stage<=’1’;
elsif ad_acc_start_4 =’1’ then
cw_win_stage<=’0’;
else
cw_win_stage<=cw_win_stage;
end if;
end if;
end if;
end process;

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1554714230382634.png

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  3.4 功率准确度的

       功率校准的目的就是建立参考电压与输出功率之间的映射表,通过预期输出功率可以快速查到对应的参考电压设置。校准是在稳幅环路开环状态下进行,其过程如下:对参考电压控制字从小到大开始遍历设置,然后会得到相对应的输出功率,保存电压控制字,最后得到一个功率校准表,也就是参考电压与实际功率输出的映射关系。在最大与最小输出功率之间没有得到相应的功率控制字时,可通过线性拟合的方法计算得到。因此功率输出准确度与映射表格容量有关,映射关系越精细,功率控制越准确。
  3.5 频率响应的校准

       由于射频通道的频响特性会造成同样的信号由于频率不同而通道增益不同,因此需要对输出同样功率的信号,由于通道增益不同带来的电调衰减器衰减差别进行校准,即针对同样输出功率由于频率不同,调整控制电压,用不同的电调衰减器衰减来补偿通道频响,校准过程如下:将信号输出功率设定为某一固定值,在信号输出频率范围内以固定频率步进遍历输出,测量实际输出信号的功率大小,实际输出与目标输出功率的差值即为需要补偿的频响功率。校准完成后可得到一张信号输出频率与需要补偿功率的映射关系表。在最小与最大输出频率之间,没有遍历到的频率点,可通过线性拟合的方法得到。同样射频通道频响性能与频响校准映射表的容量有关,频率遍历步进越小、映射表格越大,射频通道频响特性越好。
  4 测试结果

       图5-7为闭环稳幅频率设置为2GHz,功率分别设置为10dBm、0dBm、-10dBm时实测值,可以看出目标输出功率与实测功率误差极小。

       图8-10为闭环稳幅时功率设置为5 dBm,频率分别设置为1GHz、1.5GHz、2GHz时实测的功率值,可以看出功率随频率变化波动极小。

  5 结束语

       稳幅环路状态有闭环、开环与保持三种状态,一般根据实际工作条件进行选择。闭环稳幅环路功率稳定性最好,但由于是负反馈电路,若有输入信号带有脉冲调制,有可能导致环路失锁,此时环路应切换为保持或开环状态;若稳幅闭环中要加入调幅信号,那么环路带宽要随着调制频率的大小而调整。在实际电路中,一般连续波或模拟调制会在闭环状态;普通数字调制,码元速率较小时需开环或保持,码元速率较大时可以闭环但可能会影响信号质量;通信信号如LTE、WCDMA等则需要稳幅环路在开环或保持状态。

       参考文献:
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      [2]许传忠,杨春涛等.脉冲信号稳幅方法研究[J].宇航计测技术,2012,25(1):9-13.
      [3]李卓明.宽带大动态范围自动电平控制技术研究[J].电子测量技术,2012,33(5):7-9.
      [4]刘彦庭.超宽带大动态范围自动电平控制技术的研究[D].电子科技大学学报,2016,9(4):5-11.
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      [6]金绍春,鲍景富等.一种矢量信号发生器设计与实现[J].电子产品世界,2012,19(285):44-47.
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      [8]吴迎笑,杨震等.基于频谱感知的认知无线电机会功率控制算法[J].仪器仪表学报,2010,31(6):1235-1240.
      [9]王海燕等.LTE终端射频测试技术分析[J].电信网技术,2011(8):81-84.
      作者简介
      铁奎:1981年生,男,安徽淮南,本科,高级工程师,主要研究方向为移动通信测试技术。
      田元琐:1983年生,男,安徽淮南,硕士研究生,高级工程师,主要研究方向为数字中频处理。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第36页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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