CN103954831A - 一种用于微弱连续波信号的平均功率测量电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于微弱连续波信号平均功率测量电路，包括：前级平衡斩波电路、中间级放大电路和后级的FPGA电路。本发明通过对二极管检波直流信号取斩波，对产生的交流方波信号进行交流放大，实现了小功率信号测量；并在FPGA内部通过构造周期性去斩波序列过滤瞬时冲击过渡带，提高了测量精度，可实现纳伏级微弱直流电压信号的检测，从而实现低至-70dBm的连续波平均功率测量。
Description
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种用于微弱连续波信号的平均功率测量电路，还涉及一种用于微弱连续波信号的平均功率测量方法。
背景技术
目前，连续波平均功率测量主要有三种方式：热敏电阻式、热电偶式和二极管检波式。二极管检波式功率测量具有更宽的动态范围和更高的灵敏度，因此得到了广泛使用。二极管检波器采用平衡配置的双二极管将连续波平均功率信号转变为正负两路直流电压信号进行测量，该方法的关键是实现微弱直流信号的检测。
连续波平均功率信号经二极管检波后输出正负两路直流电压信号，对应输入功率-70～+20dBm的微波信号，二极管检波输出正负两路直流电压为+50nV～+1.6V和-50nV～-1.6V，该信号具有动态范围大、微弱、背景噪声强等特点，测量过程中受到低频噪声、温差电势、放大电路失调电压等误差因素的影响，很容易湮没在噪声中，因此直接对二极管检波直流信号进行检测将严重影响功率测量灵敏度。
发明内容
本发明提出一种用于微弱连续波信号平均功率测量电路和方法，可用于连续波平均功率测量中的纳伏级微弱直流信号检测，实现低至-70dBm的连续波平均功率测量。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于微弱连续波信号平均功率测量电路，包括：前级平衡斩波电路、中间级放大电路和后级的FPGA电路；
所述平衡斩波电路包括正电压输入端和负电压输入端；正电压输入端连接到第一滤波电路和第一开关管的第一端，负电压输入端连接到第二滤波电路和第二开关管的第一端，第一开关管的第二端和第二开关管的第二端连接在一起，第一开关管的控制端通过电阻器耦接到第一斩波控制信号，第二开关管的控制端通过电阻器耦接到第二斩波控制信号，第一斩波控制信号和第二斩波控制信号相位相差半个周期；正电压输入端通过电容器耦接到所述第二开关管的控制端，负电压输入端通过电容器耦接到所述第一开关管的控制端；第一开关管和第二开关管的公共端经过第三滤波电路滤波后，输出交流方波信号；
所述交流方波信号连接到中间级的放大电路，放大后的方波信号经AD转换后进入所述FPGA电路；
所述FPGA电路设置一个与所述方波信号的采样点数相同的周期性去斩波序列，去斩波序列中与瞬时冲击过渡带对应的部分为0，与采样信号为正的数据点对应的部分为1，与采样信号为负的数据点对应的部分为-1；去斩波序列中的每个点分别和与之对应的方波信号ADC值相乘，并累加取平均，得到检波电压值，通过查表得到连续波平均功率。
可选地，所述第一开关管和第二开关管为MOS型场效应管，两片场效应管设置在相邻位置。
可选地，所述第一滤波电路包括并联连接的电阻器和电容器，电阻器和电容器连接在正电压输入端和地电位之间。
可选地，所述第二滤波电路包括并联连接的电阻器和电容器，电阻器和电容器连接在负电压输入端和地电位之间。
可选地，所述第三滤波电路包括并联连接的电阻器和电容器，电阻器和电容器连接在第一开关管与第二开关管的公共端和地电位之间。
可选地，所述第一斩波控制信号和第二斩波控制信号的斩波频率为440Hz。
本发明还提供了一种用于微弱连续波信号平均功率测量方法，包括以下步骤：
步骤(a)，将二极管检波后输出的正负两路直流信号转化为一路交流方波信号；
步骤(b)，利用交流电路加以放大；
步骤(c)，再经AD转换后在FPGA内部去斩波。
可选地，步骤(a)具体为：将所述正负两路直流信号分别连接到两个开关管的输入端，通过相位相差半个周期的两路斩波控制信号分别控制两个开关管的开通和关断，正电压输入端通过电容器耦接到另一路信号的开关管的控制端，负电压输入端通过电容器耦接到另一路信号的开关管的控制端，两个开关管的输出端耦接在一起输出交流方波信号。
可选地，步骤(c)具体为：在FPGA电路中设置一个与所述方波信号的采样点数相同的周期性去斩波序列，去斩波序列中与瞬时冲击过渡带对应的部分为0，与采样信号为正的数据点对应的部分为1，与采样信号为负的数据点对应的部分为-1；去斩波序列中的每个点分别和与之对应的方波信号ADC值相乘，并累加取平均，得到检波电压值，通过查表得到连续波平均功率。
本发明的有益效果是：
(1)通过对二极管检波直流信号取斩波，对产生的交流方波信号进行交流放大，实现了微弱功率信号测量；
(2)并在FPGA内部通过构造周期性去斩波序列过滤瞬时冲击过渡带，提高了测量精度，可实现纳伏级微弱直流电压信号的检测，从而实现低至-70dBm的连续波平均功率测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的平衡斩波电路的电路图；
图2为图1所示平衡斩波电路的时序图；
图3为本发明的FPGA中周期性去斩波序列的时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
连续波平均功率信号经二极管检波后输出正负两路直流电压信号，该信号具有动态范围大、微弱、背景噪声强等特点，测量过程中受到低频噪声、温差电势、放大电路失调电压等误差因素的影响，很容易湮没在噪声中。
本发明采用平衡斩波技术将正负两路直流信号转化为一路交流方波信号，利用交流电路加以放大，再经AD转换后在FPGA内部去斩波，实现纳伏级微弱直流信号检测。
本发明的用于微弱连续波信号的平均功率测量电路，包括：前级平衡斩波电路、中间级放大电路和后级的FPGA电路。
如图1所示，本发明的平衡斩波电路包括正电压输入端A+和负电压输入端A-；正电压输入端A+连接到第一滤波电路和第一开关管V1的第一端，负电压输入端A-连接到第二滤波电路和第二开关管V2的第一端，第一开关管V1的第二端和第二开关管V2的第二端连接在一起，第一开关管V1的控制端通过电阻器R2耦接到第一斩波控制信号CHOP_P，第二开关管V2的控制端通过电阻器R3耦接到第二斩波控制信号CHOP_N，第一斩波控制信号CHOP_P和第二斩波控制信号CHOP_N相位相差半个周期；正电压输入端A+通过电容器C2耦接到第二开关管V2的控制端，负电压输入端A-通过电容器C3耦接到第一开关管V1的控制端；第一开关管V1和第二开关管V2的公共端经过第三滤波电路滤波后，输出交流方波信号SIN。
当第一斩波控制信号CHOP_P为高时，第二斩波控制信号CHOP_N为低，此时第一开关管V1导通，第二开关管V2关断，因此第一开关管V1输出正电压A+；当第一斩波控制信号CHOP_P为低时，第二斩波控制信号CHOP_N为高，此时第一开关管V1关断，第二开关管V2导通，因此第二开关管V2输出负电压A-；在斩波信号的控制下，第一开关管V1和第二开关管V2轮流导通，最终输出一路交流方波信号SIN。第一斩波控制信号CHOP_P、第二斩波控制信号CHOP_N和交流方波信号SIN的时序图如图2所示。
斩波控制信号的频率如果过低会使抑制低频噪声的作用削弱，过高则会引入较强的栅极感应噪声，因此选择斩波频率为440Hz。场效应管导通和关断的瞬间会产生干扰信号，加在栅极的控制信号会容性耦合至沟道，将干扰信号加载到交流方波信号SIN中，使方波信号的上升沿和下降沿出现噪声尖峰，可通过电容C2和C3有效抑制该噪声尖峰。
优选地，第一开关管V1和第二开关管V2为MOS型场效应管，两片场效应管V1和V2设置在相邻位置，尽可能靠近，使其工作环境温度接近一致，以抵消温度漂移。
优选地，第一滤波电路包括并联连接的电阻器R1和电容器C1，电阻器R1和电容器C1连接在正电压输入端A+和地电位之间；第二滤波电路包括并联连接的电阻器R4和电容器C4，电阻器R4和电容器C4连接在负电压输入端A-和地电位之间；第三滤波电路包括并联连接的电阻器R5和电容器C5，电阻器R5和电容器C5连接在第一开关管V1与第二开关管V2的公共端和地电位之间。
交流方波信号SIN连接到中间级的放大电路，利用交流电路加以放大，从而回避低频噪声的影响。放大后的方波信号经AD转换后进入FPGA电路。
每个斩波周期取180个ADC值，将该180个数据绘图如图3所示。从图3中可以看出在每个斩波点附近会存在一个瞬间冲击过渡带，这部分数据显然是不准确的，在信号还原过程中如果不把这部分数据剔除掉，而直接对斩波周期的采样数据进行简单的累加取平均，则还原出的信号必然会产生失真，因此，必须要消除该瞬时冲击过渡带。
经过多次对信号进行随机取样并进行对比统计，可以发现，影响功率测量准确度的瞬时冲击过渡带所处的位置和点数是一致的。因此，可以通过在FPGA内部构造一个去斩波周期序列来还原信号并将瞬时冲击过渡带的采样点过滤掉，然后对还原后的数据进行累加取平均，从而得出连续波信号的平均值。
具体实施过程如下：在FPGA中设置一个与方波信号的采样点数相同的周期性去斩波序列；去斩波序列中与瞬时冲击过渡带对应的部分为0，与采样信号为正的数据点对应的部分为1，与采样信号为负的数据点对应的部分为-1。然后，用周期性去斩波序列中的每个点分别和与之对应的方波信号ADC值相乘，并累加取平均，从而得到真实的检波电压值，通过查表得到连续波平均功率。
本发明还提供了一种用于微弱连续波信号平均功率测量方法，包括以下步骤：
步骤(a)，将二极管检波后输出的正负两路直流信号转化为一路交流方波信号；
步骤(b)，利用交流电路加以放大；
步骤(c)，再经AD转换后在FPGA内部去斩波。
优选地，步骤(a)具体为：将所述正负两路直流信号分别连接到两个开关管的输入端，通过相位相差半个周期的两路斩波控制信号分别控制两个开关管的开通和关断，正电压输入端通过电容器耦接到另一路信号的开关管的控制端，负电压输入端通过电容器耦接到另一路信号的开关管的控制端，两个开关管的输出端耦接在一起输出交流方波信号。
优选地，步骤(c)具体为：在FPGA电路中设置一个与所述方波信号的采样点数相同的周期性去斩波序列，去斩波序列中与瞬时冲击过渡带对应的部分为0，与采样信号为正的数据点对应的部分为1，与采样信号为负的数据点对应的部分为-1；去斩波序列中的每个点分别和与之对应的方波信号ADC值相乘，并累加取平均，得到检波电压值，通过查表得到连续波平均功率。
本发明通过对二极管检波直流信号取斩波，对产生的交流方波信号进行交流放大，实现了微弱功率信号测量；并在FPGA内部通过构造周期性去斩波序列过滤瞬时冲击过渡带，提高了测量精度，可实现纳伏级微弱直流电压信号的检测，从而实现低至-70dBm的连续波平均功率测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于微弱连续波信号平均功率测量电路，其特征在于，包括：前级平衡斩波电路、中间级放大电路和后级的FPGA电路；
所述平衡斩波电路包括正电压输入端和负电压输入端；正电压输入端连接到第一滤波电路和第一开关管的第一端，负电压输入端连接到第二滤波电路和第二开关管的第一端，第一开关管的第二端和第二开关管的第二端连接在一起，第一开关管的控制端通过电阻器耦接到第一斩波控制信号，第二开关管的控制端通过电阻器耦接到第二斩波控制信号，第一斩波控制信号和第二斩波控制信号相位相差半个周期；正电压输入端通过电容器耦接到所述第二开关管的控制端，负电压输入端通过电容器耦接到所述第一开关管的控制端；第一开关管和第二开关管的公共端经过第三滤波电路滤波后，输出交流方波信号；
所述交流方波信号连接到中间级的放大电路，放大后的方波信号经AD转换后进入所述FPGA电路；
所述FPGA电路设置一个与所述方波信号的采样点数相同的周期性去斩波序列，去斩波序列中与瞬时冲击过渡带对应的部分为0，与采样信号为正的数据点对应的部分为1，与采样信号为负的数据点对应的部分为-1；去斩波序列中的每个点分别和与之对应的方波信号ADC值相乘，并累加取平均，得到检波电压值，通过查表得到连续波平均功率。
2.如权利要求1所述的用于微弱连续波信号平均功率测量电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管为MOS型场效应管，两片场效应管设置在相邻位置。
3.如权利要求1所述的用于微弱连续波信号平均功率测量电路，其特征在于，所述第一滤波电路包括并联连接的电阻器和电容器，电阻器和电容器连接在正电压输入端和地电位之间。
4.如权利要求1所述的用于微弱连续波信号平均功率测量电路，其特征在于，所述第二滤波电路包括并联连接的电阻器和电容器，电阻器和电容器连接在负电压输入端和地电位之间。
5.如权利要求1所述的用于微弱连续波信号平均功率测量电路，其特征在于，所述第三滤波电路包括并联连接的电阻器和电容器，电阻器和电容器连接在第一开关管与第二开关管的公共端和地电位之间。
6.如权利要求1所述的用于微弱连续波信号平均功率测量电路，其特征在于，所述第一斩波控制信号和第二斩波控制信号的斩波频率为440Hz。
7.一种用于微弱连续波信号平均功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(a)，将二极管检波后输出的正负两路直流信号转化为一路交流方波信号；
步骤(b)，利用交流电路加以放大；
步骤(c)，再经AD转换后在FPGA内部去斩波。
8.如权利要求7所述的用于微弱连续波信号平均功率测量方法，其特征在于，步骤(a)具体为：将所述正负两路直流信号分别连接到两个开关管的输入端，通过相位相差半个周期的两路斩波控制信号分别控制两个开关管的开通和关断，正电压输入端通过电容器耦接到另一路信号的开关管的控制端，负电压输入端通过电容器耦接到另一路信号的开关管的控制端，两个开关管的输出端耦接在一起输出交流方波信号。
9.如权利要求7所述的用于微弱连续波信号平均功率测量方法，其特征在于，步骤(c)具体为：在FPGA电路中设置一个与所述方波信号的采样点数相同的周期性去斩波序列，去斩波序列中与瞬时冲击过渡带对应的部分为0，与采样信号为正的数据点对应的部分为1，与采样信号为负的数据点对应的部分为-1；去斩波序列中的每个点分别和与之对应的方波信号ADC值相乘，并累加取平均，得到检波电压值，通过查表得到连续波平均功率。
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