CN105259528B - 一种微波功率探头的内部校准电路及校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种微波功率探头内部校准电路，包括：微波功率探头，多芯电缆，主机功率测量通道；微波信号输入后，经过+、‑检波的二极管检波器对检波输出电压相反、幅度相同的+、‑检波电压；精密输入运算放大器将D/A转换器的输出电压进行反向1∶1的放大；EEPROM中保存了探头的各种补偿数据；接口扩展器通过IIC总线控制端口输出状态，分别用于控制高速开关的开关选择和对D/A转换器的控制信号进行操作；线性差分放大器增强信号的传输能力，将信号通过电缆传输到功率计主机。本发明相对于在主机内部带有校准源板的方法，成本预计节省2000元～3000元；校准时间短：在1秒钟之内完成校准。

Description

一种微波功率探头的内部校准电路及校准方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种微波功率探头的内部校准电路，还涉及一种微波功率探头的内部校准方法。
背景技术
为保证微波功率测试的准确度，在测试之前，需要对功率探头和主机进行校准，将功率探头和主机定标到功率标准。
目前已有的功率标准采取的方案是在功率计主机内部带有一个频率固定、而功率可变的校准源，具体指标为：
频率：1GHz；
功率范围：-40dBm～+20dBm；
校准步进：1dB/点；
校准时间：120秒。
目前在功率计主机内部带有校准源的方案存在以下局限性：
(1)成本高：在主机内部需要带有一块校准源电路板，成本预计2000元～3000元；
(2)校准操作性差：校准需要将功率探头从被测设备端口移到校准源的输出端口，校准完成后再将功率探头接到被测设备端口中，操作不方便；
(3)校准时间长：整个校准过程需要从+20dBm开始，以1dB/点为步进进行校准，一直校准到-40dBm，整个校准过程约120秒。
发明内容
本发明提出了一种微波功率探头的内部校准电路及校准方法，用户在测试过程中，无需将功率探头从测试设备移开，即可实现功率探头的准确定标，从而保证功率测量的准确性。
本发明在微波功率探头中实现了功率标准的准确传递，从而保证经过定标后的功率探头接在不同功率计主机上，都能保证功率的准确测量。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种微波功率探头内部校准电路，包括：
微波功率探头A1，多芯电缆A2，主机功率测量通道A3；
微波信号B1输入后，经过+、-检波的二极管检波器对A4、A5检波输出电压相反、幅度相同的+、-检波电压B2、B3；
当在正常测量时候，高速开关A6、A7将通路B2与B6导通、B3与B7导通；
精密输入运算放大器A12将D/A转换器A11的输出电压B4进行反向1∶1的放大；D/A转换器A11的输入端连接到2.5V精密电压基准源A10，D/A转换器A11的控制端连接到接口扩展器A14；
EEPROM A13中保存了探头的各种补偿数据，并与所述主机功率测量通道A3相连接；
接口扩展器(A14)分别连接到高速开关(A6、A7)的控制端和D/A转换器(A11)的控制端，通过IIC总线控制端口输出状态，分别用于控制高速开关(A6、A7)的开关选择和对D/A转换器(A11)的控制信号进行操作；
线性差分放大器A9增强信号的传输能力，将信号通过电缆传输到功率计主机。
可选地，D/A转换器A11为14位输出。
可选地，EEPROM A13中保存了探头的各种补偿数据，包括自动校准中+20dBm、0dBm对应的DAC设置值、二极管检波器的线性、频率响应和温度响应的补偿数据。
可选地，接口扩展器A14为8端口IIC总线的接口扩展器。
基于上述微波功率探头内部校准电路的校准方法，包括以下步骤：
步骤(1)，主机从EEPROM A13中读取出线性、频率响应和温度响应的补偿数据，以及+20dBm和0dBm的DAC设定值，并在主机中生成探头线性补偿表格、探头频响补偿表格和探头温度补偿表格；
步骤(2)，将通路B4与B6、B5与B7导通，分别设置D/A转换器A11的DAC值为+20dBm和0dBm定标的DAC值；
步骤(3)，分别记录DAC设置为+20dBm和0dBm时的采样ADC值(标准ADC+20dBm，标准ADC0dBm)；
步骤(4)，在探头线性补偿表格中，查找+20dBm和0dBm对应的ADC值(探头ADC+20dBm，探头ADC0dBm)；
步骤(5)，计算该主机ADC与探头线性补偿数据ADC的线性误差：
步骤(6)，在实际测量中，需要将测得的ADC值(实测ADC)进行误差修正，得到线性修正后的ADC值(修正ADC)：
修正ADC＝实测ADC×(1-E)；
步骤(7)，得到线性修正过ADC值(修正ADC)后，以修正ADC为基准，在探头线性补偿表格中查表得到准确的功率值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明相对于在主机内部带有校准源板的方法，成本预计节省2000元～3000元；
(2)无需将微波功率探头从被测设备端口移开，就可以完成校准；
(3)校准时间短：在1秒钟之内完成校准。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微波功率探头内部校准电路的硬件原理图。
附图标记说明：
A1：微波功率探头；
A2：多芯电缆；
A3：主机功率测量通道；
A4、A5：二极管检波器；
A6、A7：高速开关；
A8：对数放大器；
A9：线性差分放大器；
A10：2.5V精密电压基准源；
A11：14位输出的D/A转换器；
A12：精密输入运算放大器；
A13：串行电可擦除可编程存储器(EEPROM)；
A14：具有IIC总线的接口扩展器；
A15：通道内线性差分运算放大器；
A16：ADC转换器。
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作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。
如图1所示，本发明的微波功率探头内部校准电路包括：微波功率探头A1，多芯电缆A2，主机功率测量通道A3。
微波信号B1输入后，经过+、-检波的二极管检波器对A4、A5检波输出电压相反、幅度相同的+、-检波电压B2、B3。
第一高速开关A6在+检波电压B2和D/A转换器A11的输出电压B4之间选择，第二高速开关在-检波电压B3和精密输入运算放大器A12的输出电压B5之间选择，第一高速开关和第二高速开关的输出信号先经过对数放大器A8进行对数变换，再经过线性差分放大器A9增强信号的传输能力后，经多芯电缆A2送到主机功率测量通道A3；当在正常测量时候，高速开关A6、A7将通路B2与B6导通、B3与B7导通。
2.5V精密电压基准源A10其输出2.5V的电压参考，电压误差小于±1mV，2.5V电压参考在-40℃～+85℃之间温度漂移小于3×10-6/℃。
14位输出的D/A转换器A11输出电压的范围为0V～2.5V；精密输入运算放大器A12将D/A转换器A11的输出电压B4进行反向1∶1的放大，输出B5，B5与B4为电压相同、方向相反的直流参考，用于功率的内部校准。
串行电可擦除可编程存储器(EEPROM)A13中保存了探头的各种补偿数据，包括自动校准中+20dBm、0dBm对应的DAC设置值、二极管检波器的线性、频率响应和温度响应的补偿数据，并与所述主机功率测量通道A3相连接。
8端口IIC总线的接口扩展器A14分别连接到高速开关(A6、A7)的控制端和D/A转换器A11的输入端，通过IIC总线控制端口输出状态，分别用于控制高速开关A6、A7开关选择和对D/A转换器A11的控制信号进行操作。
90dB动态范围的对数放大器A8；线性差分放大器A9作为信号传输驱动器，增强信号的传输能力，将信号通过电缆传输到功率计主机。
微波功率探头生产完成之后，需要对探头内部功率标准进行定标，内部功率标准定标采取的措施是：
(1)首先对功率探头进行线性、频率响应和温度响应的补偿数据，并将补偿数据写入到EEPROM A13；
(2)设置信号发生器的频率为1GHz，设置信号发生器输出为可溯源国家标准的+20dBm和0dBm；
(3)将微波功率探头接到信号发生器的输出，设置微波功率探头为功率测量模式，将B2和B6导通，B3和B7导通，分别记录+20dBm和0dBm时测得的A16产生的功率ADC数据；
(4)设置微波功率探头为定标模式，将B4与B6、B5与B7导通，采用二分逼近法设置14位输出的D/A转换器A11，使得定标的ADC数据分别逼近于测量模式下的+20dBm和0dBm的ADC值；
(5)分别记录定标+20dBm和0dBm的D/A转换器A11——D/A转换器的设置值，将+20dBm和0dBm的设置值存入到EEPROM A13当中。
微波功率探头经过定标之后，将0dBm对应的DAC值设置到D/A转换器A11，输出到B4、B5的电压值，将与微波功率探头输入0dBm信号，经过二极管检波器对A4、A5检波后在B2、B3上的电压相同，从而将微波功率探头的0dBm溯源到国家标准，同样的+20dBm也溯源到国家标准。
在主机功率测量通道中，通道内线性差分运算放大器A15用于调整通道增益，不同的通道由于控制增益的电阻网络本身存在一定的误差，从而导致通道增益存在误差，输入功率越大，通道增益误差的影响越大，为了保证任何一台主机连接任何一个微波功率探头的功率测量准确度，需要对微波功率测量进行内部校准。
基于上述内部校准电路，微波功率测量进行内部校准所采取的具体步骤是：
步骤(1)，主机从EEPROM A13中读取出线性、频率响应和温度响应的补偿数据，以及+20dBm和0dBm的DAC设定值，并在主机中生成探头线性补偿表格、探头频响补偿表格和探头温度补偿表格；
步骤(2)，将B4与B6、B5与B7导通，分别设置D/A转换器A11的DAC值为+20dBm和0dBm定标的DAC值；
步骤(3)，分别记录DAC设置为+20dBm和0dBm时的采样ADC值(标准ADC+20dBm，标准ADC0dBm)；
步骤(4)，在探头线性补偿表格中，查找+20dBm和0dBm对应的ADC值(探头ADC+20dBm，探头ADC0dBm)；
步骤(5)，计算该主机ADC与探头线性补偿数据ADC的线性误差：
步骤(6)，在实际测量中，需要将测得的ADC值(实测ADC)进行误差修正，得到线性修正后的ADC值(修正ADC)：
修正ADC＝实测ADC×(1-E)；
步骤(7)，得到线性修正过ADC值(修正ADC)后，以修正ADC为基准，在探头线性补偿表格中查表得到准确的功率值。
经过内部校准之后的功率计主机和功率探头，可保证功率测量准确度小于±0.05dB，达到与外接校准源校准同样的准确度指标。
微波功率计主机和探头经过本发明实现的内部校准，可实现的典型指标包括：
1)功率测量准确度：±0.05dB；
2)内部校准时间：＜1秒。
相对于目前的同轴峰值功率探头，本发明相对于在主机内部带有校准源板的方法，成本预计节省2000元～3000元；无需将微波功率探头从被测设备端口移开，就可以完成校准；校准时间短：在1秒钟之内完成校准。
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 (5)

1.一种微波功率探头内部校准电路，其特征在于，包括：
微波功率探头(A1)，多芯电缆(A2)，主机功率测量通道(A3)，三者依次串联连接；
微波信号(B1)输入微波功率探头(A1)后，经过+、-检波的二极管检波器对(A4、A5)检波输出电压相反、幅度相同的+、-检波电压(B2、B3)；
精密输入运算放大器(A12)将D/A转换器(A11)的输出电压(B4)进行反向1∶1的放大；D/A转换器(A11)的输入端连接到2.5V精密电压基准源(A10)，D/A转换器(A11)的控制端连接到接口扩展器(A14)；
第一高速开关(A6)在+检波电压(B2)和D/A转换器(A11)的输出电压(B4)之间选择，第二高速开关在-检波电压(B3)和精密输入运算放大器(A12)的输出电压(B5)之间选择，第一高速开关和第二高速开关的输出信号先经过对数放大器(A8)进行对数变换，再经过线性差分放大器(A9)增强信号的传输能力后，经多芯电缆(A2)送到主机功率测量通道(A3)；
EEPROM(A13)中保存了探头的各种补偿数据，并与所述主机功率测量通道(A3)相连接；
接口扩展器(A14)分别连接到高速开关(A6、A7)的控制端和D/A转换器(A11)的控制端，通过IIC总线控制端口输出状态，分别用于控制高速开关(A6、A7)的开关选择和对D/A转换器(A11)的控制信号进行操作。
2.如权利要求1所述的微波功率探头内部校准电路，其特征在于，D/A转换器(A11)为14位输出。
3.如权利要求1所述的微波功率探头内部校准电路，其特征在于，EEPROM(A13)中保存了探头的各种补偿数据，包括自动校准中+20dBm、0dBm对应的DAC设置值、二极管检波器的线性、频率响应和温度响应的补偿数据。
4.如权利要求1所述的微波功率探头内部校准电路，其特征在于，接口扩展器(A14)为8端口IIC总线的接口扩展器。
5.基于权利要求1至4任一项所述微波功率探头内部校准电路的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，主机从EEPROM(A13)中读取出线性、频率响应和温度响应的补偿数据，以及+20dBm和0dBm的DAC设定值，并在主机中生成探头线性补偿表格、探头频响补偿表格和探头温度补偿表格；
步骤(2)，分别设置D/A转换器(A11)的DAC值为+20dBm和0dBm定标的DAC值；
步骤(3)，分别记录DAC设置为+20dBm和0dBm时的采样ADC值标准ADC+20dBm和标准ADC0dBm；
步骤(4)，在探头线性补偿表格中，查找+20dBm和0dBm对应的ADC值探头ADC+20dBm和探头ADC0dBm；
步骤(5)，计算该主机ADC与探头线性补偿数据ADC的线性误差：
步骤(6)，在实际测量中，需要将测得的ADC值进行误差修正，得到线性修正后的ADC值：
修正ADC＝实测ADC×(1-E)；
步骤(7)，得到线性修正过ADC值后，以修正ADC为基准，在探头线性补偿表格中查表得到准确的功率值。
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