CN106771550A - 一种带显示的单探头微波功率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种带显示的单探头微波功率测量装置，包络模拟电路和数字电路两部分，模拟电路部分包括功率传感电路、前级放大电路、后级放大电路、模数转换电路，负责功率信号的传感、调理和模数转换；数字电路部分包括数字信号处理器、温度检测电路、OLED显示电路、电源管理电路、USB接口电路，负责功率测试数据的校准、补偿以及整机的控制和电源管理。本发明采用USB接口供电，结构紧凑，单探头可手握，重量轻，外形与需要配接功率测量主机的常规功率探头相似；壳体装配OLED显示屏，可在仅提供+5V直流电源的情况下，通过机身OLED显示屏读取测量结果。

Description

一种带显示的单探头微波功率测量装置及方法

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测量装置，还涉及一种微波功率测量方法。

背景技术

目前，对微波毫米波连续波信号功率的测量，一般采用功率测试主机+多芯电缆+功率探头的形式，现有主机+电缆+功率探头的微波功率测量仪器架构，由于主机要实现电源转换、显示、按键、各种外部接口和仪器的基本功能，因此占用体积较大(一般：330mm×220mm×100mm，探头：40mm×40mm×125mm)，在搭建测试系统时占用较大机柜空间，由于一般需要220V电源供电，需要GPIB、串口或者网口等程控接口，连接比较繁琐，一般仅限于实验室使用，特别不适合现场调试、监控和生产线使用；并且在需要对相邻的多个功率端口进行测试时，需要同时使用多台功率计主机、电缆和功率探头，占用空间非常大，程控连接更为繁琐，成本也更高。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明提出一种带显示的单探头微波功率测量装置及方法，将数字信号处理和模拟信号采集与调理放到常规功率探头大小的装置，同时具有显示测量结果功能，可通过USB接口进行程控。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种带显示的单探头微波功率测量装置，包络模拟电路和数字电路两部分，模拟电路部分包括功率传感电路、前级放大电路、后级放大电路、模数转换电路，负责功率信号的传感、调理和模数转换；数字电路部分包括数字信号处理器、温度检测电路、OLED显示电路、电源管理电路、USB接口电路，负责功率测试数据的校准、补偿以及整机的控制和电源管理；

功率传感电路将微波信号转换为微弱的直流信号，然后经过前级放大电路和后级放大电路放大后，由模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给数字信号处理器，进行数据的校准、补偿操作，同时完成对温度检测电路的数据处理，实现对OLED显示电路的控制，实现与USB接口电路的数据交互，并通过USB接口电路将最终数据传送给上位主机；电源管理电路实现整机的复位、电源转换和电源管理。

可选地，所述功率传感电路中，射频输入信号进入隔直流电容，再经过负载匹配电阻后进入检波二极管，检波二极管输出的直流信号通过滤波电容滤波后送入前级放大器处理。

可选地，所述前级放大电路采用运算放大器AD797BR，实现20倍放大；后级放大电路采用OP27集成运算放大器，实现100倍放大电路，放大后的直流信号进入24位模数转换器LTC2400CS8。

可选地，所述USB接口电路采用高速USB接口芯片，其固件程序实现USBTMC协议，并提供可互换虚拟仪器驱动，用户通过USB接口自行组建有线或无线多通道功率监测系统。

可选地，所述的OLED显示电路，位于测量装置的机身，通过直接+5V直流供电，或者接入到USB主机接口，实时动态显示功率测量结果。

可选地，所述USB接口电路采用Mini USB接口，采用螺纹紧固结构，将USB电缆线旋紧固定到装置的尾部上，同时支持通用的miniUSB电缆。

可选地，提供数字信号处理程序，将测量装置接入到带有USB主机接口的计算机、测量仪器或者其他智能终端设备，通过这些设备实现对测量装置的配置、功率读数显示及后续处理。

可选地，所述数字信号处理程序包括：

测量装置上电后，首先初始化设备，调用默认或程控命令设定的测试参数，启动测量线程，并实时对测量数据进行校准补偿实时数据处理；随后测量装置显示处理后的测量结果；当测量装置接收到并成功解析发自主机的程控命令时，如果是配置命令，则自动配置新的测试参数，如果是读取命令，则启动数据上传线程，将主机要求的测量结果或配置参数返回给主机。

可选地，对测量数据进行校准补偿实时数据处理的具体流程为：

测量装置首先读取到原始的ADC值，再扣除校零ADC值之后，乘以温度补偿系数，修正温度对功率测量的影响；再根据功率线性校准补偿表格，利用查表法，得到线性修正后的功率读数值；最后再除以频响校准因子，最终得到准确的功率读数显示值。

本发明还提出了一种基于上述测量装置的单探头微波功率测量方法。

本发明的有益效果是：

(1)结构紧凑，仅有单探头体积大小，重量轻，USB供电；

(2)壳体装配OLED显示屏，可直接5V直流供电进行测量，方便现场读数；

(3)USB 2.0设备接口，兼容其他测试仪器，支持USBTMC协议，编程灵活，可快速实现微波功率测量功能；

(4)单探头内集成功率传感、信号调理、采集和处理电路。

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为本发明一种带显示的单探头微波功率测量装置的整体外观图；

图2为本发明一种带显示的单探头微波功率测量装置的系统控制框图；

图3为本发明一种带显示的单探头微波功率测量装置的微波功率传感电路的电路图；

图4为本发明的校准补偿实时数据处理的流程图；

图5为本发明的整机控制流程图。

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。

现有的微波功率测量仪器架构，主机通常采用尺寸较大的台式机箱设计，占用空间大，并且需要交流220V供电，仅适合实验室工作台使用；在搭建测试系统时，功率测试主机也要占据机柜较大空间。因此，台式结构在当前无线通信基础设施、电子元件、微波部件和航空航天军用领域外场测试和维护的应用受到一定限制。

本发明提出了一种带显示的单探头微波功率测量装置，结构紧凑，体积仅为常规功率探头大小，直接采用USB接口供电和程控，能够实现加电即显示测量结果，连接简单，系统集成方便快捷，即可用于实验室，也可用于外场测量、监控和生产线使用。

本发明的一种带显示的单探头微波功率测量装置，包括注塑外壳、电路板支架、电路板和USB接口，图1所示为本发明测量装置的整机外观图，电路板和电路板支架在注塑外壳内部，电路板固定在电路板支架上。

如图2所示，电路板包络模拟电路和数字电路两部分，模拟电路部分包括功率传感电路1、前级放大电路2、后级放大电路3、模数转换电路4，负责功率信号的传感、调理和模数转换；数字电路部分包括高性能数字信号处理器5，温度检测电路6、OLED显示电路7、电源管理电路8、USB接口电路9，负责功率测试数据的校准、补偿以及整机的控制和电源管理。电路板通过螺丝固定到电路板支架上，OLED显示屏固定到注塑外壳上，在机壳外部利用螺丝将注塑外壳也固定到电路板支架上。

功率传感电路1将微波信号转换为微弱的直流信号，经由金线进入电路板，然后经过前级放大电路2和后级放大电路3放大后，由模数转换电路4将模拟信号转换为数字信号并将数字信号传输给数字信号处理器5，进行数据的校准、补偿等操作，同时完成对温度检测电路6的数据处理，实现对OLED显示电路7的控制，实现与USB接口电路9的数据交互，并通过USB接口电路9将最终数据传送给上位主机；整机由电源管理电路8实现整机的复位、电源转换和电源管理。

工作时，可将本发明的单探头微波功率测量装置直接用USB电缆链接到+5V的电源适配器或+5V移动电源，通过机身自带的OLED显示电路7读取测量结果，也可以将本发明的单探头微波功率测量装置接入到具有USB主机接口的计算机、PDA、PAD、智能手机或者其他测量仪器上，通过机身OLED显示电路7和主机应用程序直接读取测量结果。

本发明的单探头微波功率测量装置结构紧凑，可以通过USB接口电路直接供电并传输数据，将最终测试结果直接传输给主机。本发明的USB接口电路，兼容其他具备USB主机接口的计算机或者测量仪器，可快速组建微波功率测试系统。

本发明的功率传感电路如图3所示，射频输入信号进入隔直流电容C_c，再经过50Ω负载匹配电阻R后进入检波二极管，例如检波二极管型号可以为HSCH-9162，检波二极管输出的直流信号通过滤波电容C送入前级放大器处理。

前级放大电路2采用超低失真、超低噪声的运算放大器AD797BR，实现约20倍放大；后级放大电路3采用采用OP27集成运算放大器，构成100倍放大电路，放大后的直流信号进入24位A/D转换器LTC2400CS8。

数字电路部分完成整机的控制和显示功能，同时实现所有测量数据的线性修正、频率响应补偿、温度补偿等校准补偿实时数据处理，线性修正能够修正二极管检波的非线性，频率响应补偿可以纠正不同频率下的二极管频响特性，温度补偿能够显著降低温度对二极管检波特性的影响。本发明的校准补偿实时数据处理的具体流程图如图4所示，测量装置首先读取到原始的ADC值，再扣除校零ADC值之后，乘以温度补偿系数，修正温度对功率测量的影响；再根据功率线性校准补偿表格，利用查表法，得到线性修正后的功率读数值；最后再除以频响校准因子，最终得到准确的功率读数显示值。

将本发明的单探头微波功率测量装置接入到带有USB主机接口的计算机、测量仪器、智能终端设备，在这些设备上可实现功率的测量结果显示、设置和后续处理，本发明测量装置的数字信号处理程序流程如图5所示。测量装置上电后，首先初始化设备，调用默认或程控命令设定的测试参数，启动测量线程，并实时对测量数据进行线性修正、频响补偿和温度补偿，实时数据处理的具体流程图如图4所示；随后测量装置自动显示处理后的测量结果；当测量装置接收到并成功解析发自主机的程控命令时，如果是配置命令，则自动配置新的测试参数，如果是读取命令，则启动数据上传线程，将主机要求的测量结果或配置参数返回给主机。

下面给出本发明测量装置的一个具体实施例，该实施例中，数字电路部分的核心数字信号处理器5，采用TMS320C6747BZKB；温度检测电路6采用可编程1线数字温度计DS18B20U+；OLED显示电路7装配在机身上，采用1.3寸OLED显示屏，用于实现功率的实时显示；电源管理电路8用于实现直流5V到3.3V、1.2V、1.8V的电源转换，以及复位、低功耗检测等功能，采用的是TPS65023RSB；USB接口电路9采用Cypress公司的CY7C68014芯片，用以实现高速/全速自适应USB 2.0设备接口，并且在其固件程序中实现USBTMC标准协议，方便测量仪器用户使用。优选地，所述USB接口电路采用Mini USB接口，采用螺纹紧固结构，可以将专用的USB电缆线旋紧固定到本发明测量装置的尾部上，同时支持通用的miniUSB电缆。

优选地，本发明的数字电路部分提供可互换虚拟仪器(IVI)驱动，可快速组建有线或无线多通道功率测试系统。

基于上述测量装置，本发明还提出了一种微波功率测量方法，其工作原理已在上述测量装置的整机控制流程进行了详细说明，这里不再赘述。

本发明采用USB接口供电，结构紧凑，单探头可手握，体积仅50mm×40mm×125mm，重量轻，外形与需要配接功率测量主机的常规功率探头相似；壳体装配OLED显示屏，可在仅提供+5V直流电源的情况下，通过机身OLED显示屏读取测量结果；即可以配接具有USB主机接口的计算机或者智能设备使用，也可以利用USB HUB或者WiFi-USB HUB，可快速组建有线或无线多通道功率测试系统；支持USBTMC协议，提供IVI驱动程序，可被VC、C#、Labview等多种编程工具调用，快速组建微波功率测试系统。

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 (10)

1.一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，包络模拟电路和数字电路两部分，模拟电路部分包括功率传感电路、前级放大电路、后级放大电路、模数转换电路，负责功率信号的传感、调理和模数转换；数字电路部分包括数字信号处理器、温度检测电路、OLED显示电路、电源管理电路、USB接口电路，负责功率测试数据的校准、补偿以及整机的控制和电源管理；

功率传感电路将微波信号转换为微弱的直流信号，然后经过前级放大电路和后级放大电路放大后，由模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给数字信号处理器，进行数据的校准、补偿操作，同时完成对温度检测电路的数据处理，实现对OLED显示电路的控制，实现与USB接口电路的数据交互，并通过USB接口电路将最终数据传送给上位主机；电源管理电路实现整机的复位、电源转换和电源管理。

2.如权利要求1所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，所述功率传感电路中，射频输入信号进入隔直流电容，再经过负载匹配电阻后进入检波二极管，检波二极管输出的直流信号通过滤波电容滤波后送入前级放大器处理。

3.如权利要求1所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，所述前级放大电路采用运算放大器AD797BR，实现20倍放大；后级放大电路采用OP27集成运算放大器，实现100倍放大电路，放大后的直流信号进入24位模数转换器LTC2400CS8。

4.如权利要求1所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，所述USB接口电路采用高速USB接口芯片，其固件程序实现USBTMC协议，并提供可互换虚拟仪器驱动，用户通过USB接口自行组建有线或无线多通道功率监测系统。

5.如权利要求1所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，所述OLED显示电路，位于测量装置的机身，通过直接+5V直流供电，或者接入到USB主机接口，实时动态显示功率测量结果。

6.如权利要求1所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，所述USB接口电路采用Mini USB接口，采用螺纹紧固结构，将USB电缆线旋紧固定到装置的尾部上，同时支持通用的miniUSB电缆。

7.如权利要求1所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，还提供数字信号处理程序，将测量装置接入到带有USB主机接口的计算机、测量仪器或者其他智能终端设备，通过这些设备实现对测量装置的配置、功率读数显示及后续处理。

8.如权利要求7所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，所述数字信号处理程序包括：

测量装置上电后，首先初始化设备，调用默认或程控命令设定的测试参数，启动测量线程，并实时对测量数据进行校准补偿实时数据处理；随后测量装置显示处理后的测量结果；当测量装置接收到并成功解析发自主机的程控命令时，如果是配置命令，则自动配置新的测试参数，如果是读取命令，则启动数据上传线程，将主机要求的测量结果或配置参数返回给主机。

9.如权利要求8所述的一种带显示的单探头微波功率测量装置，其特征在于，对测量数据进行校准补偿实时数据处理的具体流程为：

测量装置首先读取到原始的ADC值，再扣除校零ADC值之后，乘以温度补偿系数，修正温度对功率测量的影响；再根据功率线性校准补偿表格，利用查表法，得到线性修正后的功率读数值；最后再除以频响校准因子，最终得到准确的功率读数显示值。

10.一种基于权利要求1至9任一项所述测量装置的单探头微波功率测量方法。