CN107315153A - 一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，包括两级差分放大器；第一级差分放大器配合外围电阻构成差分加法器，其正向输入端分别接零点偏置调节电压、峰值功率探头输入的+信号，其反向输入端分别接零点偏置调节电压的反向信号、峰值功率探头输入的‑信号；第二级差分放大器配合外围电阻构成ADC的差分驱动放大器，调节前级输入信号的增益，同时提高输入信号的共模电压，共模电压由ADC的参考电压提供；通过DAC设置零点偏置调节电压，使得峰值功率探头在无信号输入下，第二级差分放大器输出的差模电压为一恒定值。本发明的调零电压准确度指标更高，功率准确度指标更高，通道噪声低，灵敏度指标高，电路简单。

Description

一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路和方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，还涉及一种峰值功率探头硬件调节零点偏置方法。
背景技术
在峰值功率测量中，调节零点偏置是保证功率测量准确度和灵敏度的重要手段。
图1所示为峰值功率探头的原理图，A1为由二极管对构成的检波器，A2为对数放大器。在无信号输入的情况下，如果环境温度发生比较大的变化，或者峰值功率探头接到不同的测试设备，由于噪声基底发生变化，会导致探头的输出IN+、IN-有比较大的变化，从而导致后端采样的ADC值发生比较大的变化，测得的噪声基底功率变化比较大，影响功率测量的准确度。
目前，现有的硬件调节零点偏置方案是采用单端运算放大器方式的硬件零点调节偏置，如图2所示，峰值测量时信号通过运算放大器A1、运算放大器A2放大后、由12位ADC A4进行采样。而调节零点偏置是通过运算放大器A1、运算放大器A3、16位的ADC A5实现的；A3、R27、R28组成的放大器相对于A2、R25、R26组成的放大器，增益放大100倍。在调节零点偏置时，IN+、IN-在无信号输入时，调节ZERO-VOLT的电压值，使得N5前端电压值逼近到1V，A4前端电压逼近到10mV，A4采样10mV对应的ADC值，作为零点偏置ADC，在测量过程中，采样得到的ADC值减去零点偏置ADC，然后再进行数据处理。
现有的采用单端运算放大器方式的硬件零点调节偏置方案，存在以下缺点：
(1)采用单端运算放大器，通道噪声高，灵敏度差；
(2)由于当时高速ADC器件的性能指标偏低，需要采用高位数低速ADC和高增益放大电路进行调节零点偏置，电路更复杂；
(3)调零电压准确度：±300uV
-40dBm功率准确度：±1.5dB
发明内容
为解决上述现有技术方案的不足，本发明提出了一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路和方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，包括两级差分放大器；
第一级差分放大器配合外围电阻构成差分加法器，其正向输入端分别接零点偏置调节电压、峰值功率探头输入的+信号，其反向输入端分别接零点偏置调节电压的反向信号、峰值功率探头输入的-信号；
第二级差分放大器配合外围电阻构成ADC的差分驱动放大器，调节前级输入信号的增益，同时提高输入信号的共模电压，共模电压由ADC的参考电压提供；
通过DAC设置零点偏置调节电压，使得峰值功率探头在无信号输入下，第二级差分放大器输出的差模电压为一恒定值。
可选地，通过电路增益调节，将ADC采样设定在2000～14500，设定ADC＝2000为无信号输入情况下的噪声基底，通过DAC设置使得在任何情况下的噪声基底ADC都接近于2000。
可选地，所述DAC采用16位DAC，其DAC值范围在0～65535之间，采用二分法进行硬件调节零点偏置。
可选地，所述硬件调节零点偏置的具体过程是：
步骤(1)，设置DAC为整个量程的中间值，设置DAC＝32767，读取ADC的电压值，如果ADC＜2000，则增大DAC值，如果ADC＞2000，则减小DAC值；
步骤(2)，如果ADC＜2000，则DAC设置为32767和65535的中间值49151，读取ADC的电压值；如果ADC＞2000，则DAC设置为32767和0的中间值16383；
步骤(3)，判断ADC值是大于2000还是小于2000，然后按照步骤(1)、步骤(2)进行DAC设置，连续设置16次DAC操作，最后一次DAC设置变化1，使得读取的ADC尽量逼近于2000，完成硬件调节零点偏置。
本发明还提出了一种峰值功率探头硬件调节零点偏置方法，基于一偏置电路，该偏置电路包括两级差分放大器；第一级差分放大器配合外围电阻构成差分加法器，其正向输入端分别接零点偏置调节电压、峰值功率探头输入的+信号，其反向输入端分别接零点偏置调节电压的反向信号、峰值功率探头输入的-信号；第二级差分放大器配合外围电阻构成ADC的差分驱动放大器，调节前级输入信号的增益，同时提高输入信号的共模电压，共模电压由ADC的参考电压提供；
通过DAC设置零点偏置调节电压，使得峰值功率探头在无信号输入下，第二级差分放大器输出的差模电压为一恒定值。
可选地，通过电路增益调节，将ADC采样设定在2000～14500，设定ADC＝2000为无信号输入情况下的噪声基底，通过DAC设置使得在任何情况下的噪声基底ADC都接近于2000。
可选地，所述DAC采用16位DAC，其DAC值范围在0～65535之间，采用二分法进行硬件调节零点偏置。
可选地，所述硬件调节零点偏置的具体过程是：
步骤(1)，设置DAC为整个量程的中间值，设置DAC＝32767，读取ADC的电压值，如果ADC＜2000，则增大DAC值，如果ADC＞2000，则减小DAC值；
步骤(2)，如果ADC＜2000，则DAC设置为32767和65535的中间值49151，读取ADC的电压值；如果ADC＞2000，则DAC设置为32767和0的中间值16383；
步骤(3)，判断ADC值是大于2000还是小于2000，然后按照步骤(1)、步骤(2)进行DAC设置，连续设置16次DAC操作，最后一次DAC设置变化1，使得读取的ADC尽量逼近于2000，完成硬件调节零点偏置。
本发明的有益效果是：
(1)调零电压准确度指标更高：±100uV；
(2)-40dBm功率准确度指标更高：±0.4dB；
(3)通道噪声低，灵敏度指标高；
(4)电路简单。
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为现有的峰值功率探头原理图；
图2为现有的采用单端运算放大器方式的硬件零点调节偏置电路图；
图3为本发明的采用差分运算放大器方式的硬件零点调节偏置电路图；
附图标记说明：
N1：跟随器
N2：1∶1反向放大器
IN+、IN-：从峰值功率探头来的信号
N3：第一级差分放大器
N4：第二级差分放大器
N5：A/D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。
如图3所示，本发明提出了一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路和方法，硬件调节零点偏置的思路是：峰值功率探头在无信号输入情况下，由于温度变化或者峰值功率探头接到不同的测试设备导致IN+、IN-发生变化后，通过设置DAC值，改变ZERO_VOLT电压值，使得A/D转换器的电压值保持为一个恒定值。
如图3所示，本发明的峰值功率探头硬件调节零点偏置电路包括两级差分放大器，第一级差分放大器N3配合外围电阻构成差分加法器，N3正向输入端分别接零点偏置调节电压ZERO_VOLT、峰值功率探头输入的+信号IN+，N3的反向输入端分别接零点偏置调节电压ZERO_VOLT的反向信号、峰值功率探头输入的-信号IN-。
峰值功率探头输入的+、-两路信号IN+、IN-，在峰值探头无信号输入情况下，IN+、IN-为接近于0mV的电压值。
ZERO_VOLT是由16位DAC产生的零点偏置调节电压，16位DAC输出0V～2.5V的电压值，本发明将其反向放大1倍，输出ZERO_VOLT的电压值为-5V～0V。
放大器N1与电阻R2组成跟随器，放大器N1的输出电压ZERO-的电压值与ZERO_VOLT相等；放大器N2、电阻R1、R3组成反向放大器，放大器N2的输出电压ZERO+的电压值与ZERO_VOLT相反，其中R1、R2、R3的阻值均为4.75kΩ。
差分放大器N3与电阻R3、R9、R7、R5、R10、R8组成差分加法器，其中R4＝R5＝499Ω、R9＝R10＝10kΩ、R7＝R8＝715Ω。
第二级差分放大器N4与外围的放大电阻R11、R12、R13、R14构成为ADC的差分驱动放大器，R11＝R12＝499Ω、R13＝R14＝715Ω，第二级差分放大器N4的作用是调节前级输入信号的增益，同时提高输入信号的共模电压，共模电压由ADC N5的参考电压VREF提供，ADCN5为14位100Ms/s采样率的A/D转换器。
本发明通过软件控制DAC设置ZERO_VOLT电压值，使得峰值功率探头在无信号输入下，第二级差分放大器N4输出的差模电压V4dm为一恒定值。
本发明输入信号功率为-40dBm～+20dBm，通过电路增益调节，将ADC N5采样设定在2000～14500，设定ADC＝2000为无信号输入情况下的噪声基底。而本发明硬件调节零点偏置的核心是通过DAC设置，使得在任何情况下的噪声基底ADC都尽量接近于2000。
本发明采用了16位DAC，其DAC值范围在0～65535之间，本发明采用二分法进行硬件调节零点偏置，具体过程是：
步骤(1)，设置DAC为整个量程的中间值，设置DAC＝32767，读取ADC的电压值，如果ADC＜2000，则增大DAC值，如果ADC＞2000，则减小DAC值；
步骤(2)，如果ADC＜2000，则DAC设置为32767和65535的中间值49151，读取ADC的电压值；如果ADC＞2000，则DAC设置为32767和0的中间值16383；
步骤(3)，判断ADC值是大于2000还是小于2000，然后按照步骤(1)、步骤(2)进行DAC设置，连续设置16次DAC操作，最后一次DAC设置变化1，使得读取的ADC尽量逼近于2000，完成硬件调节零点偏置。
相对于目前的单端运算放大器方式的硬件零点调节偏置方法，本发明的优点是：
(1)调零电压准确度指标更高：±100uV；
(2)-40dBm功率准确度指标更高：±0.4dB；
(3)通道噪声低，灵敏度指标高；
(4)电路简单。
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 (8)

1.一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，其特征在于，包括两级差分放大器；
第一级差分放大器配合外围电阻构成差分加法器，其正向输入端分别接零点偏置调节电压、峰值功率探头输入的+信号，其反向输入端分别接零点偏置调节电压的反向信号、峰值功率探头输入的-信号；
第二级差分放大器配合外围电阻构成ADC的差分驱动放大器，调节前级输入信号的增益，同时提高输入信号的共模电压，共模电压由ADC的参考电压提供；
通过DAC设置零点偏置调节电压，使得峰值功率探头在无信号输入下，第二级差分放大器输出的差模电压为一恒定值。
2.如权利要求1所述的一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，其特征在于，通过电路增益调节，将ADC采样设定在2000～14500，设定ADC＝2000为无信号输入情况下的噪声基底，通过DAC设置使得在任何情况下的噪声基底ADC都接近于2000。
3.如权利要求2所述的一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，其特征在于，所述DAC采用16位DAC，其DAC值范围在0～65535之间，采用二分法进行硬件调节零点偏置。
4.如权利要求3所述的一种峰值功率探头硬件调节零点偏置电路，其特征在于，所述硬件调节零点偏置的具体过程是：
步骤(1)，设置DAC为整个量程的中间值，设置DAC＝32767，读取ADC的电压值，如果ADC＜2000，则增大DAC值，如果ADC＞2000，则减小DAC值；
步骤(2)，如果ADC＜2000，则DAC设置为32767和65535的中间值49151，读取ADC的电压值；如果ADC＞2000，则DAC设置为32767和0的中间值16383；
步骤(3)，判断ADC值是大于2000还是小于2000，然后按照步骤(1)、步骤(2)进行DAC设置，连续设置16次DAC操作，最后一次DAC设置变化1，使得读取的ADC尽量逼近于2000，完成硬件调节零点偏置。
5.一种峰值功率探头硬件调节零点偏置方法，其特征在于，基于一偏置电路，该偏置电路包括两级差分放大器；第一级差分放大器配合外围电阻构成差分加法器，其正向输入端分别接零点偏置调节电压、峰值功率探头输入的+信号，其反向输入端分别接零点偏置调节电压的反向信号、峰值功率探头输入的-信号；第二级差分放大器配合外围电阻构成ADC的差分驱动放大器，调节前级输入信号的增益，同时提高输入信号的共模电压，共模电压由ADC的参考电压提供；
通过DAC设置零点偏置调节电压，使得峰值功率探头在无信号输入下，第二级差分放大器输出的差模电压为一恒定值。
6.如权利要求5所述的一种峰值功率探头硬件调节零点偏置方法，其特征在于，通过电路增益调节，将ADC采样设定在2000～14500，设定ADC＝2000为无信号输入情况下的噪声基底，通过DAC设置使得在任何情况下的噪声基底ADC都接近于2000。
7.如权利要求6所述的一种峰值功率探头硬件调节零点偏置方法，其特征在于，所述DAC采用16位DAC，其DAC值范围在0～65535之间，采用二分法进行硬件调节零点偏置。
8.如权利要求7所述的一种峰值功率探头硬件调节零点偏置方法，其特征在于，所述硬件调节零点偏置的具体过程是：
步骤(1)，设置DAC为整个量程的中间值，设置DAC＝32767，读取ADC的电压值，如果ADC＜2000，则增大DAC值，如果ADC＞2000，则减小DAC值；
步骤(2)，如果ADC＜2000，则DAC设置为32767和65535的中间值49151，读取ADC的电压值；如果ADC＞2000，则DAC设置为32767和0的中间值16383；
步骤(3)，判断ADC值是大于2000还是小于2000，然后按照步骤(1)、步骤(2)进行DAC设置，连续设置16次DAC操作，最后一次DAC设置变化1，使得读取的ADC尽量逼近于2000，完成硬件调节零点偏置。
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