基于AD8302的单片宽频带相位差测量系统设计

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基于AD8302的单片宽频带相位差测量系统设计

摘要：在移动通信系统中，经常需要精确测量相位差。详细阐述了AD8302构成的宽频带相位差及频率测量系统。该系统可精确测量从低频到射频范围内0°~360°的相位差（测量误差小于0.5°），-60dBm~0dBm范围内的功率电平以及10MHz以下的频率。
关键词：相位差；增益；频率；相位检波器；测量系统；AD8302
中图分类号：TN911.23  文献标识码：A  文章编号：1006-6977（2006）01-0057-04
1 引言        传统的相位差测量仪需要采用多个中小规模集成电路，不仅电路复杂，测量相位差的精度低，而且适用的频率范围窄，只能测量低频或中频信号。本文介绍利用美国ADI推出的AD8302型相位检测器设计的宽频带相位差及频率测量系统。该系统能精确测量2个独立的射频（RF）、中频（IF）或低频信号的增益、相位差及频率。可广泛用于全球移动通信系统（GSM），码分多址（CDMA）、宽带码分多址（WCDMA）、时分多址（TDMA）移动电话、个人通信业务（PCS）及宽带基础设施网络等领域。

2 AD8302的性能特点       AD8302内部包含2个精密匹配的宽带对数放大器、1个宽带相位检测器、1.8V精密基准源、以及模拟标定电路和接口电路，能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内2个输入信号之间的增益（亦称幅度比）和相位差。由于该器件内部集成2个精密匹配的对数放大器，因此可将温度漂移降至最低限度。AD8302不仅能测量放大器、混频器等电路的增益和相位差，而且特别适合对无线基站及测试设备的检测。

      测量增益时，2个输入信号的动态范围为±30dB，输出电平的灵敏度为30mV/dB，误差小于0.5dB。对应于－30dB的输出电压为30mV，而对应于＋30dB的输出电压为1.8V。输出电流为8mA，转换速率为25V/μs。

     测量相位差的范围是0°－180°，对应的输出电压变化范围是0V－1.8V，输出电压灵敏度为10mV/度，测量误差小于0.5°。当相位差Δψ＝0°时，输出电压为1.8V；当Δψ＝180°时，输出电压为30mV，输出电流为8mA。相位输出时的转换速率为30MHz，响应时间为40ns－500ns（视被测相位差而定）。
   
       AD8302还具有3种工作模式：相位测量模式、输入电平比较器模式和相位控制器模式。利用相位控制模式可构成相位控制器。
   
       增益及相位差的小信号包络带宽均为30MHz（将MFLT端开路），利用外部滤波电容器可减小带宽。对于特性阻抗为50Ω的相位差测量系统，输入功率电平的范围为－60dBm－0dBm。

3 AD8302的测量原理       AD8302的内部电路框图如图1所示。主要包括2个精密匹配的解调式对数放大器，1个乘法器型的相位检测器，3个加法器（Σ），1组输出放大器，偏置电路和基准电压缓冲器。输入信号可以是单端信号，也可以是差分信号。在低频段，这些信号的输入阻抗通常为3KΩ，每个对数放大器6个10dB增益级串联而成，6个增益级带有7个辅助检波器。每个增益级的－3dB的带宽都超过5GHz。利用这2个对数放大器可以测量2个输入信号的增益（或幅度比）。如果测量变频增益（或变频衰减），这2个信号也可以是不同频率的信号。如将被测信号加到1个输入端，而将标准信号加到另1个输入端，AD8302还可用来测量绝对电平。乘法器型的相位检测器能实现精确的相位平衡，在很宽的频率范围内相位差的测量精度与信号电平无关。对数放大器和相位检波器对输入高频信号进行处理后，就以电流的形式把增益和相位差信息送至输出放大器，再由输出放大器最终决定增益灵敏度和相位差灵敏度，外部滤波电容器可分为每路输出提供平均时间常数。基准电压缓冲器提供1.8V、5mA的基准电压源。

    AD8302还可以作为控制器使用。当作为增益控制器时，必须将增益输出端（UMAG）和设定端（MSET）之间的反馈电路断开，把MSET作为所需要的设置点，再利用UMAG信号控制外部增益调节器，当作为相位差控制器时，应断开相位差输出端（UPHS）与其设定端（PSET）之间的反馈电路，然后用UPHS信号控制外部的相位调节器。AD8302能精确测量2个信号之间的增益和相位差，测量原理如下所述。

       对数放大器能将宽度范围的输入电压信号变成窄范围的分贝刻度输出，对数放大器的输出电压为：
   
    式中，USLP为增益斜坡电压，UIN为输入电压。UZ为参考电压，lg（UIN/UZ）为2个输入电压的分贝比。
   
       测量增益时，分别用UINA和UINB来代替UIN、UZ、AD8302的输出就变成
   
    式中，UINA和UINB为2路输入电压，UMAG为增益输出电压，与信号电平的差值相对应。

       相位差输出电压的表达式为