USB总线的RF数字功率计

admin

摘要： 本文简述USB仪器的进展。并且介绍USB总线的RF数字功率计的电路构成，多通道RF数字功率传感器的网络连接。

关键词： USB仪器；数字功率计；数字功率传感器；网络连接

USB总线的仪器应用

　　Intel公司在90年代开发成功32位的奔腾系列微处理器，代替80年代普遍使用的16位80X86系列微处理器。同时推出PCI(外设部件互连总线)代替原来的ISA/EISA(工业/扩展工业标准结构总线)，PCI总线能够驱动10块PCI扩展卡，向后兼容ISA/EISA总线，带宽达到132MB/s至264MB/s。PCI总线大幅度提升PC计算机的外设能力，测试测量仪器业亦成功制订基于PCI总线扩展的PXI开放式模块仪器接口标准。90年代PC业界开发出USB(通用串行总线)。自2001年起Intel亦为奔腾微处理器配备USB接口，当时，USB1.0版本的数据率最高达到12Mb/s，仅适合键盘、鼠标、扫描仪、打印机、低速闪存等的数字应用。然而，USB具有的即插即用功能，无须复杂的安装程序即可连接外部设备，实现热插拔、配置、应用，它的弹性性能和简单易用，获得PC用户的认可和赞许。加上USB的连接电缆只用一对双绞线传输数字信号和两根电线传送直流，连接器尺寸小巧，容易装卸，价格便宜，成为继COM(串行通信)端口后最成功的PC外部设备连接接口。

　　USB接口很快在众多的计算机外部设备接口标准中脱颖而出，笔记本和台式PC都配置USB接口，同时普及到消费电子产品和通信设备，在测试测量仪器中亦出现基于USB接口的掌上式和手持式仪器。特别是USB2.0版本实施后，数据率从12Mb/s提高40倍至480Mb/s，目前USB2.0的数据率基本上满足PC与外部设备的数据传输要求，每台PC最少安装两套USB接口(主接口和设备接口)，在功能合理和成本优势的驱动下，成为外部设备的主流接口。在消费电子产品方面越来越受到欢迎，数码相机、照相手机、MP3音乐播放机大部分采用USB接口下载和上传数据。在通信设备方面，USB接口广泛用于有线调制解调器、ADSL数字用户线和路由器等设备。按市场占有率划分，USB接口在PC相关应用中约占70%，消费电子产品约占20%，通信设备约占9%。USB接口作为PC业界的开放式标准，直接应用到测试测量仪器作为“事实上”仪器接口，与测试测量仪器业界的四种开放式仪器总线接口，即GPIB、VXI、PXI和LXI，同样受到用户的重视。它的仪器应用范围日益扩大，成为单台仪器使用的最佳选择接口，甚至RF功率计亦提供USB接口的便携产品。

USB总线的RF数字功率计

　　HP(Agilent的前身)和Boonton两家公司在50年代开始供应RF功率计，当时频谱分析仪还没有开发成功，RF功率计成为测量RF信号幅度最简单和实用的仪器。HP 430A功率计采用电桥电路，其一臂是对RF信号敏感的仪器用小型保险丝管，额定电流10mA，带宽达到1GHz，由电流表指示平均功率读数。这种模拟式功率计具有电路简单，结构可靠，作为传感器的保险丝管由2m电缆外引至被测点，可降低阻抗的失配，提高操作的机动性。进入80年代，RF功率计完成从模拟到数字化的转型，为了提高带宽和读数速度，高频二极管检波器代替了响应时间较慢的热敏元件，采用A/D转换器获得数字值，由微处理器执行运算和数据处理，构成完整的带有显示屏和操作面板的台式仪器，通常采用GPIB接口。视功能的不同，该类仪器称为数字功率计或功率分析仪，它们的探头由电缆与主机连接，探头内装有高频二极管检波器和前端电路，根据被测对象的不同，可选用不同带宽和不同灵敏度的探头。

　　随着仪器总线的发展，数字功率计亦推出VXI、PXI和LXI接口的相应仪器，同时随着其它工业总线的发展，数字功率计也有PCI、LAN和USB的多种仪器。近两年来，测试测量仪器业界纷纷开发USB接口的数字功率计，特点是电路结构简单，与采用仪器总线或其它工业总线的数字功率计相比，充分发挥USB接口和PC的效能。具体实现方法是在原来数字功率计的传感器探头的输出端增加一块USB控制器芯片，传感器探头通过USB电缆和连接器与PC的USB设备接口连接，构成虚拟仪器。前端传感器探头完成对被测信号的检测和数字变频，输出的数据由后端PC执行数字处理和显示，探头的电源同时由USB仪器接口供应。一种USB数字功率计如图1所示。

                                                                  图1 USB RF数字功率计框图



USB RF数字功率计的电路构成

　　USB RF数字功率计的电路构成主要有两类，二极管检波器和热敏传感器，前者的代表性产品有Agilent公司的U2000系列，后者的代表性产品有Anritsu公司的MA24106A。U2000系列USB功率传感器的方框图如图2所示，RF信号输入至半桥式检波电路，检波输出经高、低增益通道后，分别由双路A/D转换器作数字变换，串行数据输入DSP嵌入式处理器，经过数字运算和误差校正，通过USB2.0接口控制器芯片和电缆传送到PC主计算机进行功率分析和测量结果显示。USB接口数字传感器可实现外触发，传感器伏安特性曲线校正，多路并行输入，分屏多画面显示，多种调制格式测量，高测量速度，数据多次平均，及格/不合格分类等测量功能。

                                                            图2 U2000系列数字功率传感器框图

　　MA24106A USB数字传感器采用传统的热敏传感器件，但具有更大的动态范围和更宽频率特性，方框图如图1所示。RF信号经直流隔离和10dB衰减，由分路器分成A、B两路检波和平均放大器后，输入到双路A/D转换器和微处理器作数字变换和处理，最后由USB接口控制器和电缆输出至PC主计算机。它与图2的主要不同点在于采用两套独立的传感器检波电路，A路检测RF大信号输入，B路检测RF小信号输，保持传感器工作在平方律曲线段内。A/D转换器使用温度补偿，微处理器的EEPROM提供在线功率校准曲线和测试函数。

        这种USB数字传感器的微处理器采用微控制器而不是DSP处理器，运行在微软公司的windows操作系统，为用户提供熟悉的用户界面。因为这种USB数字传感器实现均方根值功率测量，测量结果与RF信号的类型或带宽无关，非常适合CW波、多载频、不同调制格式的3G、4G和OFDM波形的测量。MA24106A USB数字传感器还可用于RF数字多用表、数字化仪和数字存储示波器作探头使用。
USB RF数字传感器的局域和广域网

　　借助USB接口容易实现多通道数字功率传感器与PC主计算机的连接，连接方法如图3所示。基本连接方法是单个数字功率传感器通过5m长的USB电缆接入PC主计算机或掌上计算机的USB设备接口(图3上)PC机亦可通过1个USB集线器扩展至8个USB接口，实现最多8个数字功率传感器的并行输入。需要在更远距离连接USB数字功率传感器的场合，可在PC机和数字功率传感器两端分别使用USB扩展器，中间由5类铜缆连通时，距离达到50m。由多模光纤连通时，距离扩展到500m。由单模光纤连通时，距离扩展到10km(图3下)。根据USB2.0标准构建的USB网络，借助多重集线器、扩展器、铜缆、光纤的连通，PC主计算机最多可构成由127个数字功率传感器组成的局部和/或远端USB网络。另外，借助5个串行集线器和多条5m电缆可构成最远距离30m的USB网络。应该注意，PC机的USB接口只能提供200mA/5V的直流，通过集线器、扩展器连接多个数字传感器或组网时，必须使用带有直流电源适配器的集线器、扩展器。如果需要城际或国际组网，最简单的方法是PC主计算机接入互联网，在地球的另一端通过互联网LAN-USB网关的USB接口构建数字功率传感器网络。

                                                                 图3 多通道USB RF数字功率传感器的网络连接

USB RF数字功率传感器的性能

　　当前，测试测量仪器公司推出多种USB RF数字功率传感器，主要产品如表1所示。由表1可见，产品供应商包括大型和中小仪器厂，频率上限达到26GHz，检波方式有平均值和峰值两种，重量大部分在300g 以下，直流电流一般在200mA以下。高速二极管检波电路可获得平均功率和峰值功率，具有较大的动态范围，更高的频率上限，更快的读数速度。热敏元件由于热响应较慢，频率上限和读数速度要比高速二极管的低，但可获得准确的平均功率读数。对于脉冲调制和占空比低的RF信号，采用峰值功率检波再转换成平均值，要比采用平均功率测量更准确，通过峰值功率测量值还可以求得在移动通信中非常重要的多种统计功率函数。

表1 USB RF数字功率传感器性能比较

参考文献：
　　
　　1. U2000 Series USB Power Sensors，Techical Overview ,Agilent