USB總線的RF數(shù)字功率計(jì)

摘要： 本文簡述USB儀器的進(jìn)展。并且介紹USB總線的RF數(shù)字功率計(jì)的電路構(gòu)成，多通道RF數(shù)字功率傳感器的網(wǎng)絡(luò)連接。

關(guān)鍵詞： USB儀器；數(shù)字功率計(jì)；數(shù)字功率傳感器；網(wǎng)絡(luò)連接

USB總線的儀器應(yīng)用

　　Intel公司在90年代開發(fā)成功32位的奔騰系列微處理器，代替80年代普遍使用的16位80X86系列微處理器。同時(shí)推出PCI(外設(shè)部件互連總線)代替原來的ISA/EISA(工業(yè)/擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線)，PCI總線能夠驅(qū)動(dòng)10塊PCI擴(kuò)展卡，向后兼容ISA/EISA總線，帶寬達(dá)到132MB/s至264MB/s。PCI總線大幅度提升PC計(jì)算機(jī)的外設(shè)能力，測試測量儀器業(yè)亦成功制訂基于PCI總線擴(kuò)展的PXI開放式模塊儀器接口標(biāo)準(zhǔn)。90年代PC業(yè)界開發(fā)出USB(通用串行總線)。自2001年起Intel亦為奔騰微處理器配備USB接口，當(dāng)時(shí)，USB1.0版本的數(shù)據(jù)率最高達(dá)到12Mb/s，僅適合鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、打印機(jī)、低速閃存等的數(shù)字應(yīng)用。然而，USB具有的即插即用功能，無須復(fù)雜的安裝程序即可連接外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)熱插拔、配置、應(yīng)用，它的彈性性能和簡單易用，獲得PC用戶的認(rèn)可和贊許。加上USB的連接電纜只用一對雙絞線傳輸數(shù)字信號和兩根電線傳送直流，連接器尺寸小巧，容易裝卸，價(jià)格便宜，成為繼COM(串行通信)端口后最成功的PC外部設(shè)備連接接口。

　　USB接口很快在眾多的計(jì)算機(jī)外部設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)中脫穎而出，筆記本和臺(tái)式PC都配置USB接口，同時(shí)普及到消費(fèi)電子產(chǎn)品和通信設(shè)備，在測試測量儀器中亦出現(xiàn)基于USB接口的掌上式和手持式儀器。特別是USB2.0版本實(shí)施后，數(shù)據(jù)率從12Mb/s提高40倍至480Mb/s，目前USB2.0的數(shù)據(jù)率基本上滿足PC與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸要求，每臺(tái)PC最少安裝兩套USB接口(主接口和設(shè)備接口)，在功能合理和成本優(yōu)勢的驅(qū)動(dòng)下，成為外部設(shè)備的主流接口。在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面越來越受到歡迎，數(shù)碼相機(jī)、照相手機(jī)、MP3音樂播放機(jī)大部分采用USB接口下載和上傳數(shù)據(jù)。在通信設(shè)備方面，USB接口廣泛用于有線調(diào)制解調(diào)器、ADSL數(shù)字用戶線和路由器等設(shè)備。按市場占有率劃分，USB接口在PC相關(guān)應(yīng)用中約占70%，消費(fèi)電子產(chǎn)品約占20%，通信設(shè)備約占9%。USB接口作為PC業(yè)界的開放式標(biāo)準(zhǔn)，直接應(yīng)用到測試測量儀器作為“事實(shí)上”儀器接口，與測試測量儀器業(yè)界的四種開放式儀器總線接口，即GPIB、VXI、PXI和LXI，同樣受到用戶的重視。它的儀器應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，成為單臺(tái)儀器使用的最佳選擇接口，甚至RF功率計(jì)亦提供USB接口的便攜產(chǎn)品。

USB總線的RF數(shù)字功率計(jì)

　　HP(Agilent的前身)和Boonton兩家公司在50年代開始供應(yīng)RF功率計(jì)，當(dāng)時(shí)頻譜分析儀還沒有開發(fā)成功，RF功率計(jì)成為測量RF信號幅度最簡單和實(shí)用的儀器。HP 430A功率計(jì)采用電橋電路，其一臂是對RF信號敏感的儀器用小型保險(xiǎn)絲管，額定電流10mA，帶寬達(dá)到1GHz，由電流表指示平均功率讀數(shù)。這種模擬式功率計(jì)具有電路簡單，結(jié)構(gòu)可靠，作為傳感器的保險(xiǎn)絲管由2m電纜外引至被測點(diǎn)，可降低阻抗的失配，提高操作的機(jī)動(dòng)性。進(jìn)入80年代，RF功率計(jì)完成從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)型，為了提高帶寬和讀數(shù)速度，高頻二極管檢波器代替了響應(yīng)時(shí)間較慢的熱敏元件，采用A/D轉(zhuǎn)換器獲得數(shù)字值，由微處理器執(zhí)行運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，構(gòu)成完整的帶有顯示屏和操作面板的臺(tái)式儀器，通常采用GPIB接口。視功能的不同，該類儀器稱為數(shù)字功率計(jì)或功率分析儀，它們的探頭由電纜與主機(jī)連接，探頭內(nèi)裝有高頻二極管檢波器和前端電路，根據(jù)被測對象的不同，可選用不同帶寬和不同靈敏度的探頭。

　　隨著儀器總線的發(fā)展，數(shù)字功率計(jì)亦推出VXI、PXI和LXI接口的相應(yīng)儀器，同時(shí)隨著其它工業(yè)總線的發(fā)展，數(shù)字功率計(jì)也有PCI、LAN和USB的多種儀器。近兩年來，測試測量儀器業(yè)界紛紛開發(fā)USB接口的數(shù)字功率計(jì)，特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，與采用儀器總線或其它工業(yè)總線的數(shù)字功率計(jì)相比，充分發(fā)揮USB接口和PC的效能。具體實(shí)現(xiàn)方法是在原來數(shù)字功率計(jì)的傳感器探頭的輸出端增加一塊USB控制器芯片，傳感器探頭通過USB電纜和連接器與PC的USB設(shè)備接口連接，構(gòu)成虛擬儀器。前端傳感器探頭完成對被測信號的檢測和數(shù)字變頻，輸出的數(shù)據(jù)由后端PC執(zhí)行數(shù)字處理和顯示，探頭的電源同時(shí)由USB儀器接口供應(yīng)。一種USB數(shù)字功率計(jì)如圖1所示。

圖1 USB RF數(shù)字功率計(jì)框圖

USB RF數(shù)字功率計(jì)的電路構(gòu)成

　　USB RF數(shù)字功率計(jì)的電路構(gòu)成主要有兩類，二極管檢波器和熱敏傳感器，前者的代表性產(chǎn)品有Agilent公司的U2000系列，后者的代表性產(chǎn)品有Anritsu公司的MA24106A。U2000系列USB功率傳感器的方框圖如圖2所示，RF信號輸入至半橋式檢波電路，檢波輸出經(jīng)高、低增益通道后，分別由雙路A/D轉(zhuǎn)換器作數(shù)字變換，串行數(shù)據(jù)輸入DSP嵌入式處理器，經(jīng)過數(shù)字運(yùn)算和誤差校正，通過USB2.0接口控制器芯片和電纜傳送到PC主計(jì)算機(jī)進(jìn)行功率分析和測量結(jié)果顯示。USB接口數(shù)字傳感器可實(shí)現(xiàn)外觸發(fā)，傳感器伏安特性曲線校正，多路并行輸入，分屏多畫面顯示，多種調(diào)制格式測量，高測量速度，數(shù)據(jù)多次平均，及格/不合格分類等測量功能。

圖2 U2000系列數(shù)字功率傳感器框圖

　　MA24106A USB數(shù)字傳感器采用傳統(tǒng)的熱敏傳感器件，但具有更大的動(dòng)態(tài)范圍和更寬頻率特性，方框圖如圖1所示。RF信號經(jīng)直流隔離和10dB衰減，由分路器分成A、B兩路檢波和平均放大器后，輸入到雙路A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器作數(shù)字變換和處理，最后由USB接口控制器和電纜輸出至PC主計(jì)算機(jī)。它與圖2的主要不同點(diǎn)在于采用兩套獨(dú)立的傳感器檢波電路，A路檢測RF大信號輸入，B路檢測RF小信號輸，保持傳感器工作在平方律曲線段內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換器使用溫度補(bǔ)償，微處理器的EEPROM提供在線功率校準(zhǔn)曲線和測試函數(shù)。