Design and Implementation of a Signal Generator Amplitude Stabilization Loop
铁奎 田元琐
(我国电子科技集团公司第四十一研讨所 安徽 蚌埠233010)
摘要：针对信号发生器中功率操控的需求，选用理论推导的办法得到闭环稳幅环路的理论依据并规划了闭环稳幅环路的电路原理，逐个完成检波器的功率-电压转化，环路数字化运算的差错积分和环路状况操控，功精确度和频率响应的校准，终究经过实践丈量验证了规划的有效性。
关键词：稳幅环路；开闭环；检波器；校准
中图分类号：TN911.72 文献标识码：B
基金称号：国家科技严重专项2018ZX03001026
1 导言
信号发生设备中功率操控必不可少，一般情况下功率巨细的输出是经过小步进电调衰减器与大步进程控衰减器结合使用来完成功率的大动态规模调整。功率操控除了调整输出信号功率巨细之外，还有坚持信号输出功率安稳度的需求，因而在小步进电调衰减器的操控进程中依据是否将输出功率反应给电压调整电路分为开环与闭环，大多数的信号源都具有闭环稳幅功用，然后确保信号的输出功率不会因输入功率的细小改动或有源器材增益随作业温度改动形成的差错而遭到较大影响。
2 闭环稳幅环路的原理
闭环稳幅具有安稳输出功率的效果，其操控电调衰减器的衰减量必定与输出端检测的功率巨细成正相关性，也便是输出端耦合的功率越大，其经过闭环稳幅环路调整电调衰减器的衰减量越大，然后使得输出功率减小，是一个负反应的进程。其电路原理如图1所示。
输出信号经过定向耦合、检波后得到电压输出信号经过定向耦合、检波后得到电压Vdfalse，检波电压与参阅电压比较后得到的差值再进行积分得到Vi false
积分电压与参阅电压求和后得到电调衰减器的操控电压Vc false
假定检波功率Poutfalse越大，检波电压Vdfalse越大；Vcfalse越大，电调衰减器的衰减越大，即信号输出功率Poutfalse越小。此刻若有某种不可控因素导致信号输出功率Poutfalse变大，那么Vdfalse变大，△V=Vd–Vreffalse也变大导致Vc false变大，然后使得Poutfalse变小，这样稳幅环路便能够到达某种动态平衡。从上述进程能够看出只需△Vfalse不为零，环路就一直在调整，直到△Vfalse趋于零停止，也便是Vdfalse无限趋近于Vreffalse。只需Vreffalse不变，任何其他原因导致输出功率改动然后让Vdfalse发生改动的进程，只需在环路调整规模之内，都可经过动态调整终究平衡到Vdfalse无限趋近于Vreffalse的状况，即Vdfalse简直坚持不变，相同输出功率Poutfalse也简直坚持不变。
3 闭环稳幅环路的规划
3.1 稳幅环路原理规划
为了便于环路的操控，咱们规划选用了数字稳幅环路，首要是将环路积分、参阅电压设置和环路作业状况由数字电路完成。它的长处在于能够对环路的开闭环状况及取样坚持依据时刻要求动态调整，特别关于通讯类的脉冲信号能够让开闭环状况与时隙同步，这样就避免了脉冲信号形成环路失锁，其电路规划如图2。输出功率经过定向耦合器进入检波电路得到检波电压，经过AD转化数字化后导入FPGA进行差错比较、积分及与参阅电压的求和核算得到电压操控字，终究经过DA转化成模仿电压操控电调衰减器的衰减程度。
3.2 检波电路的规划
在实践电路的规划进程中，检波器选用AD8318对数检波器，其首要电路规划如图3所示。其作业频率规模1MHz～8GHz；精确度±1dB（55dB规模）；温度安稳性±0.5dB；对数斜坡-25mV/dB；脉冲响应时刻10/12ns；集成温度探头2mV/K；5V@68mA；封装LFCSP4mm×4mm；噪声功率-68dBm；最佳线性规模-50～-10dBm；芯片作业在操控形式时，装备如下。
ENBL：高使能，低休眠；
INHI、INLO：1MHz～8GHz主张耦合电容0402型1nF，外跨接52.3Ω匹配电阻；
VOUT：内部PNP射极跟从输出
VSET：设置参阅电压；
TADJ：输出电压温度补偿，常态配接500Ω对地电阻，随频率改动；
TEMP：温度传感器输出2mV/℃，27℃时为600mV；
CFLT：对地衔接参阅电容，对环路不平衡时的差错积分；
检波器输出电压与检波功率、频率对应联系如表1。
3.3 FPGA的规划
FPGA内部电路规划如图4所示。
实践电路规划进程中，参阅电压Vreffalse首要要依据检波的频率不同叠加一个频响补偿电压Vffalse（不同的频率在同一功率下检波电压不同），检波电压Vdfalse与补偿电压Vffalse求和后得到预置功率电压Vpfalse，并在积分电压输出前增加了环路状况操控电路。
在闭环状况下，电调衰减器操控电压Vcfalse，由Vreffalse、Vffalse和Vi false一起效果，即
在开环状况下，电调衰减器操控电压Vcfalse由Vreffalse和Vffalse一起效果，即
在取样坚持状况下，电调衰减器操控电压，由Vreffalse、Vffalse和Vi false的上一次的输出成果一起效果，此刻检波电压Vdfalse不再参加反应，积分电路停止作业，坚持上一次的电压输出成果不变，即
稳幅环路FPGA规划中心代码如下：
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
acc_en_1<=adc_epy;
acc_en<=acc_en_1;
end if;
end process;
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
ad_acc_start_1 <= ad_acc_start;
ad_acc_start_2 <= ad_acc_start_1;
end if;
end process;
ad_acc_start_3 <= (not ad_acc_start_2) and ad_
acc_start_1;
ad_acc_start_4 <= (not ad_acc_start_1) and ad_
acc_start_2;
process(CLK200M_0)
begin
if CLK200M_0’event and CLK200M_0=’1’
then
if cw_EN = ‘0’ then
cw_win_stage<=’0’;
loop_en <= ‘0’;
loop_counter <= x”000”;
else
if loop_switch = ‘0’ then
loop_en <= ‘1’;
else
if ad_acc_start_3 = ‘1’ then
loop_en <= ‘1’;
loop_counter <= x”000”;
else
if qt_en_12 = ‘1’ then
if loop_counter = x”1ff” then —x”190” then
loop_en <= ‘0’;
loop_counter <= loop_counter;
else
loop_counter <= loop_counter + ‘1’;
end if;
else
loop_en <= loop_en;
loop_counter <= loop_counter;
end if;
end if;
end if;
if ad_acc_start_3 =’1’ then
cw_win_stage<=’1’;
elsif ad_acc_start_4 =’1’ then
cw_win_stage<=’0’;
else
cw_win_stage<=cw_win_stage;
end if;
end if;
end if;
end process;
3.4 功率精确度的校准
功率校准的意图便是树立参阅电压与输出功率之间的映射表，经过预期输出功率能够快速查到对应的参阅电压设置。校准是在稳幅环路开环状况下进行，其进程如下：对参阅电压操控字从小到大开端遍历设置，然后会得到相对应的输出功率，保存电压操控字，终究得到一个功率校准表，也便是参阅电压与实践功率输出的映射联系。在最大与最小输出功率之间没有得到相应的功率操控字时，可经过线性拟合的办法核算得到。因而功率输出精确度与映射表格容量有关，映射联系越精密，功率操控越精确。
3.5 频率响应的校准
因为射频通道的频响特性会形成相同的信号因为频率不同而通道增益不同，因而需求对输出相同功率的信号，因为通道增益不同带来的电调衰减器衰减不同进行校准，即针对相同输出功率因为频率不同，调整操控电压，用不同的电调衰减器衰减来补偿通道频响，校准进程如下：将信号输出功率设定为某一固定值，在信号输出频率规模内以固定频率步进遍历输出，丈量实践输出信号的功率巨细，实践输出与方针输出功率的差值即为需求补偿的频响功率。校准完成后可得到一张信号输出频率与需求补偿功率的映射联系表。在最小与最大输出频率之间，没有遍历到的频率点，可经过线性拟合的办法得到。相同射频通道频响性能与频响校准映射表的容量有关，频率遍历步进越小、映射表格越大，射频通道频响特性越好。
4 测验成果
图5-7为闭环稳幅频率设置为2GHz，功率别离设置为10dBm、0dBm、-10dBm时实测值，能够看出方针输出功率与实测功率差错极小。
图8-10为闭环稳幅时功率设置为5 dBm，频率别离设置为1GHz、1.5GHz、2GHz时实测的功率值，能够看出功率随频率改动动摇极小。
5 结束语
稳幅环路状况有闭环、开环与坚持三种状况，一般依据实践作业条件进行挑选。闭环稳幅环路功率安稳性最好，但因为是负反应电路，若有输入信号带有脉冲调制，有或许导致环路失锁，此刻环路应切换为坚持或开环状况；若稳幅闭环中要参加调幅信号，那么环路带宽要跟着调制频率的巨细而调整。在实践电路中，一般接连波或模仿调制会在闭环状况；一般数字调制，码元速率较小时需开环或坚持，码元速率较大时能够闭环但或许会影响信号质量；通讯信号如LTE、WCDMA等则需求稳幅环路在开环或坚持状况。
参阅文献：
[1]刘长文，冯克明.宽频带信号源稳幅环路规划[J].宇航计测技能，2013,26（5）：12-15.
[2]许传忠，杨春涛等.脉冲信号稳幅办法研讨[J].宇航计测技能，2012,25（1）：9-13.
[3]李卓明.宽带大动态规模主动电平操控技能研讨[J].电子丈量技能，2012,33（5）：7-9.
[4]刘彦庭.超宽带大动态规模主动电平操控技能的研讨[D].电子科技大学学报，2016，9（4）:5-11.
[5]吴膺才.短波发射机射频模块数字化规划[J].信息通讯，2017,127:75-77.
[6]金绍春，鲍景富等.一种矢量信号发生器规划与完成[J].电子产品世界，2012,19（285）：44-47.
[7]徐文虎,蒋政波等.便携式TDD-LTE矢量信号发生器的研发[J].电子丈量与仪器学报，2011，25（6）：546-552.
[8]吴迎笑，杨震等.根据频谱感知的认知无线电时机功率操控算法[J].仪器仪表学报，2010，31（6）：1235-1240.
[9]王海燕等.LTE终端射频测验技能剖析[J].电信网技能，2011（8）：81-84.
作者简介
铁奎：1981年生，男，安徽淮南，本科，高级工程师，首要研讨方向为移动通讯测验技能。
田元琐：1983年生，男，安徽淮南，硕士研讨生，高级工程师，首要研讨方向为数字中频处理。
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第36页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
