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2019年04月01日 | 技术文章—如何设计简单、价格低廉的RMS功率计
2019-04-01
简介
RMS响应式RF功率计被广泛用于测试和测量应用，用于精确测量具有不同波峰因素的信号的RF功率。这些价格高昂的连接设备的精度非常高，依赖于广泛的特性测定和校准；但要保持这种精度，就无法兼顾成本和尺寸。
LTC5596是一款功率在100 MHz到40 GHz之间的rms响应式集成电路，成本更低，尺寸更小，检测范围在35 dB或以上，可用于制造手持式宽带功率计，或者作为嵌入式功率计装入电路中。
LTC5596采用可控的线性dB传递函数，具备出色的频率平坦度，易于校准 - 如单个中频两点校准一般基础的校准，在150 MHz至30 GHz频率范围内，测量精度为±1 dB。LTC5596具备低功耗（仅100 mW）和集成特性，因此能够用在电路和手持式电源监控解决方案中。
图1中电源供电的示例可以说明这整套方案相当简单，其中，宽带RF功率计可使用已有的LTC5596演示电路(DC2158A)、I2C LCD显示器，以及运行短小的固件程序的DC2026C Linduino板（见附录）构建。
图1.完整的宽带RF功率计。
表1.物料清单
描述 | 产品型号 |
LTC5596演示板 | DC2158A |
Arduino板 | Linduino DC2026C或可兼容的 |
I2C LCD显示器 | Smraza 2004 LCD显示模块(20 × 4) |
9 V电池和线缆 |
电路装配
图2显示了装配方案。Linduino板的模拟IN电池中包含多个ADC输入，这里采用A0来作为示例介绍LTC5596检波器的输出。该显示器采用I2C接口，简化了与Linduino板之间的连接。整个电路通过Linduino板的辅助端口供电，包括LTC5596板和连接器。
图2.连接图
固件
所需的所有固件都在Linduino板上运行。固件的主要功能是将测量到的模拟输入(V)转换为RF功率(dBm)，并在LCD显示器上显示。为了做到这一点，我们建议用两点校准法，在LTC5596的线性传递函数上找到斜率和截点——以线性形式表示的VOUT和RF功率：
其中，x表示输入功率（dBm），y表示LTC5596的输出电压（VOUT），与ADC数字码成正比，m表示斜率，b表示x截点（VOUT达到0）。固件依据测量所得的y来计算x，b和m的值则来自于校准（详见下方说明）。对多个读数取平均值可以帮助最小化噪声带来的影响。
Linduino的板载ADC为10位分辨率，与约4.9 mV的LSB尺寸对应。LTC5596的典型斜率为28.5 mV/dB，因此测量分辨率约为0.2 dB。附录显示的固件代码示例在5.8 GHz下使用，用于显示输入功率（dBm）。
校准
虽然LTC5596采用了线性dB传递函数。但器件间差异会导致出现多个传递函数斜率和轴截点。由于传递函数是线性的，所以校准很简单，只需采用两点校准（如果需要，则采用多点校准）就可以确保准确性。
图3显示了针对一个典型的传递曲线的两点校准，该曲线是5.8 GHz时LTC5596的曲线。这两点被用于求取斜率和x截点。
图3.LTC5596 VOUT与输入功率。选择的两个校准点应可以代表应用的工作范围。
本例中，
这些斜率和截点值都被用于附录所示的数字码中。
线性误差
在数据手册中，对数截点是指图中的x截点。线性误差是指理想直线与检波器实际测量的功率之间的差异。可用的检测范围一般是指线性误差小于1 dB的范围。因此，可以利用图4所示的x截点和斜率来计算误差，这显示的是采用两点校准时，系统能够达到的典型设备的线性误差。
图4.校准之后，LTC5596的误差与输入功率。线性动态范围约为–40 dBm至+3 dBm。
结论
LTC5596体积小、极为简单，且所需的功耗低，在100 MHz至40 GHz范围内，可以实现精准的RF功率测量。它让完整的解决方案具备小巧、高效和精准的特点，足以满足手持便携式RF功率计的需求，甚至可以放入电路之内，作为嵌入式RF功率计。由于LTC5596具备出色的线性dB宽带传递函数，固件开销达到最低。两点校准可在单个中频带频率下进行，具有不错的准确度；也可以在多频率下进行，以提高准确度。更重要的是，无论采用何种调制方式，LTC5596 rms检波器都能够准确测量功率。即使是简单的两点校准，结果也相当准确——不考虑调制波形的情况下，误差小于0.3 dB。与之相反，其他价格高昂的商业设备则需要密集校准和特性测定。
史海拾趣
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