USB总线微波功率计设计

微波功率是表征微波信号特性的一个重要参数。当待测信号频率进入微波频段时，功率便成为更可靠的测量对象。在无线通信系统、微波设备和微波器件的设计和测试过程中，微波功率计是必不可少的测试仪器[1]。
　本文基于虚拟仪器思想，设计了功率计探头，编写了功率计软件。功率计探头采用二极管检波、微弱信号检测、高速USB总线等技术，完成微波功率到直流电压信号的转换、采集和传输。功率计软件以NI公司LabWindows/CVI为开发环境，利用NI-VISA和多线程技术实现设备管理、测量控制以及图形用户接口。实际应用表明，充分利用USB总线即插即用、扩展方便的特点和软件的可移植性，本文设计的USB总线微波功率计能够实现与配备Windows操作系统、具有USB接口的计算机、频谱仪等多种设备适配。
1 测量原理
　二极管检波式USB总线微波功率计通过检测二极管检波输出电压，然后针对二极管检波特性进行数字校准和补偿，获取待测信号功率值。USB总线微波功率计组成结构如图1所示。

功率计探头利用双检波二极管将输入的微波信号转化为直流电压信号，经斩波后转化为方波信号，依据信号的大小经过量程选择进入低噪声、高增益的前置级放大电路，放大后的信号通过带通滤波、后级放大等操作后利用A/D芯片进行采集，将采集到的数据初步处理后通过USB总线送入主机处理,全部过程在CPLD控制下完成。为实现功率计的调零、校准、补偿等功能，功率计探头还包括温度传感器、直流校准源、EEPROM等。主机功率计软件主要包括USB控制器固件程序、基于NI-VISA的底层硬件驱动程序和基于LabWindows/CVI的用户应用程序，共同实现对USB外设的控制、数据采集、校准补偿、显示和存储等功能。
2 功率计探头设计
　功率计探头主要用来实现微波功率到直流电压信号的转化、采集和传输，研制过程中需要重点解决二极管检波、微弱信号检测、高速USB总线通信等问题。
2.1二极管检波电路
　二极管平均功率检波器采用平衡配置的双二极管检波方式，基于多种校准和补偿技术，使得单个二极管平均功率计探头的动态范围达到了-70 dBm～＋20 dBm。二极管检波器的原理如图2所示。

输入的微波信号经过电容C隔离掉直流分量后经3 dB衰减器进入50 Ω匹配负载和双二极管检波器，两个检波二极管分别输出V+、V-的正、负两路直流信号(设其幅值A、-A)，通过视频滤波电容Cb送入平衡斩波电路处理。这种平衡配置双二极管全波检波可以有效消除低功率测量时由不同金属连接导致的接触电压问题。为实现对二极管检波特性的温度补偿，在二极管附近设置热敏电阻来检测其工作温度。
2.2 微弱信号检测电路
　对应-55 dBm～＋20 dBm范围内的功率输入，二极管检波器输出的检波电压约在1 μV～1.6 V之间，该信号具有低端微弱的特点，且由于该信号是直流信号，测量过程中极容易受到噪声的影响[2]。本文采用MOSFET自制平衡斩波器解决了上述问题。平衡斩波技术利用两个MOSFET交替导通和关断将检波输出的两路直流信号转化成一路方波信号，经耦合进入交流放大系统，利用交流放大电路加以放大，从而削弱了噪声的影响。平衡斩波电路的原理如图3所示。

斩波后产生的方波信号经低噪声前置级放大、后级放大和带通滤波后送入ADC进行采样，ADC数据送入CPLD。CPLD对正负半斩波周期内的采样值分别进行累加，求出差值。在MOSFET导通和关断的瞬间会使方波的上升沿和下降沿附近出现较大的信号过冲，给测量带来较大影响，需要通过CPLD精确的时间控制去除上升沿和下降沿附近20%的ADC数据不参与计算。热敏电阻随温度变化产生的电压变化同时进入ADC量化处理，以获取工作环境温度值。
2.3 USB通信电路
　为了提高功率计的兼容性和测量的实时性，功率计探头和主机之间的数据传输采用USB总线通信。USB接口芯片选用CY7C68013A，它集成了USB 2.0高速收发器、串行接口引擎和可编程的外围接口。CY7C68013A的4 KB数据FIFO设计专用于传输高速片上和片外的USB数据。由于在功率计探头内部已对数据进行累加、求差值、去斩波等操作，根据待发送到主机的数据量大小，本文通过修改固件程序将CY7C68013A配置成同步Slave FIFO工作模式。CPLD作为主控设备，内部设计FIFO控制器。USB接口电路如图4所示。

CPLD通用I/O引脚通过状态标志位FLAGA、FLAGD判断CY7C68013内部FIFO空或满的状态，然后通过SLRD、SLWR、SLOE引脚操作CY7C68013A的FIFO读写。Slave FIFO的同步工作时钟由CPLD分频产生。
3 功率计软件设计
　USB总线微波功率计软件分为USB控制器固件程序、底层驱动程序以及用户应用程序。USB控制器固件程序在Keil C环境中设计完成；底层驱动部分采用NI-VISA技术连接USB外设和主机；利用LabWindows/CVI作为主要开发环境,设计编写了用户应用程序。
3.1 USB控制器固件设计
　运行在CY7C68013A上的固件程序采用C语言编写并在Keil C开发环境中编译,负责控制CY7C68013A接收并响应应用程序及USB驱动程序的请求、通过端点FIFO收发数据。固件框架如图5所示,主要包含初始化、处理标准USB设备请求以及USB挂起时的电源管理等[3]。框架首先初始化全局变量,然后调用用户初始化函数TD_Init()。从该函数返回后,框架初始化USB接口到未配置状态并使能中断，然后每隔1 s进行一次设备重枚举,直到端点0接收到一个SETUP包,同时系统将开始执行交互的任务调度。