USB总线的RF数字功率计

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。