AD8302 是 ADI 公司的用于 RF/IF 幅度和相位测量的单片集成电路。下面通过对实验板上的 AD8302 简单测试,考察 AD8302 用于高频信号检波的作用,特别是用于 20kHz 电磁导航信号的检波。


AD8302 实验电路板

 

 

AD8302 主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成,能同时测量从低频到 2.7GHz 频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差,可应用于 RF/IF 功率放大器线性比的测量、RF 功率的精确控制、驻波比测量及远程系统的监视和诊断等。

 

AD8302 引脚如下图所示。根据 AD8302 数据手册推荐,外部只需要少量的阻容器件便可以工作了。

 

AD8320 管脚配置

 

AD8302 通过 Vina, Vinb 输入两个测量信号。通过 VMAG 和 VPHS 两个管脚输出两个信号功率之比的分贝值,以及它们之间的相位差。

 

Vina,Vinb 相位差信号从 0 到 1800mV,每 10mV 代表相位差相差一度。相位差从 -180°到 0°,和从 0°到 180°共用 0~1.8V 输出电压范围,因此同一输出电压会代表两个不同的相位差。随着相位差增加,输出电压斜率从正变成负。

 

下面的曲线表示了 VPHS 与相位差之间的关系。

 

 

两个信号 Vina, Vinb 功率分贝值之差从管脚 VMAG 输出,单位是每 dB30mV。从 0 至 1800mV 可以表示 60dB(100 万倍)功率差别,从电压幅值是 1000 倍的差别。

 

如果将其中一个信号 Vina 或者 Vinb 设置为固定幅值信号,则可以通过 VMAG 输出测量另外一个信号的功率。

 

AD8302 是通过测量输入信号的电压来计算在某一参考电阻下的功率。AD8302 的输入阻抗在低频段大约是 3k,而普通高频电路功率参考电阻往往选择 50 欧姆,AD8302 输入阻抗远大于 50 欧姆,对于被测信号影响很小。

 

AD8302 内部结构和输入输出管脚等效电路

 

按照 AD8302 数据手册建议,被测量信号的幅值应该在 -60dBm(对应 223uV)至 0dBm(对应 223mV)之间,内部对数检波电路才不会饱和。

 

下面简单测试一下 AD8302 在信号频率 20kHz 的情况下,对数检波的性能。

 

将其中一个输入信号 Vinb 固定在 -30dBm(7.07mV),另外一个信号从 1.4mV 逐步增加到 0.35V 左右,测量 AD8302 的输出 VMAG。验证一下 VMAG 输出信号与输入信号幅值之间是否呈现对数检波特性。

 

输入信号频率 20kHz, 幅值从小变化大

 

下图给出了输入信号实际测量功率值取对数(黄线)和 AD8302 的 VMAG 管脚的电压信号,它们之间整体趋势相同,呈现对数关系。

 

由于输入信号幅值超过 0dBm(0.223V),AD8302 输出值比计算值偏低,呈现饱和状态。

 

通过计算输入信号功率取对数数值与和 AD8302 输出结果对比

 

将 AD8302 输出信号通过取指数运算,重新转换成实际电压信号。下图显示了 AD8302 输出值对应的电压信号(黄线)与实际输入信号(蓝线)之间的对比。

 

当输入信号有效值小于 0.2V 的时候,AD8302 输出值经过取指数运算换算成电压信号有很好的线性,当输入信号超过 0.2V 时,AD8302 输出逐渐饱和了。

 

AD8302 输出对应电压信号与输入信号对照

 

在测量信号功率时,AD8302 两个输入信号之间可以没有任何关系,也可以频率不相同。VMAG 输出管脚只是显示了它们各自对数检波之后的功率差别。此时在相位差输出管脚 VPHS 信号则不代表任何意义。

 

如果要通过 VPHS 测量它们之间的相位差时,则输入的两个信号之间频率应该相同,它们相位差才有意义。

 

在上述实验中,AD8302 输入信号分别来自于两个频率源。虽然它们都设置为 20kHz,但之间并没有严格同步。所以 AD8302 的相位出现变化,反映了这两个信号之间些许的频率差别。

 

AD8302 在测量两个来自不同振荡源同频信号时相位 VPHS 的输出

 

下面使用 AD8302 对来自于电感检测到 20kHz 导航磁场高频信号进行对数检波。

 

电感距离地面大约 10 厘米。有两个电感,一个与地面垂直,一个与地面保持水平。这两个信号先后分别接入 AD8302 的 Vina 端口,来测量它的幅值和相位。

 

为了测量 Vina 端输入信号的幅度和相位,需要在 AD8302 的 Vinb 输入端口施加了一个固定参考信号,它来自于一个固定不动的电感检测信号,在测量过程中保持不变。

 

下图显示了垂直于地面的电感传感器,从左到右横扫 20kHz 电磁导线所感应出的高频信号,对应 AD8302 的幅值和相位输出信号。

 

AD8302 对于垂直于地面的电感所获得感应信号测量输出

 

从上图可以看出,垂直地面磁场分量在电磁导线两边幅度基本上相同,而相位则出现了 180°的反转。这是因为磁场磁力线在导线两侧正好上下颠倒。在导线正上方,磁力线呈现水平分布,垂直电感所得到的感应信号出现一个低谷。

 

下图是水平电感所检测到信号进行对数检波输出的结果。水平分量的磁场在导线上方最大,信号的相位不发生变化。

 

水平电感信号 AD8302 对数检波的输出

 

将上面 AD8302 输出的对数电压信号转换成线性电压信号,与使用数字万用表实际测量 20kHz 电压信号的幅值进行对比,如下面两图所示:

 

垂直方向电感检测信号 AD8302 输出值换算结果(黄线)与数字万用表测量结果(蓝线)对比

 

水平方向电感检测信号 AD8302 输出值换算结果(黄线)与数字万用表测量结果(蓝线)对比

 

利用 AD8302 对数检波特性可以对 20kHz 导航交流信号进行有效检波,特别是对弱信号,线性度更好,这比普通二极管检波要好。