對(duì)數(shù)檢波

AD8302 是 ADI 公司的用于 RF/IF 幅度和相位測(cè)量的單片集成電路。下面通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)板上的 AD8302 簡(jiǎn)單測(cè)試，考察 AD8302 用于高頻信號(hào)檢波的作用，特別是用于 20kHz 電磁導(dǎo)航信號(hào)的檢波。

AD8302 實(shí)驗(yàn)電路板

AD8302 主要由精密匹配的兩個(gè)寬帶對(duì)數(shù)檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時(shí)測(cè)量從低頻到 2.7GHz 頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號(hào)之間的幅度比和相位差，可應(yīng)用于 RF/IF 功率放大器線(xiàn)性比的測(cè)量、RF 功率的精確控制、駐波比測(cè)量及遠(yuǎn)程系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷等。

AD8302 引腳如下圖所示。根據(jù) AD8302 數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦，外部只需要少量的阻容器件便可以工作了。

AD8320 管腳配置

AD8302 通過(guò) Vina, Vinb 輸入兩個(gè)測(cè)量信號(hào)。通過(guò) VMAG 和 VPHS 兩個(gè)管腳輸出兩個(gè)信號(hào)功率之比的分貝值，以及它們之間的相位差。

Vina,Vinb 相位差信號(hào)從 0 到 1800mV，每 10mV 代表相位差相差一度。相位差從 -180°到 0°，和從 0°到 180°共用 0~1.8V 輸出電壓范圍，因此同一輸出電壓會(huì)代表兩個(gè)不同的相位差。隨著相位差增加，輸出電壓斜率從正變成負(fù)。

下面的曲線(xiàn)表示了 VPHS 與相位差之間的關(guān)系。

兩個(gè)信號(hào) Vina, Vinb 功率分貝值之差從管腳 VMAG 輸出，單位是每 dB30mV。從 0 至 1800mV 可以表示 60dB（100 萬(wàn)倍）功率差別，從電壓幅值是 1000 倍的差別。

如果將其中一個(gè)信號(hào) Vina 或者 Vinb 設(shè)置為固定幅值信號(hào)，則可以通過(guò) VMAG 輸出測(cè)量另外一個(gè)信號(hào)的功率。

AD8302 是通過(guò)測(cè)量輸入信號(hào)的電壓來(lái)計(jì)算在某一參考電阻下的功率。AD8302 的輸入阻抗在低頻段大約是 3k，而普通高頻電路功率參考電阻往往選擇 50 歐姆，AD8302 輸入阻抗遠(yuǎn)大于 50 歐姆，對(duì)于被測(cè)信號(hào)影響很小。

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AD8302 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和輸入輸出管腳等效電路

按照 AD8302 數(shù)據(jù)手冊(cè)建議，被測(cè)量信號(hào)的幅值應(yīng)該在 -60dBm（對(duì)應(yīng) 223uV）至 0dBm（對(duì)應(yīng) 223mV）之間，內(nèi)部對(duì)數(shù)檢波電路才不會(huì)飽和。

下面簡(jiǎn)單測(cè)試一下 AD8302 在信號(hào)頻率 20kHz 的情況下，對(duì)數(shù)檢波的性能。

將其中一個(gè)輸入信號(hào) Vinb 固定在 -30dBm（7.07mV），另外一個(gè)信號(hào)從 1.4mV 逐步增加到 0.35V 左右，測(cè)量 AD8302 的輸出 VMAG。驗(yàn)證一下 VMAG 輸出信號(hào)與輸入信號(hào)幅值之間是否呈現(xiàn)對(duì)數(shù)檢波特性。

輸入信號(hào)頻率 20kHz, 幅值從小變化大

下圖給出了輸入信號(hào)實(shí)際測(cè)量功率值取對(duì)數(shù)（黃線(xiàn)）和 AD8302 的 VMAG 管腳的電壓信號(hào)，它們之間整體趨勢(shì)相同，呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系。

由于輸入信號(hào)幅值超過(guò) 0dBm（0.223V），AD8302 輸出值比計(jì)算值偏低，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算輸入信號(hào)功率取對(duì)數(shù)數(shù)值與和 AD8302 輸出結(jié)果對(duì)比

將 AD8302 輸出信號(hào)通過(guò)取指數(shù)運(yùn)算，重新轉(zhuǎn)換成實(shí)際電壓信號(hào)。下圖顯示了 AD8302 輸出值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)（黃線(xiàn)）與實(shí)際輸入信號(hào)（藍(lán)線(xiàn)）之間的對(duì)比。

當(dāng)輸入信號(hào)有效值小于 0.2V 的時(shí)候，AD8302 輸出值經(jīng)過(guò)取指數(shù)運(yùn)算換算成電壓信號(hào)有很好的線(xiàn)性，當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò) 0.2V 時(shí)，AD8302 輸出逐漸飽和了。

AD8302 輸出對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)與輸入信號(hào)對(duì)照

在測(cè)量信號(hào)功率時(shí)，AD8302 兩個(gè)輸入信號(hào)之間可以沒(méi)有任何關(guān)系，也可以頻率不相同。VMAG 輸出管腳只是顯示了它們各自對(duì)數(shù)檢波之后的功率差別。此時(shí)在相位差輸出管腳 VPHS 信號(hào)則不代表任何意義。

如果要通過(guò) VPHS 測(cè)量它們之間的相位差時(shí)，則輸入的兩個(gè)信號(hào)之間頻率應(yīng)該相同，它們相位差才有意義。

在上述實(shí)驗(yàn)中，AD8302 輸入信號(hào)分別來(lái)自于兩個(gè)頻率源。雖然它們都設(shè)置為 20kHz，但之間并沒(méi)有嚴(yán)格同步。所以 AD8302 的相位出現(xiàn)變化，反映了這兩個(gè)信號(hào)之間些許的頻率差別。

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AD8302 在測(cè)量?jī)蓚€(gè)來(lái)自不同振蕩源同頻信號(hào)時(shí)相位 VPHS 的輸出

下面使用 AD8302 對(duì)來(lái)自于電感檢測(cè)到 20kHz 導(dǎo)航磁場(chǎng)高頻信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波。

電感距離地面大約 10 厘米。有兩個(gè)電感，一個(gè)與地面垂直，一個(gè)與地面保持水平。這兩個(gè)信號(hào)先后分別接入 AD8302 的 Vina 端口，來(lái)測(cè)量它的幅值和相位。

為了測(cè)量 Vina 端輸入信號(hào)的幅度和相位，需要在 AD8302 的 Vinb 輸入端口施加了一個(gè)固定參考信號(hào)，它來(lái)自于一個(gè)固定不動(dòng)的電感檢測(cè)信號(hào)，在測(cè)量過(guò)程中保持不變。

下圖顯示了垂直于地面的電感傳感器，從左到右橫掃 20kHz 電磁導(dǎo)線(xiàn)所感應(yīng)出的高頻信號(hào)，對(duì)應(yīng) AD8302 的幅值和相位輸出信號(hào)。

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AD8302 對(duì)于垂直于地面的電感所獲得感應(yīng)信號(hào)測(cè)量輸出

從上圖可以看出，垂直地面磁場(chǎng)分量在電磁導(dǎo)線(xiàn)兩邊幅度基本上相同，而相位則出現(xiàn)了 180°的反轉(zhuǎn)。這是因?yàn)榇艌?chǎng)磁力線(xiàn)在導(dǎo)線(xiàn)兩側(cè)正好上下顛倒。在導(dǎo)線(xiàn)正上方，磁力線(xiàn)呈現(xiàn)水平分布，垂直電感所得到的感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)低谷。

下圖是水平電感所檢測(cè)到信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)檢波輸出的結(jié)果。水平分量的磁場(chǎng)在導(dǎo)線(xiàn)上方最大，信號(hào)的相位不發(fā)生變化。

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水平電感信號(hào) AD8302 對(duì)數(shù)檢波的輸出

將上面 AD8302 輸出的對(duì)數(shù)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)性電壓信號(hào)，與使用數(shù)字萬(wàn)用表實(shí)際測(cè)量 20kHz 電壓信號(hào)的幅值進(jìn)行對(duì)比，如下面兩圖所示：

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垂直方向電感檢測(cè)信號(hào) AD8302 輸出值換算結(jié)果（黃線(xiàn)）與數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果（藍(lán)線(xiàn)）對(duì)比

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水平方向電感檢測(cè)信號(hào) AD8302 輸出值換算結(jié)果（黃線(xiàn)）與數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果（藍(lán)線(xiàn)）對(duì)比

利用 AD8302 對(duì)數(shù)檢波特性可以對(duì) 20kHz 導(dǎo)航交流信號(hào)進(jìn)行有效檢波，特別是對(duì)弱信號(hào)，線(xiàn)性度更好，這比普通二極管檢波要好。
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