信號(hào)發(fā)生器功率自適應(yīng)溫度補(bǔ)償技術(shù)研究

徐天宇，盧 凱，周玉勇，范吉偉，周 帥，時(shí) 慧

（1.中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島 266000；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十一研究所，山東 青島 266000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的需求日益增大，尤其是對(duì)功率特性的要求不斷提高，輸出功率高、功率穩(wěn)定性好已成為用戶的基本要求。目前，信號(hào)發(fā)生器的功率由冷機(jī)到熱機(jī)漂移量達(dá)到0.6 dB。因此，提高信號(hào)發(fā)生器的功率穩(wěn)定性顯得尤為迫切。一般的溫度補(bǔ)償電路采用模擬補(bǔ)償方法，主要是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性[1]，對(duì)幅度環(huán)路控制電路（ALC）中的環(huán)路積分電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，此方法補(bǔ)償后的功率穩(wěn)定性仍舊不高，并且在帶寬較大時(shí)，模擬溫度補(bǔ)償方法無(wú)法兼顧全波段的功率溫度補(bǔ)償特性。另外，數(shù)字溫度補(bǔ)償方法應(yīng)用日益廣泛，通過測(cè)試出功率變化的溫度的關(guān)系，將該關(guān)系曲線擬合進(jìn)溫度采集芯片中，當(dāng)溫度變化時(shí)，溫度采集芯片可以將擬合好的數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)椒拳h(huán)路控制電路中，從而大大提高功率穩(wěn)定性。

本文采用了模擬溫度補(bǔ)償和數(shù)字溫度補(bǔ)償電路相結(jié)合的方式來(lái)提高信號(hào)發(fā)生器的功率穩(wěn)定性。

1 模擬溫度補(bǔ)償電路

1.1 基本原理

熱敏電阻具有無(wú)損耗、無(wú)滯后等特點(diǎn)，同時(shí)其阻值高（KΩ），往往可以忽略引線電阻的影響，可以采用二線制接法[2]。NTE熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其溫度特性曲線的斜率較大，由于阻值隨溫度變化大，相應(yīng)輸出較大，對(duì)二次儀表的要求較低，所以較粗糙的二次儀表也能檢出10-4℃的溫度變化。利用基本電阻-溫度特性、電壓-電流熱性[3]，NTC熱敏電阻可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益調(diào)整、溫度控制、溫度補(bǔ)償、穩(wěn)壓穩(wěn)幅等功能。

NTC熱敏電阻在一定的溫度范圍內(nèi)，其電阻-溫度熱性關(guān)系如式（1）所示：

式（1）中：RT、R0表示溫度T、T0的電阻值，Ω；T、T0表示熱力學(xué)溫度，K；B表示熱敏電阻材料常數(shù)，與NTC熱敏電阻材料體系相關(guān)。

由于放大器電路已采用較好的散熱設(shè)計(jì)，溫度變化導(dǎo)致的功率漂移是不可控的，需要做進(jìn)一步優(yōu)化，所以對(duì)檢波電路部分進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)以上理論分析[6]，采用在檢波器附近新增熱敏電阻，通過熱敏電阻將溫度的變化信息反饋到ALC對(duì)數(shù)放大電路上，進(jìn)而對(duì)檢波電路進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)功率進(jìn)行有效補(bǔ)償，硬件電路如圖1所示。

圖1 模擬溫度補(bǔ)償電路Fig.1 Analog temperature compensation circuit

1.2 測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)以上的改進(jìn)方案，對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量從冷機(jī)到熱機(jī)的功率溫漂數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示，這里只給出部分測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2 249 MHz功率溫漂測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.2 249 MHz Power temperature drift test data

圖3 3.2 GHz功率溫漂測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.3 3.2 GHz Power temperature drift test data

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，信號(hào)發(fā)生器從冷機(jī)到熱機(jī)（1h）的功率溫漂在0.3 dB以內(nèi)，這個(gè)功率穩(wěn)定性對(duì)用戶來(lái)說(shuō)還不滿足要求，需要驗(yàn)證數(shù)字溫補(bǔ)方案。

2 數(shù)字溫度補(bǔ)償電路

2.1 基本原理

大多數(shù)溫度測(cè)控系統(tǒng)在進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，都是用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量后，經(jīng)信號(hào)放大電路放大到適當(dāng)?shù)姆秶?，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來(lái)完成。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁雜，精度易受元器件參數(shù)的影響。針對(duì)這一情況，利用“一線”數(shù)字溫度計(jì)DS18B20U為主體[3]，構(gòu)成了一個(gè)高精度的多點(diǎn)數(shù)字溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

將信號(hào)發(fā)生器冷機(jī)開機(jī)，啟動(dòng)后即刻開始測(cè)試輸出功率，此時(shí)的測(cè)試時(shí)間設(shè)為t0，通過DS18B20測(cè)試此時(shí)ALC檢波電路的溫度，并記錄為T0。按照此測(cè)試流程，進(jìn)行不間斷測(cè)試功率和溫度。經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器從冷機(jī)到熱機(jī)大概需要15 min左右，實(shí)際測(cè)試的時(shí)間為60 min，可以保證信號(hào)發(fā)生器能夠完全預(yù)熱。通過測(cè)試功率的變化量和溫度之間的關(guān)系，可以得出功率-溫度的曲線，將該曲線擬合到FPGA中。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器冷機(jī)開機(jī)后，會(huì)讀取該曲線的數(shù)據(jù)，并補(bǔ)償進(jìn)功率中，從而實(shí)現(xiàn)功率數(shù)字溫度補(bǔ)償，提高功率穩(wěn)定性[4]。功率的補(bǔ)償數(shù)據(jù)由式（2）可得。

式（2）中：ΔP表示功率的變化量，dB；P Tn+1表示Tn+1溫度下的功率值，dBm；P Tn表示Tn溫度下的功率值，dBm。由此可以得出每攝氏度對(duì)應(yīng)的功率變化。

數(shù)字溫度補(bǔ)償電路如圖4所示，該芯片通過+3.3V供電，通過DQ的控制引腳連接FPGA，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將測(cè)試出來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FPGA中，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器啟動(dòng)后，調(diào)用該補(bǔ)償數(shù)據(jù)對(duì)整機(jī)的功率進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 數(shù)字溫補(bǔ)電路Fig.4 Digital temperature compensation circuit

由于DS18B20U對(duì)時(shí)序和電性要求很高，所以CPU經(jīng)過單總線接口訪問DS18B20U的工作流程必須遵守嚴(yán)格的操作順序[5]，如果順序中任意一步缺少或順序錯(cuò)亂，DS18B20U將不會(huì)響應(yīng)[7]。軟件控制DS18B20的具體流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program of system work

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)以上的硬件改進(jìn)方案和軟件算法設(shè)計(jì)，在模擬溫度補(bǔ)償電路的基礎(chǔ)上，增加了數(shù)字溫度補(bǔ)償電路，并將軟件算法寫入到FPGA中[8]，然后對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的功率溫漂數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。

圖6 249 MHz數(shù)字補(bǔ)償功率溫漂測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.6 Temperature drift test data of 249 MHz digital compensation power

圖7 3.2GHz數(shù)字補(bǔ)償功率溫漂測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.7 Temperature drift test data of 3.2GHz digital compensation power

從以上測(cè)試結(jié)果可以看出，信號(hào)發(fā)生器的輸出功率從冷機(jī)到熱機(jī)（1h）的功率溫漂在0.1 dB以內(nèi)，該方案滿足要求。

3 結(jié)論

本文介紹了一種溫度補(bǔ)償電路的自適應(yīng)技術(shù)，通過簡(jiǎn)單的硬件電路改動(dòng)，結(jié)合FPGA算法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器的功率溫度補(bǔ)償，測(cè)試對(duì)象包括了4臺(tái)信號(hào)發(fā)生器，測(cè)試結(jié)果表明信號(hào)發(fā)生器的功率穩(wěn)定性明顯提升，由0.6 dB提升至0.1 dB以內(nèi)，該方案成本低，效率高。