徐天宇，盧 凱，周玉勇，范吉偉，周 帥，時 慧

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

0 引言

隨著信息技術的快速發(fā)展，對信號發(fā)生器的需求日益增大，尤其是對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，信號發(fā)生器的功率由冷機到熱機漂移量達到0.6 dB。因此，提高信號發(fā)生器的功率穩(wěn)定性顯得尤為迫切。一般的溫度補償電路采用模擬補償方法，主要是利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性[1]，對幅度環(huán)路控制電路（ALC）中的環(huán)路積分電路進行溫度補償，此方法補償后的功率穩(wěn)定性仍舊不高，并且在帶寬較大時，模擬溫度補償方法無法兼顧全波段的功率溫度補償特性。另外，數(shù)字溫度補償方法應用日益廣泛，通過測試出功率變化的溫度的關系，將該關系曲線擬合進溫度采集芯片中，當溫度變化時，溫度采集芯片可以將擬合好的數(shù)據(jù)補償?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償和數(shù)字溫度補償電路相結(jié)合的方式來提高信號發(fā)生器的功率穩(wěn)定性。

1 模擬溫度補償電路

1.1 基本原理

熱敏電阻具有無損耗、無滯后等特點，同時其阻值高（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，相應輸出較大，對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熱敏電阻可以實現(xiàn)自動增益調(diào)整、溫度控制、溫度補償、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。

由于放大器電路已采用較好的散熱設計，溫度變化導致的功率漂移是不可控的，需要做進一步優(yōu)化，所以對檢波電路部分進行優(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對數(shù)放大電路上，進而對檢波電路進行補償，對功率進行有效補償，硬件電路如圖1所示。

圖1 模擬溫度補償電路Fig.1 Analog temperature compensation circuit

1.2 測試結(jié)果與分析

根據(jù)以上的改進方案，對信號發(fā)生器進行測試，測量從冷機到熱機的功率溫漂數(shù)據(jù)，如圖2、圖3所示，這里只給出部分測試數(shù)據(jù)。

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

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

從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，信號發(fā)生器從冷機到熱機（1h）的功率溫漂在0.3 dB以內(nèi)，這個功率穩(wěn)定性對用戶來說還不滿足要求，需要驗證數(shù)字溫補方案。

2 數(shù)字溫度補償電路

2.1 基本原理

大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進行溫度檢測時，都是用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量后，經(jīng)信號放大電路放大到適當?shù)姆秶?，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來完成。這種電路結(jié)構復雜，調(diào)試繁雜，精度易受元器件參數(shù)的影響。針對這一情況，利用“一線”數(shù)字溫度計DS18B20U為主體[3]，構成了一個高精度的多點數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。

將信號發(fā)生器冷機開機，啟動后即刻開始測試輸出功率，此時的測試時間設為t0，通過DS18B20測試此時ALC檢波電路的溫度，并記錄為T0。按照此測試流程，進行不間斷測試功率和溫度。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)信號發(fā)生器從冷機到熱機大概需要15 min左右，實際測試的時間為60 min，可以保證信號發(fā)生器能夠完全預熱。通過測試功率的變化量和溫度之間的關系，可以得出功率-溫度的曲線，將該曲線擬合到FPGA中。當信號發(fā)生器冷機開機后，會讀取該曲線的數(shù)據(jù)，并補償進功率中，從而實現(xiàn)功率數(shù)字溫度補償，提高功率穩(wěn)定性[4]。功率的補償數(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應的功率變化。

數(shù)字溫度補償電路如圖4所示，該芯片通過+3.3V供電，通過DQ的控制引腳連接FPGA，進行數(shù)據(jù)通信，將測試出來的數(shù)據(jù)存儲在FPGA中，當信號發(fā)生器啟動后，調(diào)用該補償數(shù)據(jù)對整機的功率進行補償。

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

由于DS18B20U對時序和電性要求很高，所以CPU經(jīng)過單總線接口訪問DS18B20U的工作流程必須遵守嚴格的操作順序[5]，如果順序中任意一步缺少或順序錯亂，DS18B20U將不會響應[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 測試結(jié)果與分析

根據(jù)以上的硬件改進方案和軟件算法設計，在模擬溫度補償電路的基礎上，增加了數(shù)字溫度補償電路，并將軟件算法寫入到FPGA中[8]，然后對信號發(fā)生器進行測試，測試的功率溫漂數(shù)據(jù)，如圖6、圖7所示。

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

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

從以上測試結(jié)果可以看出，信號發(fā)生器的輸出功率從冷機到熱機（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償電路的自適應技術，通過簡單的硬件電路改動，結(jié)合FPGA算法，實現(xiàn)了信號發(fā)生器的功率溫度補償，測試對象包括了4臺信號發(fā)生器，測試結(jié)果表明信號發(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。