基于PXI总线的ALC环路设计与实现
方案，设计了导航信号模拟器的功率控制模块。文章给出了功率控制模块的详细设计方案，重点介绍了设计方案中ALC环路的实现方法。本文设计的PXI总线功率控制模块具备设计方案简单、体积小、易于控制、输出功率范围宽等特点。文章最后给出了PXI总线功率控制模块输出功率的测试结果，并对结果进行了分析。在项目实际应用中，该PXI总线功率控制模块的技术指标满足项目需求，应用效果良好。
关键词：PXI；功率控制模块；ALC环路；功率范围
中图分类号： TN742 文献标识码：B 文章编号：2095-8595 （2017） 03-001-004
电子科学技术 URL： http：//.cn DOI： 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.03.001
引言
PXI（PCI eXtensionsfor Instrumentation）总线是PCI总线面向仪器领域的扩展，该总线具备数据传输率高、可靠稳定及同步能力强等优点[1]，在模块设备应用中具有明显的优势，同时由于PXI模块具有小型化和便于集成等特点，已经广泛地应用于各种自动测试系统中。世界主流的几大仪器设备厂商都推出了各种类型的PXI模块以及基于PXI模块的测量解决方案[2]。而本文所研究的功率控制模块是导航信号模拟器的基本组成部分，在构建信号模拟产生的测试平台中必不可少。
在功率控制模块中，ALC（Auto Level Control，自动电平控制）环路的作用是输入信号的电平在一定的范围内波动时，在经过环路之后，能使输出电平快速地保持稳定。所以为了保证导航信号模拟器输出功率的稳定，在功率控制模块上设计ALC环路至关重要。传统的ALC环路基本采用分立元件，设计复杂、电路庞大、各种补偿繁琐[3]，而本文设计的ALC环路结构简单，性价比高，调试简单，特别适合于体积小的PXI模块。本文以某类导航信号模拟器项目为背景，设计了一个只占一个槽位的3U功率控制模块。该功率控制模块输入频率范围为250MHz～6GHz，由于该模块还具备混频的功能，能混出250kHz～250MHz的信号；所以该模块最终输出的频率范围是250kHz～6GHz，输出功率范围为-120dBm～+10dBm（-10dBm信号输入）。
1 总体方案设计
功率控制模块的设计方案如图1所示。该模块的接口是PCI接口，为整个模块提供电源；模块的控制是由上位机通过FPGA来实现。从图中可以看出ALC环路是整个功率控制模块的核心部分，主要是由微波开关、放大器、检波放大电路、功分/耦合电路、衰减器、参考预置电路和积分求和电路等若干部分组成，它们共同组成了一个负反馈环路。
ALC环路的工作原理是射频信号经过放大器之后分成两路，一路经过衰减器输出，另一路送入到对数放大器里进行检波，然后输出的检波电压经过放大后与参考预置电压进行求和积分，得到的电压加到衰减器上，这样的工作方式可以保持射頻信号的功率稳定不变。当射频输入的功率有变化时，检波电压也会相应的变化，此时检波电压和预置电压不相等，就会产生一个直流信号调节衰减器，最终使检波电压等于预置电压，实现射频信号的稳幅控制。
2 功率控制模块的实现
下面详细介绍一下功率控制模块的设计过程。
2.1 模块接口设计
本文的PCI接口采用AMP公司的AMP352068-1连接器，在通信设计上采用PCI9054加FPGA的设计方案，PCI9054在接口设计中的作用是将PCI总线信号和本地总线信号互转。通过这种转换既降低了接口开发的难度，又充分使用了PCI总线高带宽、架构成熟等优点[4，5]，具体PXI接口通信设计方案如图2所示。PCI9054与FPGA之间的数据通信需要一个时钟信号，由泰艺公司的50M晶体振荡器来提供。而EEPROM与PCI9054通过串行接口相连，用来存储加电时需要配置PCI9054的数据。
2.2 ALC环路的设计
2.2.1 功分和检波电路的设计
功分和检波电路的作用是把射频信号的一部分功率送给对数放大器，然后对数放大器输出的电压经过变换后给到积分求和电路中。其电路设计如图3所示，检波器采用的是对数检波器AD8318，其在1MHz～8GHz的频率范围内有±1dB的功率精度，检波功率从-55dBm到0dBm范围内都有很好的线性度，可以工作在不同的斜率模式下。本文采用了资料推荐的工作模式，直接将引脚VSET连接到VOUT，检波电压变化率就被设置为每20dB减少500mV。经过调试功分器后信号功率衰减25dB送入检波器，检波输出的电压与芯片资料相符合。
2.2.2 放大器电路的设计
放大器电路的作用是在一定的频率范围内使射频信号功率变大。为了让整个电路设计简单并且满足250kHz～6GHz频率范围的要求，本文选择微波集成芯片来搭建放大电路，它的偏置电路简单，体积小，放大功率可观，并且频率响应好。
本文设计的信号输入功率为-10dBm，为了能使射频信号在整个频率范围内达到+10dBm功率输出，放大电路提供的增益至少达到20dB，如果再加上各级的功率损耗，放大电路的增益需要达到40dB以上。为此，整个放大电路由五级放大器组成，前四级放大器都采用RFMD公司的NBB-402，它在DC～8GHz频率范围内能至少达到12dB的增益，P1dB Output Power为+15.4dBm，供电电流为70mA；最后一级功放的1dB压缩点应大于+27dBm，为此选择HMC637ALP5E，它在DC～6GHz频率范围内有大于12dB的增益，P1dB Output Power为+29dBm，供电电流为400mA，其电路设计如图4所示。值得注意的是，HMC637不是单电源供电，而是需要三组电源，并且上电顺序是有要求的，具体请参考器件资料。
2.2.3 积分求和电路的设计
积分求和电路的原理如图5所示，根据ALC环路工作的原理可得，当功率稳定时，检波放大输出的电压和参考预置电压大小相等，方向相反，这种设置的作用是使检波放大输出电压跟随参考预置电压；另外一路的参考预置电压经过电压变换后和积分求和电压相比较，再经过变换后就得到了控制衰减器的电压。采用这种设计方式是由于加上调制之后的射频信号，在经过ALC环路时将会影响到调制信号的质量；为了消除这种影响，在积分求和电压之后加一个开关，当信号为连续波信号时，开关闭合，ALC闭环，此时ALC环路起到稳幅控制的作用；当信号为调制信号时，开关断开，ALC开环，此时只是参考预置电压来决定衰减器的衰减量。
在电路中，参考预置电压可以由FPGA控制DAC输出得到，由于检波电压是连续变化的，所以参考预置电压决定了输出功率的最小步进。如果选用12位的DAC，将DAC的参考电压设置为5V，那么参考预置电压的步进约等于1.22mV；又因为检波输出电压变换的斜率是-25mV/dB，所以输出功率在理论上的分辨率可以达到0.05dB，对于导航模拟器来说指标已经足够了。
2.2.4 衰减器电路的設计
如图6所示，衰减器电路的设计主要是采用HMC346MS8G，它是单片微波集成芯片，在DC～8GHz的频率范围内都能实现32dB的衰减范围，并且衰减量和控制电压是线性变化的，具有较低的相移和插入损耗，满足方案设计要求。
射频通道的设计需要考虑输入的射频信号功率、压控衰减器的控制电压范围和通道内信号的频率幅度响应曲线等因素。在设计方案中，要求压控衰减器输入信号的功率为0dBm左右，输出信号的功率范围为-25dBm～-5dBm，这样整个ALC环路可以实现20dB左右的动态范围来控制功率，而想要射频输出信号的功率达到-120dBm，还需要ALC环路之外的程控衰减器来实现。
3 功率控制模块输出分析
根据上述的方案，设计了输出信号的频率范围为250kHz～6GHz、功率范围为-120dBm～+10dBm的功率控制模块。通过调试校准，在常温下得到输出功率与参考电压之间的对应关系。分别用信号源AV1487和信号分析仪AV4051对功率控制模块的输出功率进行了测量。设置射频信号的输入功率为-10dBm，1GHz混频输入的信号功率为-5dBm，测试各频点在工作半小时、1个小时和2个小时实际输出的最大和最小功率，如表1和表2所示。
通过表1和表2的测试数据，可以看出输出最大功率变化小于1dB，最小功率变化小于2dB，满足导航模拟器的指标要求。
4 结论
在信号的产生过程中，均要进行幅度和相位的调整，本文以实际项目需求为背景，利用多种集成芯片设计了一款基于PXI总线的功率控制模块。该模块具有体积小、输出功率范围宽，易于集成等特点。在应用到导航模拟器中，各项指标完全满足项目需求。另外结合其它模块组成的矢量信号发生器可以将通用测试仪器与PXI总线面向仪器的扩展完美的结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台，由此构成的系统可以应用于通信导航、雷达测试、航空电子等诸多领域。
参考文献
[1]范梅生， 魏震生，冯振声.PXI规范简介[J].国外电子测量技术，1998，（4）：44-45.
[2]王虎， 温建中等. PXI模块仪器系统[J].国外电子测量技术，2001，（5）：14-17.
[3]盛振旗，樊晓腾.微波信号发生器中自动电平控制系统设计[J].应用天地，2007，26（7）：64-67.
[4]黄身锞.PCI总线接口芯片9054及其应用[J].世界电子元器件，2006，（3）：57-59.
[5]王鲁平，李飚.基于EPLD技术的PCI总线接口设计[J].电子技术应用，2001，（3）：5.