信號發生器功率自適應溫度補償技術研究

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展，對信號發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、功率穩定性好已成為用戶的基本要求。目前，信號發生器的功率由冷機到熱機漂移量達到0.6 dB。因此，提高信號發生器的功率穩定性顯得尤為迫切。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]，對幅度環路控制電路（ALC）中的環路積分電路進行溫度補償，此方法補償后的功率穩定性仍舊不高，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據補償到幅度環路控制電路中，從而大大提高功率穩定性。

本文采用了模擬溫度補償和數字溫度補償電路相結合的方式來提高信號發生器的功率穩定性。

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熱敏電阻可以實現自動增益調整、溫度控制、溫度補償、穩壓穩幅等功能。

NTC熱敏電阻在一定的溫度范圍內，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，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，需要做進一步優化，所以對檢波電路部分進行優化。

根據以上理論分析[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 測試結果與分析

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

圖2 249 MHz功率溫漂測試數據Fig.2 249 MHz Power temperature drift test data

圖3 3.2 GHz功率溫漂測試數據Fig.3 3.2 GHz Power temperature drift test data

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

2 數字溫度補償電路

2.1 基本原理

大多數溫度測控系統在進行溫度檢測時，都是用溫度傳感器將溫度轉化為電量后，經信號放大電路放大到適當的范圍，再由A/D轉換器轉換成數字量來完成。這種電路結構復雜，調試繁雜，精度易受元器件參數的影響。針對這一情況，利用“一線”數字溫度計DS18B20U為主體[3]，構成了一個高精度的多點數字溫度檢測系統。

將信號發生器冷機開機，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。經過測試，發現信號發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。當信號發生器冷機開機后，會讀取該曲線的數據，并補償進功率中，從而實現功率數字溫度補償，提高功率穩定性[4]。功率的補償數據由式（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，進行數據通信，將測試出來的數據存儲在FPGA中，當信號發生器啟動后，調用該補償數據對整機的功率進行補償。

圖4 數字溫補電路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 系統工作主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program of system work

2.2 測試結果與分析

根據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]，然后對信號發生器進行測試，測試的功率溫漂數據，如圖6、圖7所示。

圖6 249 MHz數字補償功率溫漂測試數據Fig.6 Temperature drift test data of 249 MHz digital compensation power

圖7 3.2GHz數字補償功率溫漂測試數據Fig.7 Temperature drift test data of 3.2GHz digital compensation power

從以上測試結果可以看出，信號發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，該方案滿足要求。

3 結論

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，結合FPGA算法，實現了信號發生器的功率溫度補償，測試對象包括了4臺信號發生器，測試結果表明信號發生器的功率穩定性明顯提升，由0.6 dB提升至0.1 dB以內，該方案成本低，效率高。