一種分段式高頻信號(hào)發(fā)生模塊的設(shè)計(jì)

阮　濱　黃全勝

(中國(guó)人民解放軍92493部隊(duì)89分隊(duì)，葫蘆島 125000)

0　引言

在現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試中，無(wú)線電計(jì)量測(cè)試居于極其重要的地位，而電壓又是其中的一個(gè)基本參量。眾所周知，電壓是表征電信號(hào)能量的主要參量，是模擬信號(hào)的重要表現(xiàn)形式，幾乎所有的電子儀器和設(shè)備都直接或間接與電壓有關(guān)?？梢哉f(shuō)，對(duì)電壓的計(jì)量測(cè)試是許多電信號(hào)參數(shù)計(jì)量測(cè)試的基礎(chǔ)，而高頻電壓的計(jì)量測(cè)試又是電壓計(jì)量測(cè)試的一個(gè)重要組成部分。此外，高頻電壓的計(jì)量測(cè)試對(duì)高頻電流、功率、阻抗、衰減、噪聲以及場(chǎng)強(qiáng)等參數(shù)的計(jì)量測(cè)試也都有重要的作用。

電壓標(biāo)準(zhǔn)按檢定方式又有標(biāo)準(zhǔn)電壓表和源式電壓標(biāo)準(zhǔn)之分，由于源式電壓標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量檢定時(shí)精度損失小，在電壓參數(shù)計(jì)量檢定中已被廣泛使用，高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)通常也為源式電壓標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)內(nèi)已有的源式電壓標(biāo)準(zhǔn)比較有代表性的有三個(gè)型號(hào)：DO-2、ZC-100B和9501B。DO-2實(shí)際上就是利用這種高頻—直流(或低頻)功率替代原理建立起來(lái)的，性能比較穩(wěn)定，但是技術(shù)比較落后，存在著準(zhǔn)確度低、沒(méi)有自動(dòng)測(cè)量功能等缺點(diǎn)。ZC-100B和9501B在設(shè)計(jì)時(shí)不夠完善，必須外接信號(hào)源才能檢定高頻電壓表，而且沒(méi)有擴(kuò)展接口，不能和PC機(jī)組成自動(dòng)檢定系統(tǒng)。

為了克服上述高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種內(nèi)置式高頻信號(hào)發(fā)生模塊作為激勵(lì)源，從而解決了上述高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題。

1　DDS電路

設(shè)計(jì)的高頻信號(hào)發(fā)生模塊用來(lái)產(chǎn)生和被檢表檢定點(diǎn)頻率和幅度數(shù)據(jù)一致的交流信號(hào)。由于一般的DDS芯片不能滿足本系統(tǒng)輸出頻率范圍的要求，系統(tǒng)采用DDS和鎖相環(huán)配合混頻器的模式分段設(shè)計(jì)高頻信號(hào)發(fā)生模塊，模塊分為3個(gè)部分，分別提供30～450MHz、450～850MHz和850MHz～1.2GHz信號(hào)。當(dāng)所需輸出的交流信號(hào)頻率為30～450MHz時(shí)，直接由DSP控制DDS電路提供該交流信號(hào)，此交流信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波后得到所需信號(hào)，然后再由DSP控制信號(hào)選通電路使所需信號(hào)通過(guò)；當(dāng)所需輸出的交流信號(hào)頻率為450～850MHz或850MHz～1.2GHz時(shí)，DSP控制鎖相環(huán)對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行倍頻，得到一個(gè)固定頻率的信號(hào)，將此信號(hào)和DDS產(chǎn)生的信號(hào)由混頻器進(jìn)行混頻，產(chǎn)生一個(gè)交流信號(hào)，此交流信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器濾除低頻分量便得到所需信號(hào)，最后再由DSP控制信號(hào)選通電路使所需信號(hào)通過(guò)。圖1是高頻信號(hào)發(fā)生模塊原理框圖。

圖1　高頻信號(hào)發(fā)生模塊原理框圖

本系統(tǒng)選用AD9912作為DDS電路的主芯片。AD9912是一款采用了ADI公司DDS專利技術(shù)的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，它集成了14位DAC，其DDS與DAC組合形成了數(shù)字可編程、高頻模擬輸出的頻率合成器，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)450MHz的正弦波形。AD9912電源電壓為1.8V和3.3V，功率消耗為715～850mW。具有軟件和硬件控制的低功耗模式，低功耗模式的功耗為19～25mW。

當(dāng)檢定點(diǎn)的頻率為30～450MHz時(shí)，我們采用AD9912直接輸出交流信號(hào)。從AD9912產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波電路平滑并過(guò)濾掉雜散信號(hào)，最后輸出需要的正弦波波形。

2　鎖相環(huán)電路

本系統(tǒng)采用DSP控制鎖相環(huán)來(lái)輸出450MHz～1.2GHz的交流信號(hào)，鎖相環(huán)和DSP之間也是利用TMS320F2812片內(nèi)的GPIO接口模擬串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行通信的。

鎖相環(huán)工作原理：壓控振蕩器給出一個(gè)信號(hào)，一部分作為輸出，另一部分通過(guò)分頻與鎖相環(huán)電路所產(chǎn)生的本振信號(hào)作相位比較，為了保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則鎖相環(huán)電路的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，去控制壓控振蕩器，直到相位差恢復(fù)，達(dá)到鎖頻的目的。簡(jiǎn)而言之，鎖相環(huán)電路就是能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號(hào)保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。圖2為鎖相環(huán)原理框圖。

圖2　鎖相環(huán)原理框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求能夠提供從30MHz～1.2GHz的交流信號(hào)，而AD9912只能提供30～450MHz頻率的信號(hào)，由于產(chǎn)生的信號(hào)頻率不能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，所以，我們采用鎖相環(huán)配合混頻器來(lái)輸出450MHz～1.2GHz的交流信號(hào)。設(shè)計(jì)時(shí)分兩段輸出交流信號(hào)：

1)450～850MHz。這個(gè)頻段采用ADF4360-7鎖相環(huán)芯片，該芯片具有較高的工作頻率，輸出頻率范圍為350～1800MHz。ADF4360-7主要由以下幾部分構(gòu)成 ：低噪聲數(shù)字鑒相器(PFD)、高精度且可編程設(shè)置電流的電荷泵、可編程參考分頻器和兩個(gè)可編程計(jì)數(shù)器、雙模前置分頻及測(cè)試信號(hào)輸出多路選擇器，并且集成了壓控振蕩器功能。由于芯片內(nèi)部集成有鑒相器、程序分頻器和壓控振蕩器，因此不需要外部程序分頻器和壓控振蕩器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)省了電路板空間。

由圖1可知：由DSP控制ADF4360-7產(chǎn)生一個(gè)固定的400MHz頻率的信號(hào)。假設(shè)DDS產(chǎn)生的交流信號(hào)的頻率大小為f，將此信號(hào)和ADF4360-7產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，可以產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)，頻率大小分別為：f+400MHz和f-400MHz。由于要對(duì)混頻后的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)進(jìn)行濾波，高頻信號(hào)和低頻信號(hào)之間必須留有一定的帶寬，所以f的有效取值范圍是50～450MHz，從而得出經(jīng)混頻器混頻后的交流信號(hào)的頻率范圍為：450～850MHz和0～350MHz。混頻器產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)電路中410MHz的高通濾波器濾除頻率較小的信號(hào)之后，剩下高頻信號(hào)即為輸出信號(hào)，頻率范圍為：450～850MHz。

2)850MHz～1.2GHz。這個(gè)頻段也采用ADF4360-7鎖相環(huán)芯片。由DSP控制ADF4360-7產(chǎn)生一個(gè)固定的800MHz頻率的信號(hào)，假設(shè)DDS產(chǎn)生的交流信號(hào)的頻率大小為f，將此信號(hào)和ADF4360-7產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻，可以產(chǎn)生兩個(gè)信號(hào)頻率大小分別為：f+800MHz和f-800MHz。與450～850MHz輸出信號(hào)電路原理相同，f的有效取值范圍也是50～450MHz，所以，經(jīng)混頻器混頻后的信號(hào)的頻率范圍為：850～1250MHz和350～750MHz?；祛l器產(chǎn)生的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)電路中810MHz的高通濾波器過(guò)濾掉頻率較小的信號(hào)之后，剩下高頻信號(hào)即為輸出信號(hào)，頻率范圍為：850～1250MHz，顯然此輸出信號(hào)的頻率可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)上限1.2GHz的頻率要求。

3　信號(hào)選通電路

以DDS電路為例說(shuō)明，當(dāng)系統(tǒng)要求輸出30～450MHz的交流信號(hào)時(shí)，DSP使選通信號(hào)BAND1為高電平，二極管1N4148導(dǎo)通，即選通此路。圖3是信號(hào)選通電路的原理圖，如圖所示，經(jīng)過(guò)隔直電容之后，輸出符合系統(tǒng)要求的交流信號(hào)，其中DDS_OUT為輸入信號(hào)，RF_LOW為輸出信號(hào)。其它兩個(gè)頻段的信號(hào)選通方式和DDS電路相同。

圖3　信號(hào)選通電路原理圖

4　模塊性能指標(biāo)驗(yàn)證

驗(yàn)證方法是依據(jù)設(shè)計(jì)要求，以URV35高頻電壓表作為被檢儀器，用此內(nèi)置式高頻交流信號(hào)發(fā)生模塊組成的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，由此模塊組成的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定功能完善，性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4.1　高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

URV35高頻電壓表，具有重復(fù)性好，分辨率高的特點(diǎn)，以URV35高頻電壓表作為被測(cè)對(duì)象，在頻率點(diǎn)為1000 MHz，電壓為800mV的檢定點(diǎn)上進(jìn)行6次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1　高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)　　mV

按貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(1)

進(jìn)而求得：

(2)

結(jié)論：高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的2/3。

4.2　高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

表2高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)mV

時(shí)間x1x2x3x4x5x6(xn)i2011　6　9793　2793　0793　3793　1793　2793　2793　22011　7　11792　8793　1793　5793　3793　4793　1793　22011　8　12793　8793　6793　7793　9794　2793　8793　82011　9　15794　2794　0793　5793　6793　7794　1793　9xm793　5

由穩(wěn)定性考核計(jì)算公式

(3)

進(jìn)而求得：

sm(x)/0.7935≈0.048%

(4)

結(jié)論：高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

5　結(jié)論

該高頻信號(hào)發(fā)生模塊采用DDS和鎖相環(huán)配合混頻器的模式分段設(shè)計(jì)，模塊分為3個(gè)部分，分別提供30～450MHz，450～850MHz，850MHz～1.2GHz信號(hào)。該模塊頻率范圍寬，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可以固化在高頻電壓檢定裝置等需要提供交流信號(hào)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中，從而不用額外配置信號(hào)源即可完成檢定工作。

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