引言
信號發(fā)生器是科學(xué)實驗、工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域必不可少的電子儀器，目前，常用的信號發(fā)生技術(shù)主要有：基于模擬電子技術(shù)、鎖相頻率合成、直接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成(DDS)等幾種。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，信號發(fā)生技術(shù)也獲得了充足的發(fā)展，并且向高頻率、高分辨率、高穩(wěn)定性和多通道等幾方面發(fā)展，基于DDS的信號發(fā)生技術(shù)，具有高分辨率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點，且能實現(xiàn)多波形、多通道和輸出頻率從極低頻至高頻(大于200 MHz)的信號輸出，是信號發(fā)生技術(shù)的發(fā)展方向。以美國ADI公司為代表研發(fā)、生產(chǎn)了AD9XXX系列DDS芯片，已廣泛應(yīng)用于各類信號發(fā)生器及其他各項領(lǐng)域。本文詳細介紹由美國ADI公司最新推出的AD9959 DDS芯片構(gòu)成的四通道信號源的研制，信號源的每個通道均可獨立輸出1 Hz～200 MHz的寬帶正弦波信號，輸出幅度范圍為1 mVpp～4 Vpp，諧波失真小于等于5%，且通道之間相位均獨立可調(diào)。
1 AD9959芯片簡介
AD9959 DDS芯片是美國ADI公司近年來推出的四通道、內(nèi)部時鐘頻率高達500MHz的直接數(shù)字頻率合成器芯片。采用56腳LFCSP封裝，1.8 V供電，低功耗?？芍苯虞敵龈哌_200 MHz的模擬正弦波信號，每通道幅度、相位均獨立可調(diào)。
AD9959的主要特征如下：
(1)4個獨立的DDS通道，每個通道能獨立控制頻率、相位和幅度;
(2)具有頻率、相位、幅度線性掃描、調(diào)制功能;
(3)32位頻率控制寄存器;
(4)14位相位偏移控制寄存器;
(5)10位幅度輸出控制寄存器;
(6)具有高速的串行I/O口。
AD9959具有16級的頻率、相位或幅度調(diào)制，由外部管腳輸入數(shù)據(jù)控制。支持頻率、相位或幅度線性掃描和調(diào)制，廣泛應(yīng)用于雷達和其他儀器設(shè)備。
2 四通道寬帶信號源的組成
四通道寬帶信號源主要由AD9959芯片及外圍電路、差動放大器、低通濾波器、寬帶放大器、數(shù)控衰減器和單片機控制電路等幾部分組成，如圖1所示。
2.1 AD9959芯片外圍電路
AD9959芯片17腳(DAC_RSET)外接一電阻Rset，一端接地，該電阻用來控制芯片內(nèi)部DAC輸出電流范圍，電流IOUT一般取8～10 mA左右。
Rset=18.91/IOUT (1)
AD9959芯片每個通道均有2個輸出端.即，IOUT和IOUT，屬于源極開路的電流輸出方式，每個輸出端均須接一個50Ω的上拉電阻，以完成電流→電壓的轉(zhuǎn)換。
2.2 差動放大器
AD9959芯片內(nèi)部每個通道輸出均為差分方式輸出(CH_IOUT和)，實際應(yīng)用時為簡單起見可采用單端輸出方式，通常用CH_IOUT端。在滿幅度輸出時波形質(zhì)量尚可，但在小幅度輸出時波形失真較大。這是由于DDS芯片內(nèi)部會產(chǎn)生大量雜散頻率的干擾。較好的解決方式就是利用差分方式輸出，可以有效地將疊加在輸出端的通常是同相的干擾予以抵消。
差分方式輸出采用寬帶差分變壓器，但受差分變壓器本身帶寬限制，例如Mini公司的寬帶變壓器，頻率下限只能到0.3 MHz(-3 dB)。為了解決該問題，采用了有源差分運放，如圖2所示。采用電流負反饋寬帶運放OPA2658，-3 dB帶寬為800 MHz。電路是一個基本差動放大器形式，同相和反相的輸入阻抗均為50 Ω，若Rt1=Rt2，Rf1=Rf2，則傳遞函數(shù)為：
usc=UOUT-(-UOUT)=2UOUT (2)
由于AD9959每通道輸出為互補形式，經(jīng)差分放大器后輸出有效成分疊加了，而同相的干擾成分則相互抵消，使波形失真得到改善。
2.3 低通濾波器
DDS芯片內(nèi)部為直接數(shù)字合成波形，輸出有包括時鐘頻率在內(nèi)的雜散頻率干擾，通常在輸出端(本例為差分放大器輸出端)設(shè)置低通濾波器，以有效濾除干擾的產(chǎn)生。
橢圓函數(shù)濾波器在有限頻率上既有零點又有極點。極零點在通帶內(nèi)產(chǎn)生等波紋，阻帶內(nèi)的有限傳輸零點減小了過渡區(qū)，使其可獲得極為陡峭的衰減特性曲線
根據(jù)相關(guān)文獻，用歸一化圖表設(shè)計了一個滿足以下要求的橢圓函數(shù)低通濾波器，要求濾波器截止頻率為200 MHz，輸入和輸出阻抗均為50 Ω，帶內(nèi)最大波紋小于0.25 dB，在264 MHz處最小衰減為60 dB。設(shè)計步驟如下：
(1)將已知條件歸一化，計算低通濾波器的陡度系數(shù)As。
As=fs/fc=264/200=1.32 (3)
(2)文獻中表明，ρ為20%時(0.18 dB的波紋)，需要一個n=7階的濾波器。選擇Ωs不大于2，Amin為60 dB或更大的濾波器。
這里選擇對應(yīng)于θ=50°的電路，因為電路Ωs=1.305，Amin=62.3 dB符合設(shè)計要求。濾波器電路如圖3所示，其歸一化元件值參考相關(guān)文獻。
(3)用Z=50 Ω和頻率標度系數(shù)FSF(2fc)即1.256×10對濾波器去歸一化。
2.4 寬帶放大器和數(shù)控衰減器
由于DDS芯片輸出信號幅度較小，在經(jīng)過差分放大器后只有0.3 Vpp，在很多實際應(yīng)用中不能滿足需求，設(shè)置了2級寬頻帶放大器，放大倍數(shù)設(shè)定為13～16倍，使得信號源最大輸出可達到4 Vpp以上。該放大器采用了德州儀器的寬帶電流負反饋運放THS3022，轉(zhuǎn)換速率為9 000 V/μs，3 dB帶寬為2GHz。
在實際應(yīng)用中有時需幅度低至數(shù)毫伏的信號，因而設(shè)置了五位數(shù)控衰減器。衰減器采用高頻無感電阻器構(gòu)成的T型衰減電路，步進為2 dB，最大衰減為62 dB。結(jié)合AD9959芯片內(nèi)部幅度調(diào)整，可實現(xiàn)信號源幅度的大范圍、高精度輸出。
2.5 單片機控制電路
AD9959芯片的I/O控制電壓為3.3 V，選用了C8051F020型單片機，該單片機工作速度快，抗干擾能力強，且采用8051內(nèi)核，指令跟國內(nèi)最為普及的8051系列單片機兼容。
單片機控制電路在硬件設(shè)置上安排了一個4×5鍵盤，128×64液晶點陣顯示器。另外還設(shè)置了一個旋鈕，用于快速調(diào)整頻率或幅度，使用極其方便。
3 PCB板電磁兼容設(shè)計
信號源所用DDS芯片是一個數(shù)?；旌闲酒盘栐幢旧碛钟写罅磕M電路，它們都存在于一個受到嚴重電磁污染的環(huán)境中，不論這些污染是來自如手機這類外部源，還是來自本身的開關(guān)電源或數(shù)字處理器這類內(nèi)部器件，它們都是人類所造成的電磁噪聲。為了以最為容易和最低的成本來獲得電路所要求的抗擾度電平以及信噪比，PCB板的EMC技術(shù)則是絕對必要的技術(shù)手段和措施。
3.1 PCB板整體設(shè)計考慮
為了兼顧信號源的電磁兼容特性和成本兩方面因素的考慮，PCB板采用4層板設(shè)計，頂層為走線層，第二層為接地層(0 V參考面)，第三層為數(shù)字電源層，第四層(底層)為模擬電源層，跟傳統(tǒng)4層板有所不同，傳統(tǒng)4層板底層通常也是走線層，但在本設(shè)計中，信號走線較少，且AD9959芯片管腳的數(shù)字電源端和模擬電源端分開，因此安排底層為模擬電源層，杜絕數(shù)字信號和模擬信號的相互干擾。
3.2 PCB板與底板的搭接
典型的電路結(jié)構(gòu)大多是采用將PCB板固定到一個導(dǎo)電底板的結(jié)構(gòu)，信號源中將PCB板的0 V參考面搭接到底板上，以改善EMC性能在所關(guān)心頻率上的一個低阻抗連接。搭接采用金屬銅柱，為了避免結(jié)構(gòu)諧振，以λ/20作為幾何尺寸的通用準則(經(jīng)驗規(guī)則)，即PCB板與底板的搭接點之間，相鄰的距離須小于最高頻率的λ/20。
3.3 去耦合技術(shù)
在每個IC芯片的每個電源管腳都要使用去耦合電容，并連接到0 V參考面上，為了最大限度地降低磁場和電場的發(fā)射，去耦合電容要非?？拷骷碾娫垂苣_。去耦合電容必須是等效串聯(lián)電感(ESL)非常小的電容，例如Murata公司的GRH700系列。
去耦合電容容量在10～100nF之間，在信號源放大電路部分還要有一個低頻去耦合電容(10μF電解電容)。另外信號源的每個不同類型的電源(數(shù)字和模擬的)，不同電源電壓的電源，都要通過π型LC濾波器供電。
3.4 匹配傳輸線技術(shù)
匹配傳輸線技術(shù)可以使得高頻信號在很長距離上相互傳輸而不會引起波形的過分失真。
從信號完整性角度出發(fā)，當信號的傳播時間(tp)等于或超過信號真實上升時間的一半時(tp≥tr/2)就應(yīng)該用匹配傳輸線，這樣波形的失真和眼孔圖的閉合程度是可以接受的。
從EMC的角度考慮，更為保守的作法是當tp≥tr/12時就應(yīng)該使用傳輸線技術(shù)。本例中信號最高頻率為200MHz，上升時間約2 ns，即當信號在線條中的傳播時間tp≥(2/12)ns時，則電路板走線大于50 mm時，就應(yīng)該使用傳輸線技術(shù)。
4 實驗結(jié)果
信號源在確定了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，設(shè)計并制作了硬件電路，通過軟件編程、系統(tǒng)調(diào)試后，對輸出信號進行了測試，頻率指標由AD9959的外接晶振源決定，輸出幅度指標由衰減器所采用的的電阻(精度為1%)決定，最后使用GSP-827型(2.7 GHz)的頻譜分析儀，對信號諧波失真進行了實測，諧波失真在3%以內(nèi)，測試結(jié)果如表1所示。
5 結(jié)語
采用AD9959DDS芯片構(gòu)成的四通道寬帶信號源，輸出頻率范圍廣、指標穩(wěn)定度高、分辨率好;采用合理的PCB電磁兼容設(shè)計技術(shù)，使諧波失真大大減小;信號源每通道信號輸出均能對頻率、幅度和相位等指標獨立調(diào)整。
在信號源的設(shè)計中，采用了橢圓函數(shù)濾波器，較好地濾除了DDS固有的雜散，輸出信號失真較小。采用了轉(zhuǎn)換速率達9 000 V/μs，3 dB帶寬為2 GHz的超寬帶電流負反饋運算放大器，從直流到200 MHz的信號頻率范圍內(nèi)均有平坦的響應(yīng)。使用了五級、最大衰減為62 dB的數(shù)控衰減器，使輸出信號幅度低至數(shù)mV，滿足各類科學(xué)實驗、工業(yè)生產(chǎn)等要求。
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