寬帶阻抗測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)--信號(hào)發(fā)生電路設(shè)計(jì)

阻抗測(cè)量通常是向被測(cè)對(duì)象注入微小的正弦電流信號(hào)，同時(shí)通過測(cè)量電壓信號(hào)，以獲取相關(guān)的電阻抗信息。系統(tǒng)不僅要求正弦波信號(hào)波形失真小、幅值穩(wěn)定，而且必須具有頻率、幅值、相位可調(diào)節(jié)的功能。因此正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)是阻抗測(cè)量系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

正弦波信號(hào)發(fā)生器主要有模擬式和數(shù)字式兩種類型。

模擬方法實(shí)現(xiàn)正弦波發(fā)生器優(yōu)點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相對(duì)成本較低，輸出信號(hào)失真較小。但也存在明顯的不足，即電路的頻率、幅值調(diào)節(jié)困難。

早期的數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器是采用向EPROM中寫入固定的數(shù)字化正弦波信號(hào)值，以一定頻率讀取正弦波表的內(nèi)存地址，將得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再進(jìn)一步通過低通濾波器將輸出的模擬階梯波去除高頻諧波，從而得到平滑正弦波電壓信號(hào)。此方法產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定可靠，頻率、幅值改變靈活，相移補(bǔ)償方便易行，但相對(duì)模擬方法電路復(fù)雜，造價(jià)較高。

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)[21]，即DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)，是近年來迅速發(fā)展起來的第三代頻率合成技術(shù)。

DDS技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、相位分辨率高等突出優(yōu)點(diǎn)。而且具有體積小，功耗低的特點(diǎn)，因此采用DDS技術(shù)對(duì)信號(hào)源電路進(jìn)行設(shè)計(jì)是一種較為合適的方法。

1、DDS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

(1).輸出頻率相對(duì)帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%f s(理論值)。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計(jì)難度以及對(duì)輸出信號(hào)雜散的抑制，實(shí)際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到40%f s。

(2).頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短DDS是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。事實(shí)上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率轉(zhuǎn)換的時(shí)間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納秒級(jí)，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3).頻率分辨率極高若時(shí)鐘f s的頻率不變，DDS的頻率分辨率就由相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級(jí)，許多小于1MHz甚至更小。

(4).相位變化連續(xù)改變DDS輸出頻率，實(shí)際上改變的每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。

(5).輸出波形的靈活性只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM，即可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生FSK、PSK、ASK和MSK等信號(hào)。另外，只要在DDS的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形輸出。當(dāng)DDS的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，既可得到正交的兩路輸出。

(6).其他優(yōu)點(diǎn)由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。

2、DDS技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法

直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis即DDFS。一般簡(jiǎn)稱DDS)是一種新的頻率合成技術(shù)。同傳統(tǒng)的直接頻率合成(DS)、鎖相環(huán)間接頻率合成(PLL)方法相比，它具有很多優(yōu)點(diǎn)：頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相應(yīng)變化連續(xù)、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制等。

直接數(shù)字頻率合成是基于奈奎斯特抽樣定理和數(shù)字波形合成原理而發(fā)展起來的一種數(shù)字化的頻率合成技術(shù)。

DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。

DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如圖1所示。

相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖f s，加法器將頻率控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。

由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值(二進(jìn)制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。

波形存儲(chǔ)器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。

低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量[22]，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、高分辨力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能。

DDS的實(shí)現(xiàn)方法有以下幾種方案：

(1).采用高性能DDS單片電路的設(shè)計(jì)方案;

(2).采用低頻正弦波DDS單片電路的設(shè)計(jì)方案;

(3).自行設(shè)計(jì)的基于FPGA芯片的設(shè)計(jì)方案;在對(duì)DDS性能要求不苛刻、控制要求靈活的應(yīng)用場(chǎng)合，優(yōu)先選用基于FPGA設(shè)計(jì)的DDS電路;在需要的頻率點(diǎn)很多，特定頻率時(shí)諧波失真要求較小的場(chǎng)合，優(yōu)先選用低頻正弦波DDS單片電路;而在對(duì)輸出信號(hào)性能要求高的場(chǎng)合，則優(yōu)先采用采用高性能DDS單片電路，這樣可以減小設(shè)計(jì)和調(diào)試難度。

而基于本系統(tǒng)的寬頻帶、分辨率高的設(shè)計(jì)要求，采用高性能DDS單片電路的設(shè)計(jì)方案。

3、DDS芯片的選擇

目前，市場(chǎng)上性能優(yōu)良的DDS產(chǎn)品己不斷推出，Qualcomm公司的Q2220，Q2234，Q2368等產(chǎn)品。

Q2334在30MHz的時(shí)鐘上可以高達(dá)0.007Hz的頻率分辨率提供10MHz以上的信號(hào)，而幅度量化噪聲低于信號(hào)幅值72dB，但由于價(jià)格昂貴，因此主要用于擴(kuò)頻通信、電子戰(zhàn)等尖端領(lǐng)域;Sciteq公司相繼推出了系列化的DDS產(chǎn)品，其中ADS-431，時(shí)鐘頻率1.6GHz，可正交輸出，分辨率1Hz雜散-45dBc，捷變時(shí)間30ns;美國(guó)Stanford公司也相繼推出了系列化的DDS產(chǎn)品，如STEL-2171，GaAs電路，時(shí)鐘頻率1GHz，分辨率0.3Hz，雜散-55dBc，捷變時(shí)間25ns，這兩種都需要直接輸入比較高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，而且采用GaAs電路，價(jià)格昂貴。

現(xiàn)在流行的DDS產(chǎn)品以Analog Devices公司的最多，主要有AD7008、AD9830~AD9835、AD9850~AD9854等十幾種芯片，形成了從0-120MHz的寬輸出頻率范圍系列。

ADI公司的DDS產(chǎn)品具有高性能和集成了多功能，是市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力的小封裝解決方案，并具有極高的性價(jià)比。本論文的方案使用Analog Devices公司推出的新一代DDS芯片AD9858，該芯片除了DDS內(nèi)核電路以外還集成了其它高性能的功能部件，此外與其它的DDS芯片相比還具有很多優(yōu)勢(shì)，下面就對(duì)這個(gè)芯片做一介紹。

AD9858是ADI公司推出的一種高性能新型DDS芯片，具有1GSPS(千兆次取樣/秒)速率、10位D/A轉(zhuǎn)換器、快速頻率跳躍和精細(xì)分辨率功能的單片DDS解決方案。

AD9858比先前的解決方案速度快三倍而功耗卻未增加，和其它高速DDS產(chǎn)品不同，AD9858內(nèi)部集成了DAC、相位/頻率檢測(cè)器和電荷泵，能滿足設(shè)計(jì)者低相位噪音、低虛假能量、快速頻率轉(zhuǎn)換和寬帶寬線性掃描的要求。

其主要性能指標(biāo)如下：

(1).具有1千兆次/秒的采樣速率;

(2).集成有10位D/A轉(zhuǎn)換器;

(3).具有單音、頻率掃描及全睡眠三種操作模式;

(4).具有良好的動(dòng)態(tài)性能：在360MHz輸出時(shí)仍有50dBc SFDR(無雜散動(dòng)態(tài)范圍);

(5).具有4套32位可編程頻率寄存器，14位可編程相位寄存器;

(6).內(nèi)含一個(gè)32位控制字寄存器、一個(gè)32位頻率增量改變字寄存器和一個(gè)16位單頻點(diǎn)持續(xù)時(shí)間字寄存器;

(7).集成有2GHz的混頻器;

(8).有簡(jiǎn)化的控制接口：10MHz的串行兩線或三線外圍接口及100MHz的8位并行端口;

(9).具有多路低功耗功能;可采用單端或差分參考時(shí)鐘輸入。

AD9858在內(nèi)部時(shí)鐘頻率為1GHz時(shí)，其輸出信號(hào)最高頻率可達(dá)到400MHz，頻率分辨率低于0.1Hz，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間最小值約0.0067μs，這些指標(biāo)完全能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此采用該DDS芯片作為信號(hào)發(fā)生電路的核心器件。

4、總體設(shè)計(jì)框圖

信號(hào)源的框圖如圖2所示。

信號(hào)源輸出為正弦波形，頻率、幅度可數(shù)控?？煽貢r(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器NBC12439主要是為AD9858提供參考時(shí)鐘，其最大輸出為800MHz的時(shí)鐘信號(hào)(AD9858可以輸入高達(dá)1GHz的時(shí)鐘信號(hào))。通過對(duì)AD9858寫入不同的控制字使AD9858輸出的掃頻信號(hào)頻率滿足不同情況下的測(cè)試要求。

一般情況下，AD9858輸出信號(hào)的幅度范圍不夠，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大電路的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，為了便于對(duì)輸出信號(hào)的功率控制使用了可控增益放大器，易于數(shù)字控制增益的大小;又因?yàn)樵陔娏?、通信等領(lǐng)域，所要求輸出信號(hào)的功率會(huì)比較高，普通的運(yùn)放難以達(dá)到要求，故使用射頻放大器來提升信號(hào)的輸出功率。

AD9858所產(chǎn)生的信號(hào)直接由器件內(nèi)部的DAC輸出，內(nèi)部不含低通濾波器，故要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行濾波處理。