DDS在低頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中的應(yīng)用?

【摘　要】　在介紹直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的基礎(chǔ)上，給出了一種用DDS技術(shù)實現(xiàn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中掃頻信號源電路的方案。
??? 關(guān)鍵詞：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，掃頻信號源，直接數(shù)字頻率合成

1　引　言
　　在無線電測量中，經(jīng)常需要測量設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測量二端口線性非時變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，包括幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)。頻率特性測量的關(guān)鍵是產(chǎn)生頻率步進的信號源，該信號源的頻率、幅度及相位應(yīng)能精確測定。以往的掃頻信號源大多是基于壓控振蕩器（VCO）、函數(shù)發(fā)生器及鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)。這些技術(shù)存在轉(zhuǎn)換頻率時間長、頻率精度不高、硬件耗費比較大等問題。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，由單片微處理機和直接數(shù)字頻率合成（DDS）芯片為核心構(gòu)成的DDS掃頻信號源應(yīng)運而生。與其它頻率合成方法相比較，DDS技術(shù)的主要優(yōu)點是：分辨率高；頻率轉(zhuǎn)換速度快；頻率切換時相位保持連續(xù)；合成頻率準(zhǔn)確；全數(shù)字化控制，可與微處理器接口。DDS對信號質(zhì)量的改善在于其系統(tǒng)的相位噪聲主要取決于參考時鐘振蕩器，基本不受系統(tǒng)其他部分的影響?，F(xiàn)在，DDS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于本振、信號發(fā)生器、儀器、通信、雷達等系統(tǒng)。
2　直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)
　　直接數(shù)字頻率合成DDS（Direct DigitalSynthesis），是一種新穎的頻率合成技術(shù)。這種技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路的產(chǎn)生，目前，其工作速度主要受D／A變換器的限制。DDS技術(shù)就是利用正弦信號的相位與時間呈線性關(guān)系的特性，通過查表的方式得到信號的瞬時幅值，從而實現(xiàn)頻率合成。為了輸出一定頻率的信號，在每一個時鐘周期中，存儲在頻率／相位字寄存器中的相位增量值ΔPhase被送到相位累加器中，輸出的結(jié)果送入正弦、余弦函數(shù)表中，通過查詢將相位信息轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的正弦幅度值，產(chǎn)生數(shù)字化正弦信號。相位增量值ΔPhase與輸出信號頻率fout和fc參考時鐘頻率之間的關(guān)系為

式中，N是相位累加器的字長。由公式（1）知，相位增量值ΔPhase與輸出信號頻率fout成正比。
　　由取樣定理，DDS所產(chǎn)生的信號頻率不能超過時鐘頻率的一半，在實際運用中，為了保證信號的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33％，以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內(nèi)。
　　掃頻信號源頻率分辨率fstep直接取決于DDS的頻率分辨率Δf，計算公式如下

3　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中掃頻信號源的構(gòu)成
　　矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用來測量二端口線性時不變網(wǎng)絡(luò)的頻率特性。頻率特性是一個網(wǎng)絡(luò)對一系列正弦輸入信號的響應(yīng)特性。如圖1所示，被測網(wǎng)絡(luò)輸入幅度為Ai，角頻率為ω的正弦信號，對于線性時不變網(wǎng)絡(luò)，其穩(wěn)態(tài)輸出也是正弦信號，幅度為A0，角頻率為ω，相角差為Φ。改變ω的大小，可以得到一系列的輸入和輸出數(shù)據(jù)，其中，幅頻特性A（ω）和相頻特性Φ（ω）統(tǒng)稱為頻率特性。網(wǎng)絡(luò)分析儀中的掃頻信號源為被測網(wǎng)絡(luò)提供激勵，根據(jù)測量要求，需產(chǎn)生一系列頻率精度高、轉(zhuǎn)換速度快、步進小、相位可控、頻率轉(zhuǎn)換時相位保持連續(xù)的正弦波。

　　本儀器掃頻范圍為1mHz～2MHz，采用美國AD公司的DDS芯片AD9850，用單片機作控制器，實現(xiàn)頻率的合成與控制。AD9850芯片內(nèi)包括一個32位相位累加器，一個正弦和余弦查詢表，和一個10位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，核心是相位累加器。該芯片最高時鐘參考頻率為125MHz，對于該頻率，輸出正弦波的頻率精度為0．0291Hz；控制接口簡單，可以用8位并行接口或串行接口輸入控制數(shù)據(jù)；40位控制字，其中32位頻率控制字，5位相位控制字，1位電源休眠功能，2位廠家保留測試功能；允許輸出相位以180°、90°、45°、22．5°、11．25°或者這些相位的組合為增量而改變；先進的CMOS工藝不僅使AD9850性能優(yōu)異，而且功耗小，＋3．3V供電時，功耗僅為155mW；接上精密時鐘源，AD9850可產(chǎn)生頻譜純凈，頻率、相位編程控制的模擬正弦波輸出。
??? 采用單片微處理機對DDS進行控制，構(gòu)成掃頻信號源的電路非常簡捷，其電路方框圖見圖2。

　　該電路由單片微處理機（CPU）、DDS、參考時鐘、低通濾波器（LPF）和寬帶放大電路組成。低通濾波器是掃頻信號源中一關(guān)鍵器件，負責(zé)濾除輸出信號中所含有的高頻雜散信號和諧波信號。DDS的輸出雜散有三個主要來源：N比特相位累加器只輸出高M位對ROM進行尋址；ROM存儲的幅值編碼僅為有限位；DAC的有限分辨率和非線性特性；DDS的輸出包括基本脈沖諧波譜，出現(xiàn)在下列位置：

Kfclk±fout　　K＝1，2，3LL

筆者設(shè)計的是1mHz～2MHz低頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，輸出最高頻率是2MHz，采用了50MHz的參考時鐘，使諧波信號頻率遠離輸出信號頻率，減小對低通濾波器的要求。筆者設(shè)計了一7階橢圓濾波器，取得了較好的效果。寬帶放大器選用低噪聲的運放，對DDS輸出的信號進行放大，以達到掃頻信號源的要求。
　　利用單片微處理機可以對DDS的邏輯和輸出信號進行實時控制，筆者選用Intel公司生產(chǎn)的MCS－51系列芯片AT89C51。AD9850的CS信號，由地址譯碼得到，W－CLK和FQ－UD信號直接由89C51的P1口給出。在程序中，需嚴格按照AD9850的時序要求。其軟件流程圖如圖3（以并行接口方式為例）所示。

　　圖3中，AD9850初始化是DDS芯片的復(fù)位，復(fù)位后除輸入寄存器以外的寄存器清零，輸出變成高阻，復(fù)位脈沖的高電平至少保持5個時鐘周期。控制字定義是否相位調(diào)制、低功耗選擇和置數(shù)模式。相位增量值由公式（1）計算得出。
　　DDS是近幾年出現(xiàn)的新一代頻率合成技術(shù)，筆者有幾點建議供實際運用時參考：在程序設(shè)計中要注意DDS的時序要求，正確送出邏輯控制字、相位增量值；DDS是超大規(guī)模CMOS器件，對時鐘信號的質(zhì)量要求比較高，時鐘信號的上升沿和下降沿應(yīng)無大的尖峰和凹坑，時鐘信號用地線屏蔽；給AD9850的時鐘信號不能低于1MHz，低于1MHz時，芯片自動進入電源休眠方式，高于此頻率時，系統(tǒng)恢復(fù)正常；要考慮良好的去耦電路，去耦電容盡可能靠近器件，注意良好接地，模擬地、數(shù)字地分開。
4　結(jié)束語
　　本文介紹直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的基本原理，并給出了一種用DDS實現(xiàn)低頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中掃頻信號源的系統(tǒng)構(gòu)成和實現(xiàn)方法。直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)有很多優(yōu)點，如：DDS的輸出穩(wěn)定度取決于時鐘源的穩(wěn)定度；DDS是個開環(huán)系統(tǒng)，無反饋環(huán)節(jié)，其頻率合成時間主要決定于輸出端低通濾波器的延遲時間，適用于需頻率捷變的場合；DDS可實現(xiàn)mHz的頻率分辨率；DDS的信號輸出是一個平穩(wěn)變化的過程，其連續(xù)的相位是其他頻率合成所不具有的。DDS的諸多優(yōu)點很好地滿足了掃頻信號源的要求，但它也存在一定的缺點，如：輸出頻譜雜散較大；另外，輸出受限于器件的工作頻率。本課題1mHz～2MHz低頻矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀應(yīng)用AD9850于掃頻信號源，取得了良好的效果，達到了預(yù)期的目標(biāo)。

1　李華主編．MCS－51系列單片機實用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993