高動(dòng)態(tài)掃頻儀的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

(西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著現(xiàn)代電子與通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，要求測(cè)試儀器也不斷更新?lián)Q代[1-2]。常用的高頻測(cè)量?jī)x器有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀及掃頻儀等[3-5]。其中，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可進(jìn)行全面的射頻器件特性測(cè)量，但往往價(jià)格昂貴[6-7]。掃頻儀由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成本低廉等因素，經(jīng)常替代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀用于要求不高的場(chǎng)合。掃頻儀可以測(cè)量器件的傳輸特性，例如可以測(cè)量濾波器、放大器及衰減器等高頻特性[8-11]。實(shí)驗(yàn)室中常見(jiàn)的掃頻儀有BT3等型號(hào)，這類儀器體積重量大難于攜帶。國(guó)外廠商Keysight、Anritsu等公司推出了商用產(chǎn)品，但普遍價(jià)格較高。另外，國(guó)內(nèi)一些研究組開(kāi)發(fā)了便攜式掃頻儀，但普遍存在指標(biāo)較低等問(wèn)題，應(yīng)用范圍較窄[12-15]。

為了克服這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款高動(dòng)態(tài)范圍的掃頻儀。該儀器利用AD9851芯片對(duì)外輸出激勵(lì)信號(hào)，利用MC1496模擬乘法器作為零中頻檢測(cè)器，并利用PC機(jī)進(jìn)行信號(hào)采集及處理。同時(shí)，在PC機(jī)構(gòu)造了消除直流偏置的算法，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍接近120 dB。利用該儀器，可以測(cè)試濾波器、放大器等高頻器件。該設(shè)備體積重量小、便于攜帶，可廣泛應(yīng)用到高頻器件的生產(chǎn)測(cè)試中。

1 高頻高動(dòng)態(tài)掃頻儀設(shè)計(jì)

1.1 高動(dòng)態(tài)掃頻儀基本原理

掃頻儀的原理框圖如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，掃頻儀主要包括一個(gè)激勵(lì)源和一個(gè)接收機(jī)。激勵(lì)源由AD9851芯片產(chǎn)生，該芯片參考時(shí)鐘最高可達(dá)180 MHz，實(shí)際測(cè)試表明在參考時(shí)鐘為250 MHz時(shí)候仍然能夠正常工作。因此，輸出信號(hào)頻率最高可達(dá)100 MHz。此處采用了NEC RED5100A 200 MHz有源晶振，其相位噪聲優(yōu)于-120 dB@1 kHz(也可更換為OCXO參考源)。由于AD9851內(nèi)部采用10位的DA轉(zhuǎn)換器，為了得到純凈的信號(hào)，需要增加低通濾波器濾除雜散信號(hào)。接收機(jī)由模擬乘法器MC1496完成混頻、LT1677跟隨器及LTC2440模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能單元組成。同時(shí)，另外一路AD9851輸出的信號(hào)作為本振，且兩路AD9851采用同一個(gè)參考時(shí)鐘。兩路AD9851在外部控制命令下協(xié)同工作，通過(guò)相位差的切換完成消除直流分量的零中頻接收。

接收機(jī)的詳細(xì)電路圖如圖2所示。激勵(lì)信號(hào)通過(guò)待測(cè)器件后由P1端口進(jìn)入到接收機(jī)，射頻變壓器T1將其轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，再進(jìn)入到混頻器MC1496里面。同時(shí)，本振信號(hào)通過(guò)射頻變壓器T2變換為差分信號(hào)進(jìn)入到MC1496里面。Q1和U6為輸入信號(hào)構(gòu)成了偏置電路并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。混頻輸出的差分信號(hào)分別經(jīng)過(guò)低通濾波進(jìn)入到LT1677構(gòu)成的跟隨器中。信號(hào)經(jīng)過(guò)LT1677后再次濾波并進(jìn)入到LTC2440模數(shù)轉(zhuǎn)換器中(由于是零中頻設(shè)計(jì)方案，此處LTC2440對(duì)某一直流分量進(jìn)行采樣量化)。LT1460為L(zhǎng)TC2440提供2.5 V電壓基準(zhǔn)，電壓準(zhǔn)確度優(yōu)于0.075%，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于10 ppm。LTC2440最高分辨率為24位，且其內(nèi)置濾波器帶寬可以選擇，如在6.9 Hz分辨率帶寬下，其輸出信號(hào)均方誤差約為200 nV。因此，去除無(wú)效位后其動(dòng)態(tài)范圍仍然高達(dá)120 dB。此后，數(shù)據(jù)進(jìn)入到PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理及顯示。

1.2 掃頻儀的詳細(xì)工作過(guò)程

本掃頻儀的主要特點(diǎn)為動(dòng)態(tài)范圍大。為了達(dá)到約120 dB的動(dòng)態(tài)范圍，需要克服零中頻接收機(jī)固有的直流偏置分量。其具體做法為通過(guò)本振信號(hào)的相位切換得到一個(gè)序列采樣，然后通過(guò)算法抵消直流分量，掃頻儀的詳細(xì)工作過(guò)程如下。

圖2 接收機(jī)電路原理

① PC機(jī)控制2片AD9851輸出特定頻率的信號(hào)f，其2片AD9851的頻率值分別為f1,f2，滿足f=f1=f2，且兩路DDS的相位為p1=p2=0；

② 激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)器件進(jìn)入到接收機(jī)，經(jīng)過(guò)混頻、低通和A/D轉(zhuǎn)換后，采集到PC端，采集的數(shù)據(jù)為一直流電壓值v0，此值中包含了直流偏置分量，即：v0=voffset+vI，其中，voffset為直流偏置分量，vI為實(shí)際零中頻接收機(jī)的同相分量；

③ PC機(jī)控制2片AD9851輸出信號(hào)f=f1=f2，但p1=0,p2=180°；激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)待測(cè)器件并經(jīng)過(guò)一系列處理后采集到PC端，得到直流電壓值為v180，此值中包含了直流偏置分量，即為：v180=voffset-vI；

④ 對(duì)上述兩個(gè)步驟得到的v0、v180進(jìn)行如下運(yùn)算：(v0-v180)/2=vI?？梢?jiàn)，直流偏置分量消失，得到了純凈的零中頻同相分量vI；

⑤ 同理，分別控制2片AD9851使輸出頻率相同，但相位為p1=0°，p2=90°，得到v90；使相位分別為p1=0°，p2=270°，得到v270；進(jìn)而，得到(v90-v270)/2=vQ；最終，得到了純凈的零中頻正交分量vQ。

掃頻儀的實(shí)物如圖3所示。其中，2片DDS芯片位于左邊，AD9851采用了D觸發(fā)器進(jìn)行同步觸發(fā)，保證其相位同步。零中頻接收機(jī)位于PCB右邊，激勵(lì)源與檢測(cè)器盡量遠(yuǎn)離，以減小相互干擾。正交信號(hào)的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，2片AD9851分別輸出0相位與90°相位且輸出頻率均為1 MHz。由圖可見(jiàn)，兩路信號(hào)相位差為90°。

圖3 掃頻儀的實(shí)物圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果如圖5所示，測(cè)試前進(jìn)行了歸一化處理。可以看到除了頻率高端，在大部分頻段其動(dòng)態(tài)范圍接近120 dB。

圖4 AD9851正交信號(hào)測(cè)試

圖5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試圖

2.2 高頻器件特性測(cè)試

濾波器的用途非常廣泛，如在接收機(jī)中廣泛應(yīng)用的10.7 MHz中頻濾波器，電視機(jī)中廣泛應(yīng)用的38 MHz中頻濾波器等。對(duì)其特性的測(cè)試主要包含插入損耗、帶外衰減等。其中，插入損耗一般較小(約1～3 dB)，而帶外衰減不同的濾波器差異巨大，一般的陶瓷濾波器其帶外衰減約為40 dB，而性能優(yōu)異的濾波器帶外衰減大于100 dB?？梢?jiàn)，掃頻儀的動(dòng)態(tài)范圍非常重要。濾波器的測(cè)試結(jié)果如圖6所示，該濾波器采用5個(gè)晶體振蕩器構(gòu)成，其中心頻率為10.238 MHz。由測(cè)試圖可見(jiàn)，其帶外衰減大于100 dB，而采用其他類似的掃頻儀很難測(cè)試到如此大的動(dòng)態(tài)范圍。

圖6 晶體濾波器測(cè)試

3 結(jié)束語(yǔ)

利用若干集成電路單元，設(shè)計(jì)了一款高動(dòng)態(tài)掃頻儀，其成本低廉且便于攜帶，可廣泛應(yīng)用到教學(xué)及科研中。而傳統(tǒng)的高性能掃頻儀需要采用FPGA及高速AD轉(zhuǎn)換器，這往往導(dǎo)致功耗大、成本高且體積重量大。該掃頻儀主要特色為：

① 通過(guò)DDS芯片變換相位，構(gòu)造序列下變頻的算法，得到的同相分量與正交分量高度對(duì)稱，從而可以有效地移除直流偏置分量；

② 對(duì)得到的零中頻直流分量，采用LTC2240進(jìn)行24比特量化并采用LTC1460高穩(wěn)定性電壓基準(zhǔn)，測(cè)試表明有效動(dòng)態(tài)范圍接近120 dB。

后續(xù)可考慮設(shè)計(jì)消除三階交調(diào)分量影響的算法，設(shè)計(jì)加強(qiáng)溫度穩(wěn)定性的電路等。從而，進(jìn)一步提高精度及穩(wěn)定性。