中頻雙路相位相關(guān)信號(hào)源設(shè)計(jì)

鄭隆浩，彭艷云

（1.長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410123；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙，410114）

0 引言

在相位檢測(cè)、通信調(diào)制等應(yīng)用場(chǎng)合常需要相關(guān)信號(hào)源[1]，例如頻率特性檢測(cè)與頻譜檢測(cè)應(yīng)用中需要正交信號(hào)源用于相位檢測(cè)，并且通過(guò)可任意相位輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)修正雙路輸出信號(hào)的相位特性不一致以及實(shí)現(xiàn)閉環(huán)相位檢測(cè)。現(xiàn)今市場(chǎng)信號(hào)源上信號(hào)源大多為單路輸出或者雙路輸出但是輸出的兩路信號(hào)相位不相關(guān)，無(wú)法準(zhǔn)確設(shè)定兩路信號(hào)的相位差[2]。

本文使用STM32 作為控制器，采用兩片低功耗、高主頻的直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)AD9951 設(shè)計(jì)一種可以任意相位差（正交信號(hào)最為常用）的雙路信號(hào)源，通過(guò)差分轉(zhuǎn)單端、低通濾波與程控放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，通過(guò)抑制共模噪聲與合理地布局布線來(lái)改善高頻輸出信號(hào)的質(zhì)量。此信號(hào)源功耗低、發(fā)熱小、電路更加穩(wěn)定，具有較高的應(yīng)用前景與使用價(jià)值。

1 信號(hào)源設(shè)計(jì)方案

雙路相位相關(guān)信號(hào)源設(shè)計(jì)主要有以下兩種實(shí)現(xiàn)方案，一是采用FPGA+高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)，在FPGA 設(shè)計(jì)一個(gè)DDS 內(nèi)核，并且通過(guò)在另外一路附加一個(gè)額外的相位累積量實(shí)現(xiàn)雙路可任意相位差功能，二是采用兩片直接頻率合成芯片例如AD9951 來(lái)設(shè)計(jì)，通過(guò)同步兩路輸出信號(hào)的頻率與相位，實(shí)現(xiàn)可任意相位相關(guān)信號(hào)源設(shè)計(jì)，該方案相對(duì)前者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本較低。綜合考慮成本與設(shè)計(jì)難度等因素，采用后者設(shè)計(jì)雙路可任意相位差信號(hào)源。

本文設(shè)計(jì)的雙路可任意相位差信號(hào)源原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由時(shí)鐘調(diào)理電路、信號(hào)產(chǎn)生電路、程控放大電路、微控制器與人機(jī)交互裝置構(gòu)成。時(shí)鐘調(diào)理電路將有源晶振的單端時(shí)鐘輸出轉(zhuǎn)換為差分時(shí)鐘輸出，提高了時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量。信號(hào)產(chǎn)生電路包括頻率合成、差分轉(zhuǎn)單端與低通濾波電路，采用兩片專用DDS 芯片AD9951 產(chǎn)生兩路同頻、可任意相位差的正弦信號(hào)，再通過(guò)差分轉(zhuǎn)單端電路抑制DDS信號(hào)中的雜散與噪聲，低通濾波電路濾除DDS 信號(hào)中的高頻雜散與噪聲。通過(guò)程控放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS 信號(hào)進(jìn)行增益控制，使輸出的雙路信號(hào)的幅度可調(diào)。通過(guò)人機(jī)交互裝置與微控制器STM32 實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路輸出信號(hào)的頻率、相位差與幅度的程序控制。

圖1 雙路信號(hào)源設(shè)計(jì)方案

2 硬件電路設(shè)計(jì)

信號(hào)產(chǎn)生電路與程控放大電路是雙路信號(hào)源的關(guān)鍵硬件電路，前者提供可任意相位差、頻率分辨率高且波形質(zhì)量好的正弦信號(hào)，后者對(duì)增益進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)輸出幅度10mVpp~10Vpp 范圍可調(diào)。抑制雜散、失真與噪聲是兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2.1 信號(hào)產(chǎn)生電路

信號(hào)產(chǎn)生電路包括頻率合成電路、差分轉(zhuǎn)單端電路與低通濾波電路。頻率合成電路由兩片專用DDS芯片AD9951來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用DDS 芯片可以方便地產(chǎn)生步進(jìn)頻率小且相位連續(xù)的正弦信號(hào)，并且易于實(shí)現(xiàn)程序控制，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度與提高系統(tǒng)可靠性。AD9951 是一款低功耗（155mW）、高性能的直接數(shù)字頻率合成器芯片，內(nèi)置一個(gè)14 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to analog converter, DAC)，其最高工作速度可達(dá)400 MSPS(Million Samples per Secon)，理論上能夠產(chǎn)生最高達(dá)200 MHz 的正弦信號(hào)[3]，而在實(shí)際高頻應(yīng)用場(chǎng)合，保證輸出質(zhì)量的正弦信號(hào)頻率一般只能達(dá)到系統(tǒng)工作時(shí)鐘的40%。

AD9951 參考時(shí)鐘的質(zhì)量及其模擬電源的噪聲會(huì)影響DDS 高頻輸出信號(hào)的質(zhì)量。本文采用單端轉(zhuǎn)差分時(shí)鐘分配芯片SN65LVELT22 將100MHz 有源晶振的時(shí)鐘輸出轉(zhuǎn)換為兩路差分時(shí)鐘作為兩片DDS 芯片的同步參考時(shí)鐘，降低參考時(shí)鐘的共模噪聲與抖動(dòng)；采用低噪聲、快速響應(yīng)的穩(wěn)壓芯片TPS79633 作為DDS 芯片的模擬電源，降低DDS芯片模擬電源的紋波。將參考地分割為AGND、DGND 與CLKGND 三部分，采用單點(diǎn)方式相連三部分，減少數(shù)字部分對(duì)模擬部分的干擾。頻率合成及時(shí)鐘調(diào)理電路如圖2 所示。

圖2 頻率合成電路原理圖

另外，通過(guò)差分轉(zhuǎn)單端電路將AD9951 的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，消除正弦輸出信號(hào)中的共模噪聲。由于DDS芯片輸出存在相位截取雜散與DAC 的器件非線性帶來(lái)的失真，差分轉(zhuǎn)單端電路對(duì)提高頻率高于80MHz 的信號(hào)質(zhì)量非常關(guān)鍵。差分轉(zhuǎn)單端電路由亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司(Analog Devices, Inc,ADI)專用差分接收芯片AD8130來(lái)實(shí)現(xiàn)。

頻率合成電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)包含失真與雜波，如采樣信號(hào)的鏡像頻率分量、有限D(zhuǎn)A 字長(zhǎng)的量化雜散噪聲、位累加器截?cái)嘣斐傻碾s波及DAC 的各種非線性誤差形成的雜散頻率分量、時(shí)鐘泄漏與時(shí)鐘相位噪聲[5]，這些噪聲的頻率大多高于產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率[6]。在400MHz 工作頻率下，14 位DAC 輸出的120MHz DDS 信號(hào)的頻譜圖如圖3 所示，離輸出正弦信號(hào)最近的并且幅度最大的鏡像頻率為第一鏡像頻率f1m，與輸出信號(hào)fo的功率比值為：

圖3 DDS 信號(hào)頻譜圖

將fc= 120MHz,fo= 400MHz，代入式(1)可得功率比約為-7dB，fo與fm1間隔小于2.5 倍頻，因此，需在AD9951 后采用一個(gè)高階濾波器濾波高頻雜散。差分轉(zhuǎn)單端及低通濾波電路如圖4 所示。

圖4 差分轉(zhuǎn)單端及低通濾波電路原理圖

需注意的是，在印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB) 布線時(shí)，需保證兩片AD9951 的時(shí)鐘線與IO_UPDATA 信號(hào)線走等長(zhǎng)線，否則會(huì)給兩路正弦信號(hào)帶來(lái)額外相位差。另外，需在差分轉(zhuǎn)單端電路后再進(jìn)行低通濾波，若將低通濾波電路放在差分轉(zhuǎn)單端電路之前，信號(hào)經(jīng)過(guò)電抗元件會(huì)引起相位變化，而市場(chǎng)上電感與電容的精度高于1%的較少，不能保證兩路低通濾波器特性完全一致，這就會(huì)導(dǎo)致兩路差分信號(hào)經(jīng)過(guò)各自濾波器后所帶來(lái)的相位延遲不一致（特別是高階橢圓濾波器），經(jīng)過(guò)差分轉(zhuǎn)單端后便會(huì)帶來(lái)額外的相位噪聲。

2.2 程控放大電路

為滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中對(duì)信號(hào)源輸出幅度可調(diào)的需要，本文采用可變?cè)鲆娣糯笃鳛橹髟O(shè)計(jì)了一個(gè)增益變化范圍達(dá)60dB 的程控放大器，使信號(hào)源輸出幅度能夠?qū)崿F(xiàn)峰峰值在10mV~10V 之間連續(xù)可調(diào)。放大器的噪聲中高增益狀態(tài)下對(duì)輸出信號(hào)影響較大，mV 級(jí)噪聲放大60dB 便達(dá)到V 級(jí)，故需對(duì)噪聲抑制進(jìn)行重點(diǎn)考慮。放大器噪聲來(lái)源主要有器件本身噪聲、電磁干擾與來(lái)自電源與地的噪聲，器件噪聲與電磁干擾噪聲大小μV 級(jí)，而來(lái)自電源與地的噪聲可達(dá)mV 級(jí)，因此前端放大器采用全差分放大形式使電源噪聲轉(zhuǎn)化為共模量，通過(guò)抑制共模達(dá)到降低電源與地噪聲的增益及提高輸出信號(hào)質(zhì)量的目的。程控放大電路方案如圖5 所示。

圖5 程控放大電路方框圖

程控放大電路原理圖如圖6 所示，差分放大電路采用全差分運(yùn)放LMH6552 來(lái)實(shí)現(xiàn)，可變?cè)鲆娣糯箅娐分饕▔嚎胤糯?、直流偏置補(bǔ)償電路以及數(shù)字衰減器。壓控放大VCA821 的增益由外圍電阻與增益控制電壓決定，在外圍電阻確定的情況下，增益隨控制電壓dB 線性增加[7]，本文通過(guò)一片雙路輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLV5638 獲得增益控制電壓來(lái)控制兩路程控放大器的增益。另外，由于放大器件存在直流偏置，在VCA821 后級(jí)的LMH6552 的共模輸入端添加直流偏置補(bǔ)償電路，以抵消大部分直流偏置，偏置校正電壓由DAC 芯片TLV5638 其中一路產(chǎn)生，TLV5638 的此路輸出電壓與基準(zhǔn)電壓芯片LM4040 產(chǎn)生的參考電壓通過(guò)低噪放OPA2188 進(jìn)行減法運(yùn)算獲得直流偏置電壓。數(shù)字衰減器采用MAADSS0008，當(dāng)輸入信號(hào)幅度較大時(shí)，數(shù)字衰減器將輸入幅度衰減，避免后級(jí)固定放大器輸入超出其輸入范圍。各模塊需取合適的反饋電阻、增益與輸出電壓范圍來(lái)保證波形質(zhì)量與通帶平坦度。

圖6 程控放大電路原理圖

3 信號(hào)源測(cè)試與結(jié)果分析

雙路相位相關(guān)信號(hào)源實(shí)物如圖7 所示，左側(cè)主要是信號(hào)產(chǎn)生電路，右側(cè)主要是程控放大電路，模塊間采用SMA 連接線連接。

圖7 雙路相位相關(guān)信號(hào)源實(shí)物圖

采用示波器（ 泰克TDS2022B）點(diǎn)頻測(cè)試方法對(duì)設(shè)計(jì)的雙路相位相關(guān)信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試，以設(shè)置兩片DDS 產(chǎn)生的兩路正弦信號(hào)初始相位差90°為例，此信號(hào)源的測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。由圖8 可知，此雙路相位相關(guān)信號(hào)源所產(chǎn)生的信號(hào)頻率誤差小于0.01%，輸出的正弦信號(hào)波形在頻率160MHz 時(shí)質(zhì)量仍較好。通過(guò)事先測(cè)量好兩路程控放大電路的頻率特性差異曲線進(jìn)行軟件修正后，信號(hào)源設(shè)定的相位差與實(shí)際相位差之間誤差小于1°，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)一個(gè)頻率能在0.1Hz~160MHz 內(nèi)變化，輸出幅度在10mVpp~10Vpp 范圍內(nèi)可調(diào)的雙路可任意相位差的相位相關(guān)信號(hào)源的目標(biāo)。

圖8 雙路相位相關(guān)信號(hào)源測(cè)試波形圖

通過(guò)使用低噪聲、快速響應(yīng)電源，分割模擬地、數(shù)字地與時(shí)鐘地，采用高質(zhì)量差分參考時(shí)鐘，通過(guò)差分電路抑制了DDS 器件的高頻雜散與器件噪聲，將低通濾波放在差分轉(zhuǎn)單端電路減小相位噪聲，抑制程控放大器電源與地的噪聲等措施改善了高頻信號(hào)質(zhì)量。另外，采用DDS 器件AD9951的最大功耗只有155mW，無(wú)需額外的散熱設(shè)備，減小了系統(tǒng)的體積。

4 結(jié)論

本文采用兩片低功耗的AD9951 設(shè)計(jì)了雙路可任意相位差的信號(hào)發(fā)生器，通過(guò)合理的布局布線，單端轉(zhuǎn)差分電路改善參考時(shí)鐘信號(hào)，差分轉(zhuǎn)單端電路抑制共模噪聲以及兩路模擬通道頻率特性軟件校正等措施，改善了高頻輸出信號(hào)質(zhì)量，可產(chǎn)生頻率最高可達(dá)160MHz 且波形質(zhì)量較好的正弦信號(hào)，信號(hào)頻率誤差小于0.01%，相位差能在0°~180°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，相位差誤差小于1°，并通過(guò)兩路程控放大電路使輸出信號(hào)幅度能夠以1dB 步進(jìn)在10mVpp~10Vpp 內(nèi)設(shè)置與變化。此信號(hào)源所產(chǎn)生的信號(hào)頻率穩(wěn)定、相位差準(zhǔn)確、波形質(zhì)量較好，且系統(tǒng)功耗低、發(fā)熱小、穩(wěn)定性高，可廣泛應(yīng)用于正交調(diào)制、相關(guān)信號(hào)產(chǎn)生、相位檢測(cè)等場(chǎng)合。