一种分段式高频信号发生模块的设计

阮　滨　黄全胜

(中国人民解放军92493部队89分队，葫芦岛 125000)

0　引言

在现代计量测试中，无线电计量测试居于极其重要的地位，而电压又是其中的一个基本参量。众所周知，电压是表征电信号能量的主要参量，是模拟信号的重要表现形式，几乎所有的电子仪器和设备都直接或间接与电压有关。可以说，对电压的计量测试是许多电信号参数计量测试的基础，而高频电压的计量测试又是电压计量测试的一个重要组成部分。此外，高频电压的计量测试对高频电流、功率、阻抗、衰减、噪声以及场强等参数的计量测试也都有重要的作用。

电压标准按检定方式又有标准电压表和源式电压标准之分，由于源式电压标准计量检定时精度损失小，在电压参数计量检定中已被广泛使用，高频电压标准通常也为源式电压标准。目前，国内已有的源式电压标准比较有代表性的有三个型号：DO-2、ZC-100B和9501B。DO-2实际上就是利用这种高频—直流(或低频)功率替代原理建立起来的，性能比较稳定，但是技术比较落后，存在着准确度低、没有自动测量功能等缺点。ZC-100B和9501B在设计时不够完善，必须外接信号源才能检定高频电压表，而且没有扩展接口，不能和PC机组成自动检定系统。

为了克服上述高频电压标准的缺点，我们设计了一种内置式高频信号发生模块作为激励源，从而解决了上述高频电压标准存在的问题。

1　DDS电路

设计的高频信号发生模块用来产生和被检表检定点频率和幅度数据一致的交流信号。由于一般的DDS芯片不能满足本系统输出频率范围的要求，系统采用DDS和锁相环配合混频器的模式分段设计高频信号发生模块，模块分为3个部分，分别提供30～450MHz、450～850MHz和850MHz～1.2GHz信号。当所需输出的交流信号频率为30～450MHz时，直接由DSP控制DDS电路提供该交流信号，此交流信号经过低通滤波器滤波后得到所需信号，然后再由DSP控制信号选通电路使所需信号通过；当所需输出的交流信号频率为450～850MHz或850MHz～1.2GHz时，DSP控制锁相环对输入时钟进行倍频，得到一个固定频率的信号，将此信号和DDS产生的信号由混频器进行混频，产生一个交流信号，此交流信号经过高通滤波器滤除低频分量便得到所需信号，最后再由DSP控制信号选通电路使所需信号通过。图1是高频信号发生模块原理框图。

图1　高频信号发生模块原理框图

本系统选用AD9912作为DDS电路的主芯片。AD9912是一款采用了ADI公司DDS专利技术的直接数字频率合成器(DDS)，它集成了14位DAC，其DDS与DAC组合形成了数字可编程、高频模拟输出的频率合成器，能够产生频率高达450MHz的正弦波形。AD9912电源电压为1.8V和3.3V，功率消耗为715～850mW。具有软件和硬件控制的低功耗模式，低功耗模式的功耗为19～25mW。

当检定点的频率为30～450MHz时，我们采用AD9912直接输出交流信号。从AD9912产生的模拟信号经过低通滤波电路平滑并过滤掉杂散信号，最后输出需要的正弦波波形。

2　锁相环电路

本系统采用DSP控制锁相环来输出450MHz～1.2GHz的交流信号，锁相环和DSP之间也是利用TMS320F2812片内的GPIO接口模拟串行外设接口(SPI)进行通信的。

锁相环工作原理：压控振荡器给出一个信号，一部分作为输出，另一部分通过分频与锁相环电路所产生的本振信号作相位比较，为了保持频率不变，就要求相位差不发生改变，如果有相位差的变化，则锁相环电路的电压输出端的电压发生变化，去控制压控振荡器，直到相位差恢复，达到锁频的目的。简而言之，锁相环电路就是能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路。图2为锁相环原理框图。

图2　锁相环原理框图

本系统设计要求能够提供从30MHz～1.2GHz的交流信号，而AD9912只能提供30～450MHz频率的信号，由于产生的信号频率不能达到系统设计要求，所以，我们采用锁相环配合混频器来输出450MHz～1.2GHz的交流信号。设计时分两段输出交流信号：

1)450～850MHz。这个频段采用ADF4360-7锁相环芯片，该芯片具有较高的工作频率，输出频率范围为350～1800MHz。ADF4360-7主要由以下几部分构成 ：低噪声数字鉴相器(PFD)、高精度且可编程设置电流的电荷泵、可编程参考分频器和两个可编程计数器、双模前置分频及测试信号输出多路选择器，并且集成了压控振荡器功能。由于芯片内部集成有鉴相器、程序分频器和压控振荡器，因此不需要外部程序分频器和压控振荡器，简化了电路设计，同时也节省了电路板空间。

由图1可知：由DSP控制ADF4360-7产生一个固定的400MHz频率的信号。假设DDS产生的交流信号的频率大小为f，将此信号和ADF4360-7产生的信号进行混频，可以产生两个信号，频率大小分别为：f+400MHz和f-400MHz。由于要对混频后的高频信号和低频信号进行滤波，高频信号和低频信号之间必须留有一定的带宽，所以f的有效取值范围是50～450MHz，从而得出经混频器混频后的交流信号的频率范围为：450～850MHz和0～350MHz。混频器产生的两个信号经电路中410MHz的高通滤波器滤除频率较小的信号之后，剩下高频信号即为输出信号，频率范围为：450～850MHz。

2)850MHz～1.2GHz。这个频段也采用ADF4360-7锁相环芯片。由DSP控制ADF4360-7产生一个固定的800MHz频率的信号，假设DDS产生的交流信号的频率大小为f，将此信号和ADF4360-7产生的信号进行混频，可以产生两个信号频率大小分别为：f+800MHz和f-800MHz。与450～850MHz输出信号电路原理相同，f的有效取值范围也是50～450MHz，所以，经混频器混频后的信号的频率范围为：850～1250MHz和350～750MHz。混频器产生的两个信号经电路中810MHz的高通滤波器过滤掉频率较小的信号之后，剩下高频信号即为输出信号，频率范围为：850～1250MHz，显然此输出信号的频率可以达到系统设计上限1.2GHz的频率要求。

3　信号选通电路

以DDS电路为例说明，当系统要求输出30～450MHz的交流信号时，DSP使选通信号BAND1为高电平，二极管1N4148导通，即选通此路。图3是信号选通电路的原理图，如图所示，经过隔直电容之后，输出符合系统要求的交流信号，其中DDS_OUT为输入信号，RF_LOW为输出信号。其它两个频段的信号选通方式和DDS电路相同。

图3　信号选通电路原理图

4　模块性能指标验证

验证方法是依据设计要求，以URV35高频电压表作为被检仪器，用此内置式高频交流信号发生模块组成的高频电压标准对其进行重复性实验和稳定性实验。通过实验证明，由此模块组成的高频电压标准装置检定功能完善，性能稳定可靠，技术指标达到了设计要求。

4.1　高频电压标准装置重复性实验

URV35高频电压表，具有重复性好，分辨率高的特点，以URV35高频电压表作为被测对象，在频率点为1000 MHz，电压为800mV的检定点上进行6次测试，测试结果如表1所示。

表1　高频电压标准装置重复性实验数据　　mV

按贝塞尔公式计算实验标准偏差：

(1)

进而求得：

(2)

结论：高频电压标准装置的重复性小于合成标准不确定度的2/3。

4.2　高频电压标准装置稳定性实验

表2高频电压标准装置稳定性实验数据mV

时间x1x2x3x4x5x6(xn)i2011　6　9793　2793　0793　3793　1793　2793　2793　22011　7　11792　8793　1793　5793　3793　4793　1793　22011　8　12793　8793　6793　7793　9794　2793　8793　82011　9　15794　2794　0793　5793　6793　7794　1793　9xm793　5

由稳定性考核计算公式

(3)

进而求得：

sm(x)/0.7935≈0.048%

(4)

结论：高频电压标准装置的稳定性小于合成标准不确定度。

5　结论

该高频信号发生模块采用DDS和锁相环配合混频器的模式分段设计，模块分为3个部分，分别提供30～450MHz，450～850MHz，850MHz～1.2GHz信号。该模块频率范围宽，测量准确度高，可以固化在高频电压检定装置等需要提供交流信号的计量标准中，从而不用额外配置信号源即可完成检定工作。

[1]王立吉，金国钧.无线电计量与测试.北京：中国计量出版社，1986

[2]周明德.微型计算机系统原理及应用.北京：清华大学出版社，1998

[3]复旦大学信息论教研组编.信息处理与变换.北京：国防工业出版社，1979

[4]张国雄.测控电路.北京：机械工业出版社，1979

[5]国家质量监督检验检疫总局.JJG 173—2003 信号发生器检定规程.北京：中国计量出版社，2004

[6]黄全胜.一种高频电压标准装置的设计.计量技术，2012(8)