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基于AD9959的四通道高频信号源的设计

引言
信号发生器是科学实验、工业生产等各个领域必不可少的电子仪器，目前，常用的信号发生技术主要有：基于模拟电子技术、锁相频率合成、直接频率合成和直接数字频率合成(DDS)等几种 。近几年来，随着科学技术的进步，信号发生技术也获得了充足的发展，并且向高频率、高分辨率、高稳定性和多通道等几方面发展，基于DDS的信号发生技术，具有高分辨率、高稳定性等一系列优点，且能实现多波形、多通道和输出频率从极低频至高频(大于200MHz)的信号输出，是信号发生技术的发展方向 。以美国ADI公司为代表研发、生产了AD9XXX系列DDS芯片，已广泛应用于各类信号发生器及其他各项领域 。本文详细介绍由美国ADI公司最新推出的AD9959DDS芯片构成的四通道信号源的研制，信号源的每个通道均可独立输出1 Hz～200 MHz的宽带正弦波信号，输出幅度范围为1 mVpp～4Vpp，谐波失真小于等于5%，且通道之间相位均独立可调 。
1 AD9959芯片简介
AD9959 DDS芯片是美国ADI公司近年来推出的四通道、内部时钟频率高达500MHz的直接数字频率合成器芯片 。采用56脚LFCSP封装，1.8V供电，低功耗 。可直接输出高达200 MHz的模拟正弦波信号，每通道幅度、相位均独立可调 。
AD9959的主要特征如下：
(1)4个独立的DDS通道，每个通道能独立控制频率、相位和幅度;
(2)具有频率、相位、幅度线性扫描、调制功能;
【基于AD9959的四通道高频信号源的设计】(3)32位频率控制寄存器;
(4)14位相位偏移控制寄存器;
(5)10位幅度输出控制寄存器;
(6)具有高速的串行I/O口 。
AD9959具有16级的频率、相位或幅度调制，由外部管脚输入数据控制 。支持频率、相位或幅度线性扫描和调制，广泛应用于雷达和其他仪器设备 。
2 四通道宽带信号源的组成
四通道宽带信号源主要由AD9959芯片及外围电路、差动放大器、低通滤波器、宽带放大器、数控衰减器和单片机控制电路等几部分组成，如图1所示 。
2.1 AD9959芯片外围电路
AD9959芯片17脚(DAC_RSET)外接一电阻Rset，一端接地，该电阻用来控制芯片内部DAC输出电流范围，电流IOUT一般取8～10mA左右 。
Rset=18.91/IOUT (1)
AD9959芯片每个通道均有2个输出端.即，IOUT和IOUT，属于源极开路的电流输出方式，每个输出端均须接一个50Ω的上拉电阻，以完成电流→电压的转换 。
2.2 差动放大器
AD9959芯片内部每个通道输出均为差分方式输出(CH_IOUT和)，实际应用时为简单起见可采用单端输出方式，通常用CH_IOUT端 。在满幅度输出时波形质量尚可，但在小幅度输出时波形失真较大 。这是由于DDS芯片内部会产生大量杂散频率的干扰 。较好的解决方式就是利用差分方式输出，可以有效地将叠加在输出端的通常是同相的干扰予以抵消 。
差分方式输出采用宽带差分变压器，但受差分变压器本身带宽限制，例如Mini公司的宽带变压器，频率下限只能到0.3 MHz(-3dB) 。为了解决该问题，采用了有源差分运放，如图2所示 。采用电流负反馈宽带运放OPA2658，-3 dB带宽为800MHz 。电路是一个基本差动放大器形式，同相和反相的输入阻抗均为50 Ω，若Rt1=Rt2，Rf1=Rf2，则传递函数为：
usc=UOUT-(-UOUT)=2UOUT (2)
由于AD9959每通道输出为互补形式，经差分放大器后输出有效成分叠加了，而同相的干扰成分则相互抵消，使波形失真得到改善 。
2.3 低通滤波器
DDS芯片内部为直接数字合成波形，输出有包括时钟频率在内的杂散频率干扰，通常在输出端(本例为差分放大器输出端)设置低通滤波器，以有效滤除干扰的产生 。
椭圆函数滤波器在有限频率上既有零点又有极点 。极零点在通带内产生等波纹，阻带内的有限传输零点减小了过渡区，使其可获得极为陡峭的衰减特性曲线
根据相关文献，用归一化图表设计了一个满足以下要求的椭圆函数低通滤波器，要求滤波器截止频率为200 MHz，输入和输出阻抗均为50Ω，带内最大波纹小于0.25 dB，在264 MHz处最小衰减为60 dB 。设计步骤如下：
(1)将已知条件归一化，计算低通滤波器的陡度系数As 。
As=fs/fc=264/200=1.32 (3)
(2)文献中表明，ρ为20%时(0.18 dB的波纹)，需要一个n=7阶的滤波器 。选择Ωs不大于2，Amin为60 dB或更大的滤波器 。
这里选择对应于θ=50°的电路，因为电路Ωs=1.305，Amin=62.3 dB符合设计要求 。滤波器电路如图3所示，其归一化元件值参考相关文献 。
(3)用Z=50 Ω和频率标度系数FSF(2fc)即1.256×10对滤波器去归一化 。
2.4 宽带放大器和数控衰减器
由于DDS芯片输出信号幅度较小，在经过差分放大器后只有0.3Vpp，在很多实际应用中不能满足需求，设置了2级宽频带放大器，放大倍数设定为13～16倍，使得信号源最大输出可达到4Vpp以上 。该放大器采用了德州仪器的宽带电流负反馈运放THS3022，转换速率为9 000 V/μs，3 dB带宽为2GHz 。
在实际应用中有时需幅度低至数毫伏的信号，因而设置了五位数控衰减器 。衰减器采用高频无感电阻器构成的T型衰减电路，步进为2 dB，最大衰减为62dB 。结合AD9959芯片内部幅度调整，可实现信号源幅度的大范围、高精度输出 。
2.5 单片机控制电路
AD9959芯片的I/O控制电压为3.3V，选用了C8051F020型单片机，该单片机工作速度快，抗干扰能力强，且采用8051内核，指令跟国内最为普及的8051系列单片机兼容 。
单片机控制电路在硬件设置上安排了一个4×5键盘，128×64液晶点阵显示器 。另外还设置了一个旋钮，用于快速调整频率或幅度，使用极其方便 。
3 PCB板电磁兼容设计
信号源所用DDS芯片是一个数模混合芯片，信号源本身又有大量模拟电路，它们都存在于一个受到严重电磁污染的环境中，不论这些污染是来自如手机这类外部源，还是来自本身的开关电源或数字处理器这类内部器件，它们都是人类所造成的电磁噪声 。为了以最为容易和最低的成本来获得电路所要求的抗扰度电平以及信噪比，PCB板的EMC技术则是绝对必要的技术手段和措施 。
3.1 PCB板整体设计考虑
为了兼顾信号源的电磁兼容特性和成本两方面因素的考虑，PCB板采用4层板设计，顶层为走线层，第二层为接地层(0V参考面)，第三层为数字电源层，第四层(底层)为模拟电源层，跟传统4层板有所不同，传统4层板底层通常也是走线层，但在本设计中，信号走线较少，且AD9959芯片管脚的数字电源端和模拟电源端分开，因此安排底层为模拟电源层，杜绝数字信号和模拟信号的相互干扰 。
3.2 PCB板与底板的搭接
典型的电路结构大多是采用将PCB板固定到一个导电底板的结构，信号源中将PCB板的0V参考面搭接到底板上，以改善EMC性能在所关心频率上的一个低阻抗连接 。搭接采用金属铜柱，为了避免结构谐振，以λ/20作为几何尺寸的通用准则(经验规则)，即PCB板与底板的搭接点之间，相邻的距离须小于最高频率的λ/20 。
3.3 去耦合技术
在每个IC芯片的每个电源管脚都要使用去耦合电容，并连接到0V参考面上，为了最大限度地降低磁场和电场的发射，去耦合电容要非常靠近器件的电源管脚 。去耦合电容必须是等效串联电感(ESL)非常小的电容，例如Murata公司的GRH700系列 。
去耦合电容容量在10～100nF之间，在信号源放大电路部分还要有一个低频去耦合电容(10μF电解电容) 。另外信号源的每个不同类型的电源(数字和模拟的)，不同电源电压的电源，都要通过π型LC滤波器供电 。
3.4 匹配传输线技术
匹配传输线技术可以使得高频信号在很长距离上相互传输而不会引起波形的过分失真 。
从信号完整性角度出发，当信号的传播时间(tp)等于或超过信号真实上升时间的一半时(tp≥tr/2)就应该用匹配传输线，这样波形的失真和眼孔图的闭合程度是可以接受的 。
从EMC的角度考虑，更为保守的作法是当tp≥tr/12时就应该使用传输线技术 。本例中信号最高频率为200MHz，上升时间约2ns，即当信号在线条中的传播时间tp≥(2/12)ns时，则电路板走线大于50 mm时，就应该使用传输线技术 。
4 实验结果
信号源在确定了硬件系统结构后，设计并制作了硬件电路，通过软件编程、系统调试后，对输出信号进行了测试，频率指标由AD9959的外接晶振源决定，输出幅度指标由衰减器所采用的的电阻(精度为1%)决定，最后使用GSP-827型(2.7GHz)的频谱分析仪，对信号谐波失真进行了实测，谐波失真在3%以内，测试结果如表1所示 。
5 结语
采用AD9959DDS芯片构成的四通道宽带信号源，输出频率范围广、指标稳定度高、分辨率好;采用合理的PCB电磁兼容设计技术，使谐波失真大大减小;信号源每通道信号输出均能对频率、幅度和相位等指标独立调整 。
在信号源的设计中，采用了椭圆函数滤波器，较好地滤除了DDS固有的杂散，输出信号失真较小 。采用了转换速率达9 000 V/μs，3 dB带宽为2GHz的超宽带电流负反馈运算放大器，从直流到200 MHz的信号频率范围内均有平坦的响应 。使用了五级、最大衰减为62dB的数控衰减器，使输出信号幅度低至数mV，满足各类科学实验、工业生产等要求 。

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