深度剖析四通道信号源技术

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200 MHz)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～4 Vpp，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，1．8 V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；

(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8～10 mA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(-3 dB)。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800 MHz。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50 Ω，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0．3 Vpp，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4 Vpp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62 dB。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3．3 V，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。