高动态扫频仪的设计与实验

2019-09-12

测控技术 2019年8期

(西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安 710054)

随着现代电子与通信系统的快速发展，要求测试仪器也不断更新换代[1-2]。常用的高频测量仪器有矢量网络分析仪、频谱分析仪及扫频仪等[3-5]。其中，矢量网络分析仪可进行全面的射频器件特性测量，但往往价格昂贵[6-7]。扫频仪由于结构简单及成本低廉等因素，经常替代矢量网络分析仪用于要求不高的场合。扫频仪可以测量器件的传输特性，例如可以测量滤波器、放大器及衰减器等高频特性[8-11]。实验室中常见的扫频仪有BT3等型号，这类仪器体积重量大难于携带。国外厂商Keysight、Anritsu等公司推出了商用产品，但普遍价格较高。另外，国内一些研究组开发了便携式扫频仪，但普遍存在指标较低等问题，应用范围较窄[12-15]。

为了克服这些缺点，本文设计了一款高动态范围的扫频仪。该仪器利用AD9851芯片对外输出激励信号，利用MC1496模拟乘法器作为零中频检测器，并利用PC机进行信号采集及处理。同时，在PC机构造了消除直流偏置的算法，接收机的动态范围接近120 dB。利用该仪器，可以测试滤波器、放大器等高频器件。该设备体积重量小、便于携带，可广泛应用到高频器件的生产测试中。

1 高频高动态扫频仪设计

1.1 高动态扫频仪基本原理

扫频仪的原理框图如图1所示。由图1可见，扫频仪主要包括一个激励源和一个接收机。激励源由AD9851芯片产生，该芯片参考时钟最高可达180 MHz，实际测试表明在参考时钟为250 MHz时候仍然能够正常工作。因此，输出信号频率最高可达100 MHz。此处采用了NEC RED5100A 200 MHz有源晶振，其相位噪声优于-120 dB@1 kHz(也可更换为OCXO参考源)。由于AD9851内部采用10位的DA转换器，为了得到纯净的信号，需要增加低通滤波器滤除杂散信号。接收机由模拟乘法器MC1496完成混频、LT1677跟随器及LTC2440模数转换等功能单元组成。同时，另外一路AD9851输出的信号作为本振，且两路AD9851采用同一个参考时钟。两路AD9851在外部控制命令下协同工作，通过相位差的切换完成消除直流分量的零中频接收。

接收机的详细电路图如图2所示。激励信号通过待测器件后由P1端口进入到接收机，射频变压器T1将其转换为差分信号，再进入到混频器MC1496里面。同时，本振信号通过射频变压器T2变换为差分信号进入到MC1496里面。Q1和U6为输入信号构成了偏置电路并进行温度补偿。混频输出的差分信号分别经过低通滤波进入到LT1677构成的跟随器中。信号经过LT1677后再次滤波并进入到LTC2440模数转换器中(由于是零中频设计方案，此处LTC2440对某一直流分量进行采样量化)。LT1460为LTC2440提供2.5 V电压基准，电压准确度优于0.075%，温度稳定性优于10 ppm。LTC2440最高分辨率为24位，且其内置滤波器带宽可以选择，如在6.9 Hz分辨率带宽下，其输出信号均方误差约为200 nV。因此，去除无效位后其动态范围仍然高达120 dB。此后，数据进入到PC机进行后续处理及显示。

1.2 扫频仪的详细工作过程

本扫频仪的主要特点为动态范围大。为了达到约120 dB的动态范围，需要克服零中频接收机固有的直流偏置分量。其具体做法为通过本振信号的相位切换得到一个序列采样，然后通过算法抵消直流分量，扫频仪的详细工作过程如下。

图2 接收机电路原理

① PC机控制2片AD9851输出特定频率的信号f，其2片AD9851的频率值分别为f1,f2，满足f=f1=f2，且两路DDS的相位为p1=p2=0；

② 激励信号经过待测器件进入到接收机，经过混频、低通和A/D转换后，采集到PC端，采集的数据为一直流电压值v0，此值中包含了直流偏置分量，即：v0=voffset+vI，其中，voffset为直流偏置分量，vI为实际零中频接收机的同相分量；

③ PC机控制2片AD9851输出信号f=f1=f2，但p1=0,p2=180°；激励信号经过待测器件并经过一系列处理后采集到PC端，得到直流电压值为v180，此值中包含了直流偏置分量，即为：v180=voffset-vI；

④ 对上述两个步骤得到的v0、v180进行如下运算：(v0-v180)/2=vI。可见，直流偏置分量消失，得到了纯净的零中频同相分量vI；

⑤ 同理，分别控制2片AD9851使输出频率相同，但相位为p1=0°，p2=90°，得到v90；使相位分别为p1=0°，p2=270°，得到v270；进而，得到(v90-v270)/2=vQ；最终，得到了纯净的零中频正交分量vQ。

扫频仪的实物如图3所示。其中，2片DDS芯片位于左边，AD9851采用了D触发器进行同步触发，保证其相位同步。零中频接收机位于PCB右边，激励源与检测器尽量远离，以减小相互干扰。正交信号的测试结果如图4所示，2片AD9851分别输出0相位与90°相位且输出频率均为1 MHz。由图可见，两路信号相位差为90°。

图3 扫频仪的实物图

2 系统测试

2.1 系统动态范围测试

系统的动态范围测试结果如图5所示，测试前进行了归一化处理。可以看到除了频率高端，在大部分频段其动态范围接近120 dB。

图4 AD9851正交信号测试

图5 系统动态范围测试图

2.2 高频器件特性测试

滤波器的用途非常广泛，如在接收机中广泛应用的10.7 MHz中频滤波器，电视机中广泛应用的38 MHz中频滤波器等。对其特性的测试主要包含插入损耗、带外衰减等。其中，插入损耗一般较小(约1～3 dB)，而带外衰减不同的滤波器差异巨大，一般的陶瓷滤波器其带外衰减约为40 dB，而性能优异的滤波器带外衰减大于100 dB。可见，扫频仪的动态范围非常重要。滤波器的测试结果如图6所示，该滤波器采用5个晶体振荡器构成，其中心频率为10.238 MHz。由测试图可见，其带外衰减大于100 dB，而采用其他类似的扫频仪很难测试到如此大的动态范围。