中频双路相位相关信号源设计

郑隆浩，彭艳云

（1.长沙航空职业技术学院，湖南长沙，410123；2.长沙理工大学，湖南长沙，410114）

0 引言

在相位检测、通信调制等应用场合常需要相关信号源[1]，例如频率特性检测与频谱检测应用中需要正交信号源用于相位检测，并且通过可任意相位输出来实现修正双路输出信号的相位特性不一致以及实现闭环相位检测。现今市场信号源上信号源大多为单路输出或者双路输出但是输出的两路信号相位不相关，无法准确设定两路信号的相位差[2]。

本文使用STM32 作为控制器，采用两片低功耗、高主频的直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)AD9951 设计一种可以任意相位差（正交信号最为常用）的双路信号源，通过差分转单端、低通滤波与程控放大电路对信号进行调理，通过抑制共模噪声与合理地布局布线来改善高频输出信号的质量。此信号源功耗低、发热小、电路更加稳定，具有较高的应用前景与使用价值。

1 信号源设计方案

双路相位相关信号源设计主要有以下两种实现方案，一是采用FPGA+高速数模转换芯片设计，在FPGA 设计一个DDS 内核，并且通过在另外一路附加一个额外的相位累积量实现双路可任意相位差功能，二是采用两片直接频率合成芯片例如AD9951 来设计，通过同步两路输出信号的频率与相位，实现可任意相位相关信号源设计，该方案相对前者设计简单且成本较低。综合考虑成本与设计难度等因素，采用后者设计双路可任意相位差信号源。

本文设计的双路可任意相位差信号源原理框图如图1所示，系统主要由时钟调理电路、信号产生电路、程控放大电路、微控制器与人机交互装置构成。时钟调理电路将有源晶振的单端时钟输出转换为差分时钟输出，提高了时钟信号质量。信号产生电路包括频率合成、差分转单端与低通滤波电路，采用两片专用DDS 芯片AD9951 产生两路同频、可任意相位差的正弦信号，再通过差分转单端电路抑制DDS信号中的杂散与噪声，低通滤波电路滤除DDS 信号中的高频杂散与噪声。通过程控放大电路实现对DDS 信号进行增益控制，使输出的双路信号的幅度可调。通过人机交互装置与微控制器STM32 实现对两路输出信号的频率、相位差与幅度的程序控制。

图1 双路信号源设计方案

2 硬件电路设计

信号产生电路与程控放大电路是双路信号源的关键硬件电路，前者提供可任意相位差、频率分辨率高且波形质量好的正弦信号，后者对增益进行控制实现输出幅度10mVpp~10Vpp 范围可调。抑制杂散、失真与噪声是两个模块的设计重点与难点。

2.1 信号产生电路

信号产生电路包括频率合成电路、差分转单端电路与低通滤波电路。频率合成电路由两片专用DDS芯片AD9951来实现，使用DDS 芯片可以方便地产生步进频率小且相位连续的正弦信号，并且易于实现程序控制，简化设计难度与提高系统可靠性。AD9951 是一款低功耗（155mW）、高性能的直接数字频率合成器芯片，内置一个14 位数模转换器(Digital to analog converter, DAC)，其最高工作速度可达400 MSPS(Million Samples per Secon)，理论上能够产生最高达200 MHz 的正弦信号[3]，而在实际高频应用场合，保证输出质量的正弦信号频率一般只能达到系统工作时钟的40%。

AD9951 参考时钟的质量及其模拟电源的噪声会影响DDS 高频输出信号的质量。本文采用单端转差分时钟分配芯片SN65LVELT22 将100MHz 有源晶振的时钟输出转换为两路差分时钟作为两片DDS 芯片的同步参考时钟，降低参考时钟的共模噪声与抖动；采用低噪声、快速响应的稳压芯片TPS79633 作为DDS 芯片的模拟电源，降低DDS芯片模拟电源的纹波。将参考地分割为AGND、DGND 与CLKGND 三部分，采用单点方式相连三部分，减少数字部分对模拟部分的干扰。频率合成及时钟调理电路如图2 所示。

图2 频率合成电路原理图

另外，通过差分转单端电路将AD9951 的输出信号转换为单端信号，消除正弦输出信号中的共模噪声。由于DDS芯片输出存在相位截取杂散与DAC 的器件非线性带来的失真，差分转单端电路对提高频率高于80MHz 的信号质量非常关键。差分转单端电路由亚德诺半导体技术（上海）有限公司(Analog Devices, Inc,ADI)专用差分接收芯片AD8130来实现。

频率合成电路产生的正弦信号包含失真与杂波，如采样信号的镜像频率分量、有限DA 字长的量化杂散噪声、位累加器截断造成的杂波及DAC 的各种非线性误差形成的杂散频率分量、时钟泄漏与时钟相位噪声[5]，这些噪声的频率大多高于产生的正弦信号频率[6]。在400MHz 工作频率下，14 位DAC 输出的120MHz DDS 信号的频谱图如图3 所示，离输出正弦信号最近的并且幅度最大的镜像频率为第一镜像频率f1m，与输出信号fo的功率比值为：

图3 DDS 信号频谱图

将fc= 120MHz,fo= 400MHz，代入式(1)可得功率比约为-7dB，fo与fm1间隔小于2.5 倍频，因此，需在AD9951 后采用一个高阶滤波器滤波高频杂散。差分转单端及低通滤波电路如图4 所示。

图4 差分转单端及低通滤波电路原理图

需注意的是，在印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB) 布线时，需保证两片AD9951 的时钟线与IO_UPDATA 信号线走等长线，否则会给两路正弦信号带来额外相位差。另外，需在差分转单端电路后再进行低通滤波，若将低通滤波电路放在差分转单端电路之前，信号经过电抗元件会引起相位变化，而市场上电感与电容的精度高于1%的较少，不能保证两路低通滤波器特性完全一致，这就会导致两路差分信号经过各自滤波器后所带来的相位延迟不一致（特别是高阶椭圆滤波器），经过差分转单端后便会带来额外的相位噪声。

2.2 程控放大电路

为满足实际应用场合中对信号源输出幅度可调的需要，本文采用可变增益放大器为主设计了一个增益变化范围达60dB 的程控放大器，使信号源输出幅度能够实现峰峰值在10mV~10V 之间连续可调。放大器的噪声中高增益状态下对输出信号影响较大，mV 级噪声放大60dB 便达到V 级，故需对噪声抑制进行重点考虑。放大器噪声来源主要有器件本身噪声、电磁干扰与来自电源与地的噪声，器件噪声与电磁干扰噪声大小μV 级，而来自电源与地的噪声可达mV 级，因此前端放大器采用全差分放大形式使电源噪声转化为共模量，通过抑制共模达到降低电源与地噪声的增益及提高输出信号质量的目的。程控放大电路方案如图5 所示。

图5 程控放大电路方框图

程控放大电路原理图如图6 所示，差分放大电路采用全差分运放LMH6552 来实现，可变增益放大电路主要包括压控放大、直流偏置补偿电路以及数字衰减器。压控放大VCA821 的增益由外围电阻与增益控制电压决定，在外围电阻确定的情况下，增益随控制电压dB 线性增加[7]，本文通过一片双路输出的数模转换芯片TLV5638 获得增益控制电压来控制两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 后级的LMH6552 的共模输入端添加直流偏置补偿电路，以抵消大部分直流偏置，偏置校正电压由DAC 芯片TLV5638 其中一路产生，TLV5638 的此路输出电压与基准电压芯片LM4040 产生的参考电压通过低噪放OPA2188 进行减法运算获得直流偏置电压。数字衰减器采用MAADSS0008，当输入信号幅度较大时，数字衰减器将输入幅度衰减，避免后级固定放大器输入超出其输入范围。各模块需取合适的反馈电阻、增益与输出电压范围来保证波形质量与通带平坦度。

图6 程控放大电路原理图

3 信号源测试与结果分析

双路相位相关信号源实物如图7 所示，左侧主要是信号产生电路，右侧主要是程控放大电路，模块间采用SMA 连接线连接。

图7 双路相位相关信号源实物图

采用示波器（ 泰克TDS2022B）点频测试方法对设计的双路相位相关信号源进行测试，以设置两片DDS 产生的两路正弦信号初始相位差90°为例，此信号源的测试结果如图8 所示。由图8 可知，此双路相位相关信号源所产生的信号频率误差小于0.01%，输出的正弦信号波形在频率160MHz 时质量仍较好。通过事先测量好两路程控放大电路的频率特性差异曲线进行软件修正后，信号源设定的相位差与实际相位差之间误差小于1°，实现了设计一个频率能在0.1Hz~160MHz 内变化，输出幅度在10mVpp~10Vpp 范围内可调的双路可任意相位差的相位相关信号源的目标。

图8 双路相位相关信号源测试波形图

通过使用低噪声、快速响应电源，分割模拟地、数字地与时钟地，采用高质量差分参考时钟，通过差分电路抑制了DDS 器件的高频杂散与器件噪声，将低通滤波放在差分转单端电路减小相位噪声，抑制程控放大器电源与地的噪声等措施改善了高频信号质量。另外，采用DDS 器件AD9951的最大功耗只有155mW，无需额外的散热设备，减小了系统的体积。

4 结论

本文采用两片低功耗的AD9951 设计了双路可任意相位差的信号发生器，通过合理的布局布线，单端转差分电路改善参考时钟信号，差分转单端电路抑制共模噪声以及两路模拟通道频率特性软件校正等措施，改善了高频输出信号质量，可产生频率最高可达160MHz 且波形质量较好的正弦信号，信号频率误差小于0.01%，相位差能在0°~180°范围内调节，相位差误差小于1°，并通过两路程控放大电路使输出信号幅度能够以1dB 步进在10mVpp~10Vpp 内设置与变化。此信号源所产生的信号频率稳定、相位差准确、波形质量较好，且系统功耗低、发热小、稳定性高，可广泛应用于正交调制、相关信号产生、相位检测等场合。