數(shù)字掃頻儀中衰減電路的設(shè)計

摘要：衰減電路是掃頻儀中的重要組成部分，它的性能與精度直接影響整個儀器的測量精度。針對目前國內(nèi)的掃頻儀衰減精度不高和衰減步進(jìn)值過大等問題，分析了基于AD834模擬乘法器和DDS芯片中的數(shù)字乘法器實(shí)現(xiàn)0．1 dB步進(jìn)衰減的兩種設(shè)計方案，提出了掃頻儀中衰減器的設(shè)計方法，提高了掃頻儀的測量范圍和精度。
關(guān)鍵詞：衰減電路；掃頻儀；乘法器

0 引言
    數(shù)字掃頻儀在現(xiàn)代電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)測量中應(yīng)用廣泛，它是一種專門用于測量電子設(shè)備中某些電路頻率特性的專用儀器。目前，國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些數(shù)字頻率特性測試儀，通過對市面上現(xiàn)有的主要產(chǎn)品進(jìn)行使用、測試和研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)儀器的輸出衰減步進(jìn)值僅能達(dá)到1dB，還有一些儀器輸入部分沒有衰減電路，沒有輸入衰減電路的儀器在測試較大增益的放大電路時存在明顯的缺陷。針對以上這些問題，本文提出了數(shù)字掃頻儀中衰減電路的設(shè)計方法，給出了電路原理圖以及計算公式，并驗(yàn)證了方案的有效性和正確性。

1 衰減網(wǎng)絡(luò)的作用
    由于不同被測網(wǎng)絡(luò)對其輸入信號的功率要求不同，因此利用輸出衰減電路可對測試儀輸出信號功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。而為防止被測網(wǎng)絡(luò)輸出信號過大而導(dǎo)致測試儀過載，則需用輸入衰減電路對被測信號進(jìn)行衰減。儀器中的衰減電路還可起到隔離作用，從而減小被測網(wǎng)絡(luò)與儀器信號源、被測網(wǎng)絡(luò)與幅度相位檢測電路之間的相互影響。
    掃頻儀的原理圖如圖1所示。DDS掃頻信號源產(chǎn)生的掃頻信號一路送到幅度相位檢測電路作為參考基準(zhǔn)，另一路送到輸出衰減網(wǎng)絡(luò)。輸出衰減網(wǎng)絡(luò)可使掃頻信號的幅度按0．1 dB步進(jìn)進(jìn)行衰減。輸出信號經(jīng)過被測網(wǎng)絡(luò)，送到測試儀的輸入衰減網(wǎng)絡(luò)，使得被測信號符合幅度相位檢測電路的輸入要求。幅度相位檢測電路對被測網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號進(jìn)行模擬鑒相和檢波，然后將所得到的關(guān)于被測網(wǎng)絡(luò)頻率特性的模擬量經(jīng)ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。最后，CPU處理幅度相位檢測電路中的數(shù)據(jù)時，還需要把輸出衰減以及輸入衰減的特性計算在內(nèi)。因此，衰減電路的性能與精度，直接影響整個頻率特性測試儀的測量精度，故衰減電路是在頻率特性測試儀中非常重要的一部分。

2 步進(jìn)值為0．1 db的衰減網(wǎng)絡(luò)
    采用阻抗匹配型衰減器是最常用的衰減方式，此類衰減器插入損耗低，不影響系統(tǒng)的頻率特性，且制作簡單，成本較低。但在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)衰減步進(jìn)很小時，不容易找到符合要求的電阻。并且由于電阻阻值小，衰減電路精度受電阻阻值誤差的影響較大。因此，可采取壓控增益放大器實(shí)現(xiàn)小步進(jìn)值的衰減，并與采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大步進(jìn)值衰減的方式相結(jié)合。電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，且成本較低。[!--empirenews.page--]
2．1 模擬乘法器
    采用模擬乘法器AD834和固定增益放大器便可構(gòu)成壓控增益放大器(VCA)。AD834是一款寬頻帶、四象限、高性能的模擬乘法器。輸入輸出均為差分方式，由于其輸出端的集電極開路差分電流結(jié)構(gòu)，不僅可以有效地抑制由輸入端直接耦合到輸出端的直通分量，還可以保證電路有很寬的頻率響應(yīng)。其頻率響應(yīng)范圍為DC～500 MHz，乘方誤差小于5％，且工作穩(wěn)定，受溫度和電源電壓的影響小。因此，AD834非常適合應(yīng)用于掃頻儀這種對輸出信號有很高要求的系統(tǒng)中。在固定增益放大器之前，模擬乘法器可作為電壓可控的衰減器。其電路圖如圖2所示。

    AD834的輸入信號是可控的電壓，其輸出為集電極開路的差分電流。在這種情況下，運(yùn)算放大器ADS009實(shí)現(xiàn)了電流到電壓的轉(zhuǎn)換，并且使用阻值均為511 Ω的反饋電阻R8和R9實(shí)現(xiàn)了增益范圍為-70 dB～+12 dB的電壓增益控制。當(dāng)VG約等于0時，增益為-70 dB，當(dāng)VG為1 V時，增益為12 dB?？刂齐妷篤G可以是正的，也可以是負(fù)的，還可以是完全差分的。當(dāng)VG為正電壓時，輸出信號與輸入信號同向，當(dāng)VG為負(fù)電壓時，輸出信號與輸入信號信號反相。
    如圖2所示，在掃頻儀衰減電路中，最好使用Y作為乘法器的信號輸入端，因?yàn)閅端口比X端口具有更好的線性。雖然AD834的輸入電路有20 kΩ，但每個輸入端仍有45 μA的偏置電流。在本設(shè)計中采用單端的輸入方式，如果信號源的內(nèi)阻為50 Ω，輸入端便會產(chǎn)生1．125 mV的失調(diào)電壓。因此在Y2端口，加上一個大小和極性可調(diào)的直流電壓可有效地消除這一誤差。由于本設(shè)計中輸入方式均采用單端的輸入方式，因此采用遠(yuǎn)離輸出端的Y1作為信號輸入端，以減小輸入端直接耦合到輸出端的直通分量。VG作為驅(qū)動源具有較差的高頻特性，因此在姍端串聯(lián)一個100 Ω的電阻R1可以減小信道上可能存在的噪聲。
    AD834實(shí)現(xiàn)的衰減電路其計算過程為：輸入端X1和X2輸入的差分電壓與輸入端Y1和Y2的差分輸入電壓相乘，再與芯片內(nèi)部所決定的1 V相乘，所得的結(jié)果再除乘法器內(nèi)部的一個阻值為250 Ω的精密電阻，從而得到輸出電流，其公式表示為：
   
    I是W1和W2的差分電流，X1、X2、Y1和Y2表示該輸入端的電壓值。因此，當(dāng)差分輸入端均為1 V時，I為4 mA。AD8009的輸出電壓可以簡單地表示為：
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2．2 DDS芯片內(nèi)部數(shù)字乘法器
    有些DDS芯片，具有輸出波形鍵控功能(OSK)，如AD9854。如果信號源采用AD9854，則可充分利用DDS芯片的內(nèi)部資源，通過配置其內(nèi)部的12位數(shù)字乘法器對輸出信號的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且這種方式成本較低，不用增加外圍電路，提高了資源的利用率，其原理框圖如圖3所示。

    AD9854中的OSK功能允許用戶對輸出信號的幅度以及時間斜率進(jìn)行控制。用戶可對AD9854內(nèi)部控制寄存器0x20中的OSK EN(bit5)進(jìn)行設(shè)置來選擇12位數(shù)字乘法器。如圖2所示，當(dāng)OSK EN設(shè)置為1時，數(shù)字乘法器被選中，用戶可通過設(shè)置數(shù)字乘法器來改變輸出信號的幅度。當(dāng)OSKEN設(shè)置為0時，數(shù)字乘法器被旁路，輸出信號將滿幅輸出。當(dāng)對12位數(shù)字乘法器每一位均設(shè)置為0時，則乘法器的輸入信號與0相乘，則輸出值為0。當(dāng)對12位數(shù)字乘法器每一位均設(shè)置為1時，則表示乘法器的輸入信號與4095或4096相乘，幾乎為滿幅輸出。按照此依據(jù)，則DDS信號源可按二進(jìn)制編碼規(guī)則，可任意設(shè)置使其輸出另外4094個不同的幅度值。具體實(shí)現(xiàn)方法與衰減量的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    采用這種方式進(jìn)行衰減的同時，送入到幅度相位檢測電路中的參考信號同時改變。因此，在做數(shù)據(jù)運(yùn)算時，應(yīng)把信號源端的衰減量計算在內(nèi)。[!--empirenews.page--]

3 步進(jìn)值為4 dB的衰減電路
    掃頻儀中可采用0．1 dB步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)與4 dB步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式。4 dB步進(jìn)衰減電路可采用兀型的阻抗匹配衰減電路，由衰減量為-4 dB、-8 dB、-16 dB以及2個衰減量為-32 dB的П型電阻網(wǎng)絡(luò)和作為開關(guān)的繼電器組成。其電路如圖4所示。

    使用1％的電阻，可以實(shí)現(xiàn)非常高精度的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際測試的衰減量分別為：-4．02 dB、-7．97 dB、-16．04 dB以及-31．97 dB。按照誤差傳遞公式，可計算出-4dB、-8 dB、-16 dB、-32 dB衰減網(wǎng)絡(luò)的誤差范圍，其合成誤差傳遞公式為：
   
    式中，y為系統(tǒng)誤差。根據(jù)誤差合成公式可計算出其他各級衰減網(wǎng)絡(luò)的誤差范圍，其分析結(jié)果如表2所示，誤差合成公式為：
   

4 結(jié)束語
    本文提出了掃頻儀中衰減器的設(shè)計方法。根據(jù)不同的信號源可以采用不同的衰減電路。采用模擬乘法器AD834實(shí)現(xiàn)的壓控增益放大電路最大可以實(shí)現(xiàn)-70dB的衰減，其頻率范圍寬、工作穩(wěn)定、噪聲小、精度高。通過配置AD9854內(nèi)部數(shù)字乘法器，同樣可以實(shí)現(xiàn)精確的衰減功能，提高了資源的利用率。整個設(shè)計可采用0．1 dB步進(jìn)與4 dB步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，操作簡便、測量范圍廣、精度高，降低了制作成本。