基于SA605和AD9850的接收電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

1 引言

    在某些射頻產(chǎn)品的生產(chǎn)調(diào)試車間，空間某些頻段的射頻(RF)干擾信號(hào)可能對(duì)生產(chǎn)和調(diào)試造成影響。因此，有必要設(shè)計(jì)一種信號(hào)測(cè)試儀檢測(cè)空間RF信號(hào)的強(qiáng)度。本文所設(shè)計(jì)的信號(hào)測(cè)試儀具有以下基本功能：

測(cè)試頻率范圍1 MHz～30 MHz；

能夠靈活地在該頻段上步進(jìn)掃描；

    具有方便的人機(jī)交互界面，可以通過(guò)鍵盤輸入各種預(yù)設(shè)值，通過(guò)液晶顯示屏隨時(shí)查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)等。

    本設(shè)計(jì)采用超外差接收方式?？臻g信號(hào)通過(guò)天線接收后，首先經(jīng)過(guò)濾波和前置放大，與本地振蕩信號(hào)混頻后得到中頻信號(hào)。再對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行選頻、放大、檢波，得到直流電壓即信號(hào)的強(qiáng)度。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送入CPU處理。

    在本設(shè)計(jì)中，混頻電路是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。它包括信號(hào)的前置處理、本振信號(hào)的產(chǎn)生、混頻和中頻濾波等。傳統(tǒng)的掃頻信號(hào)產(chǎn)生電路大多使用壓控振蕩器，通過(guò)改變變?nèi)荻O管的電壓改變本振頻率，但是使用分立元件，振蕩頻率難以精確控制，特別是掃頻寬度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，本設(shè)計(jì)采用DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)，使用ADI公司的AD9850與MCU配合，可得到精確控制的掃頻振蕩源。采用Philips公司的SA605構(gòu)成本設(shè)計(jì)方案中的混頻電路。

2 AD9850和SA605簡(jiǎn)介

2.1 DDS頻率合成器AD9850

    AD9850用于產(chǎn)生頻率精確可控的本地振蕩源信號(hào)。AD9850采用先進(jìn)的CMOS工藝，內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N為32。每產(chǎn)生一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器以步長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°-360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射為正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC輸出模擬量。頻率控制字由下式計(jì)算：

    由于AD9850采用125 MHz有源晶體振蕩器，當(dāng)DAC輸出頻率達(dá)到40 MHz時(shí)．SFDR>50 dB。因此完全可滿足本地振蕩頻率范圍的要求。

2.2 FMIF通信器件SA605

    SA605是一款高性能低功耗混頻器和FM IF器件。它內(nèi)部集成有混頻器／振蕩器、限幅中頻放大器、積分檢波器、靜噪、對(duì)數(shù)。RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)和電壓較準(zhǔn)器。

    其主要參數(shù)：低功率，工作電壓6 V時(shí)典型電流為5.7 mA；在45 MHz時(shí)混頻轉(zhuǎn)換功率增益可達(dá)13 dB；在45 MHz時(shí)混頻器噪聲特性為4.6 dB；中頻放大／限幅增益為102 dB；25 MHz的限幅器小信號(hào)帶寬；具有額外90 dB動(dòng)態(tài)范圍的溫度補(bǔ)償接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)；靜噪和未靜噪的2個(gè)音頻輸出；僅需極少的外圍器件，適用于晶體／陶瓷／LC各種濾波器；具有極高的靈敏度等?；谝陨咸匦?，SA605適用于設(shè)計(jì)高性能通信接收機(jī)、RF信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量、頻譜分析儀等。

    本解決方案中SA605用于將天線接收的RF信號(hào)與DDS產(chǎn)生的本地振蕩信號(hào)混頻。得到465 kHz的差頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)帶通濾波器篩選出中頻信號(hào)并放大。SA605混頻器包括三個(gè)部分：RF信號(hào)輸入、本地振蕩LO輸入和中頻輸出。混頻器對(duì)RF信號(hào)和LO信號(hào)進(jìn)行和／差運(yùn)算，獲得一個(gè)中頻輸出。頻率混合是通過(guò)一個(gè)吉爾伯特單元(GilbertCell)四項(xiàng)限乘法器實(shí)現(xiàn)的。吉爾伯特單元是一個(gè)微分放大器，可驅(qū)動(dòng)一個(gè)平衡切換單元。SA605給本地振蕩器配備了一個(gè)NPN晶體管，為了達(dá)到本地振蕩頻率，只需要增加一些外部元件，例如電容、電感或電阻。振蕩器的晶體管基極和發(fā)射極(引腳4和3)可以用于配置為Colpitts、Butler或變抗器控制的LC形式。

3 實(shí)際設(shè)計(jì)方案

    在空間信號(hào)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，SA605與AD9850組成了空間RF信號(hào)接收器。

    混頻部分主要電路連接圖如圖1所示。

3.1 SA605的RF輸入配置

    RF輸入引腳接由天線接收過(guò)來(lái)的空間RF信號(hào)，經(jīng)前級(jí)濾波，信號(hào)頻率為30 MHz以下。SA605可配置為平衡(即單端匹配)和非平衡兩種匹配網(wǎng)絡(luò)，兩種方式各有優(yōu)劣，單端匹配用簡(jiǎn)單電路即可實(shí)現(xiàn)，并且不會(huì)犧牲三階性能，但卻會(huì)增大二階乘積。平衡匹配可減小二階乘積，但是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，阻抗難以匹配。好的網(wǎng)絡(luò)匹配可以顯著提高接收靈敏度，本設(shè)計(jì)中采用單端匹配，查手冊(cè)可知，SA605的RF輸入阻抗在10 MHz～50 MHz頻率下為4.5 kΩ～5 kΩ‖2.5 pF，因此前級(jí)高放電路需要匹配到該輸入阻抗，才能保證良好的接收效果。

    如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用單端匹配，匹配于20MHz，采用一個(gè)電容抽頭電路，將50Ω的輸入匹配到SA605的RF輸入。該電路中C1、C2、L的數(shù)值按如下方法計(jì)算。

在10 MHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)，2.5 pF的電容基本可以忽略不計(jì)。

3.2 SA605的本振配置

    由于SA605的LO部分內(nèi)部配置了一個(gè)NPN晶體管，因此輸入既可配置為Colpitts、Butler或變抗器控制的LC形式，也可以外加振蕩源。在本設(shè)計(jì)中，AD9850的第21引腳DAC輸出通過(guò)MCU控制產(chǎn)生的1 MHz～39 MHz掃頻信號(hào)作為SA605的LO輸入。AD9850的DAC輸出阻抗約為120 kΩ‖8pF，而SA605的LO輸入阻抗約為10 kΩ。可在DAC輸出引腳并聯(lián)10 kΩ左右電阻與之匹配。

    SA605的LO輸入電平與供電電平以及環(huán)境溫度的關(guān)系可查數(shù)據(jù)手冊(cè)得知，在25℃、供電電壓為8V環(huán)境下，振蕩器電平不應(yīng)超過(guò)550 mVRMS。在該環(huán)境下，實(shí)測(cè)AD9850的輸出得到如圖3所示的輸出強(qiáng)度曲線。

    由圖3可知，DDS輸出掃頻信號(hào)的幅度隨著頻率的增加而有減小的趨勢(shì)，這是DDS固有的缺陷，SA605的本振輸入振蕩電平會(huì)影響混頻器的轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)本振電平降為114 mV時(shí)，混頻器效率則降為74.4％，而不同頻率對(duì)應(yīng)不同的混頻轉(zhuǎn)換效率，將會(huì)影響到中頻輸出的信號(hào)幅度，影響對(duì)RF信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量。為解決這一問(wèn)題，本方案將DDS輸出先經(jīng)過(guò)AD603進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃p，衰減的幅度由D／A輸出的一個(gè)直流電壓來(lái)控制。

    AD603是ADI公司生產(chǎn)的一款低噪聲，帶寬可達(dá)90 MHz的可變?cè)鲆娣糯笃?。?dāng)使用5 V電壓時(shí)，將引腳5(FDBK)與輸出引腳7(VOUT)]直接相連。通過(guò)調(diào)整其引腳1(GPOS)和引腳2(GNEG)的電壓之差VG，即可控制放大增益，增益由以下公式?jīng)Q定：

Gain(dB)=40×VG+10

    設(shè)計(jì)電路使得引腳GPOS的電壓穩(wěn)定于某一固定值，而引腳GNEG則接至控制電壓，通過(guò)調(diào)整VG來(lái)改變?cè)鲆妫_GNEG的電壓則由D／A轉(zhuǎn)換得到一個(gè)直流信號(hào)進(jìn)行控制，隨著頻率的增加，信號(hào)幅度減小，相應(yīng)得到的直流信號(hào)也減小，則VG增大，增益Gain也增大。選取適當(dāng)?shù)念l率點(diǎn)，調(diào)整使得VG介于-300 mV和-25 mV之間，使得小于該頻率點(diǎn)的信號(hào)被衰減，大于此頻率點(diǎn)的信號(hào)得到放大，由于僅做細(xì)微調(diào)整，放大、衰減的分貝數(shù)不超過(guò)2 dB。

    AD603輸出的均勻DDS信號(hào)通過(guò)一個(gè)0.1 μF的耦合電容接至SA605的本振輸入引腳。

    當(dāng)SA605使用8 V電壓時(shí)，DDS輸出10 MHz、RF信號(hào)，使用了HP 8116型50 MHz信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)高放濾波產(chǎn)生9.55MHz的信號(hào)代替空間RF信號(hào)時(shí)。使用TektronixTDS2022型200 MHz示波器，實(shí)測(cè)波形如圖4。

    由圖4可以得知，產(chǎn)生的465 kHz中頻信號(hào)仍混有高次諧波，因此，該中頻信號(hào)需要經(jīng)過(guò)后級(jí)中頻放大、濾波電路。由于混頻器的輸出阻抗為1.5kΩ，因此，不必考慮輸出與中頻濾波器的匹配。

4 結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)實(shí)際測(cè)量，證明由DDS作為振蕩源，與SA605構(gòu)成混頻器的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能與指標(biāo)，因此，可以作為一種新的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于通信接收機(jī)中。