高動態掃頻儀的設計與實驗

(西安科技大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710054)

隨著現代電子與通信系統的快速發展，要求測試儀器也不斷更新換代[1-2]。常用的高頻測量儀器有矢量網絡分析儀、頻譜分析儀及掃頻儀等[3-5]。其中，矢量網絡分析儀可進行全面的射頻器件特性測量，但往往價格昂貴[6-7]。掃頻儀由于結構簡單及成本低廉等因素，經常替代矢量網絡分析儀用于要求不高的場合。掃頻儀可以測量器件的傳輸特性，例如可以測量濾波器、放大器及衰減器等高頻特性[8-11]。實驗室中常見的掃頻儀有BT3等型號，這類儀器體積重量大難于攜帶。國外廠商Keysight、Anritsu等公司推出了商用產品，但普遍價格較高。另外，國內一些研究組開發了便攜式掃頻儀，但普遍存在指標較低等問題，應用范圍較窄[12-15]。

為了克服這些缺點，本文設計了一款高動態范圍的掃頻儀。該儀器利用AD9851芯片對外輸出激勵信號，利用MC1496模擬乘法器作為零中頻檢測器，并利用PC機進行信號采集及處理。同時，在PC機構造了消除直流偏置的算法，接收機的動態范圍接近120 dB。利用該儀器，可以測試濾波器、放大器等高頻器件。該設備體積重量小、便于攜帶，可廣泛應用到高頻器件的生產測試中。

1 高頻高動態掃頻儀設計

1.1 高動態掃頻儀基本原理

掃頻儀的原理框圖如圖1所示。由圖1可見，掃頻儀主要包括一個激勵源和一個接收機。激勵源由AD9851芯片產生，該芯片參考時鐘最高可達180 MHz，實際測試表明在參考時鐘為250 MHz時候仍然能夠正常工作。因此，輸出信號頻率最高可達100 MHz。此處采用了NEC RED5100A 200 MHz有源晶振，其相位噪聲優于-120 dB@1 kHz(也可更換為OCXO參考源)。由于AD9851內部采用10位的DA轉換器，為了得到純凈的信號，需要增加低通濾波器濾除雜散信號。接收機由模擬乘法器MC1496完成混頻、LT1677跟隨器及LTC2440模數轉換等功能單元組成。同時，另外一路AD9851輸出的信號作為本振，且兩路AD9851采用同一個參考時鐘。兩路AD9851在外部控制命令下協同工作，通過相位差的切換完成消除直流分量的零中頻接收。

接收機的詳細電路圖如圖2所示。激勵信號通過待測器件后由P1端口進入到接收機，射頻變壓器T1將其轉換為差分信號，再進入到混頻器MC1496里面。同時，本振信號通過射頻變壓器T2變換為差分信號進入到MC1496里面。Q1和U6為輸入信號構成了偏置電路并進行溫度補償。混頻輸出的差分信號分別經過低通濾波進入到LT1677構成的跟隨器中。信號經過LT1677后再次濾波并進入到LTC2440模數轉換器中(由于是零中頻設計方案，此處LTC2440對某一直流分量進行采樣量化)。LT1460為LTC2440提供2.5 V電壓基準，電壓準確度優于0.075%，溫度穩定性優于10 ppm。LTC2440最高分辨率為24位，且其內置濾波器帶寬可以選擇，如在6.9 Hz分辨率帶寬下，其輸出信號均方誤差約為200 nV。因此，去除無效位后其動態范圍仍然高達120 dB。此后，數據進入到PC機進行后續處理及顯示。

1.2 掃頻儀的詳細工作過程

本掃頻儀的主要特點為動態范圍大。為了達到約120 dB的動態范圍，需要克服零中頻接收機固有的直流偏置分量。其具體做法為通過本振信號的相位切換得到一個序列采樣，然后通過算法抵消直流分量，掃頻儀的詳細工作過程如下。

圖2 接收機電路原理

① PC機控制2片AD9851輸出特定頻率的信號f，其2片AD9851的頻率值分別為f1,f2，滿足f=f1=f2，且兩路DDS的相位為p1=p2=0；

② 激勵信號經過待測器件進入到接收機，經過混頻、低通和A/D轉換后，采集到PC端，采集的數據為一直流電壓值v0，此值中包含了直流偏置分量，即：v0=voffset+vI，其中，voffset為直流偏置分量，vI為實際零中頻接收機的同相分量；

③ PC機控制2片AD9851輸出信號f=f1=f2，但p1=0,p2=180°；激勵信號經過待測器件并經過一系列處理后采集到PC端，得到直流電壓值為v180，此值中包含了直流偏置分量，即為：v180=voffset-vI；

④ 對上述兩個步驟得到的v0、v180進行如下運算：(v0-v180)/2=vI。可見，直流偏置分量消失，得到了純凈的零中頻同相分量vI；

⑤ 同理，分別控制2片AD9851使輸出頻率相同，但相位為p1=0°，p2=90°，得到v90；使相位分別為p1=0°，p2=270°，得到v270；進而，得到(v90-v270)/2=vQ；最終，得到了純凈的零中頻正交分量vQ。

掃頻儀的實物如圖3所示。其中，2片DDS芯片位于左邊，AD9851采用了D觸發器進行同步觸發，保證其相位同步。零中頻接收機位于PCB右邊，激勵源與檢測器盡量遠離，以減小相互干擾。正交信號的測試結果如圖4所示，2片AD9851分別輸出0相位與90°相位且輸出頻率均為1 MHz。由圖可見，兩路信號相位差為90°。

圖3 掃頻儀的實物圖

2 系統測試

2.1 系統動態范圍測試

系統的動態范圍測試結果如圖5所示，測試前進行了歸一化處理。可以看到除了頻率高端，在大部分頻段其動態范圍接近120 dB。

圖4 AD9851正交信號測試

圖5 系統動態范圍測試圖

2.2 高頻器件特性測試

濾波器的用途非常廣泛，如在接收機中廣泛應用的10.7 MHz中頻濾波器，電視機中廣泛應用的38 MHz中頻濾波器等。對其特性的測試主要包含插入損耗、帶外衰減等。其中，插入損耗一般較小(約1～3 dB)，而帶外衰減不同的濾波器差異巨大，一般的陶瓷濾波器其帶外衰減約為40 dB，而性能優異的濾波器帶外衰減大于100 dB。可見，掃頻儀的動態范圍非常重要。濾波器的測試結果如圖6所示，該濾波器采用5個晶體振蕩器構成，其中心頻率為10.238 MHz。由測試圖可見，其帶外衰減大于100 dB，而采用其他類似的掃頻儀很難測試到如此大的動態范圍。

圖6 晶體濾波器測試

3 結束語

利用若干集成電路單元，設計了一款高動態掃頻儀，其成本低廉且便于攜帶，可廣泛應用到教學及科研中。而傳統的高性能掃頻儀需要采用FPGA及高速AD轉換器，這往往導致功耗大、成本高且體積重量大。該掃頻儀主要特色為：

① 通過DDS芯片變換相位，構造序列下變頻的算法，得到的同相分量與正交分量高度對稱，從而可以有效地移除直流偏置分量；

② 對得到的零中頻直流分量，采用LTC2240進行24比特量化并采用LTC1460高穩定性電壓基準，測試表明有效動態范圍接近120 dB。

后續可考慮設計消除三階交調分量影響的算法，設計加強溫度穩定性的電路等。從而，進一步提高精度及穩定性。