阮　濱　黃全勝

(中國人民解放軍92493部隊89分隊，葫蘆島 125000)

0　引言

在現(xiàn)代計量測試中，無線電計量測試居于極其重要的地位，而電壓又是其中的一個基本參量。眾所周知，電壓是表征電信號能量的主要參量，是模擬信號的重要表現(xiàn)形式，幾乎所有的電子儀器和設(shè)備都直接或間接與電壓有關(guān)?？梢哉f，對電壓的計量測試是許多電信號參數(shù)計量測試的基礎(chǔ)，而高頻電壓的計量測試又是電壓計量測試的一個重要組成部分。此外，高頻電壓的計量測試對高頻電流、功率、阻抗、衰減、噪聲以及場強等參數(shù)的計量測試也都有重要的作用。

電壓標(biāo)準(zhǔn)按檢定方式又有標(biāo)準(zhǔn)電壓表和源式電壓標(biāo)準(zhǔn)之分，由于源式電壓標(biāo)準(zhǔn)計量檢定時精度損失小，在電壓參數(shù)計量檢定中已被廣泛使用，高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)通常也為源式電壓標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)已有的源式電壓標(biāo)準(zhǔn)比較有代表性的有三個型號：DO-2、ZC-100B和9501B。DO-2實際上就是利用這種高頻—直流(或低頻)功率替代原理建立起來的，性能比較穩(wěn)定，但是技術(shù)比較落后，存在著準(zhǔn)確度低、沒有自動測量功能等缺點。ZC-100B和9501B在設(shè)計時不夠完善，必須外接信號源才能檢定高頻電壓表，而且沒有擴展接口，不能和PC機組成自動檢定系統(tǒng)。

為了克服上述高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)的缺點，我們設(shè)計了一種內(nèi)置式高頻信號發(fā)生模塊作為激勵源，從而解決了上述高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)存在的問題。

1　DDS電路

設(shè)計的高頻信號發(fā)生模塊用來產(chǎn)生和被檢表檢定點頻率和幅度數(shù)據(jù)一致的交流信號。由于一般的DDS芯片不能滿足本系統(tǒng)輸出頻率范圍的要求，系統(tǒng)采用DDS和鎖相環(huán)配合混頻器的模式分段設(shè)計高頻信號發(fā)生模塊，模塊分為3個部分，分別提供30～450MHz、450～850MHz和850MHz～1.2GHz信號。當(dāng)所需輸出的交流信號頻率為30～450MHz時，直接由DSP控制DDS電路提供該交流信號，此交流信號經(jīng)過低通濾波器濾波后得到所需信號，然后再由DSP控制信號選通電路使所需信號通過；當(dāng)所需輸出的交流信號頻率為450～850MHz或850MHz～1.2GHz時，DSP控制鎖相環(huán)對輸入時鐘進(jìn)行倍頻，得到一個固定頻率的信號，將此信號和DDS產(chǎn)生的信號由混頻器進(jìn)行混頻，產(chǎn)生一個交流信號，此交流信號經(jīng)過高通濾波器濾除低頻分量便得到所需信號，最后再由DSP控制信號選通電路使所需信號通過。圖1是高頻信號發(fā)生模塊原理框圖。

圖1　高頻信號發(fā)生模塊原理框圖

本系統(tǒng)選用AD9912作為DDS電路的主芯片。AD9912是一款采用了ADI公司DDS專利技術(shù)的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，它集成了14位DAC，其DDS與DAC組合形成了數(shù)字可編程、高頻模擬輸出的頻率合成器，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)450MHz的正弦波形。AD9912電源電壓為1.8V和3.3V，功率消耗為715～850mW。具有軟件和硬件控制的低功耗模式，低功耗模式的功耗為19～25mW。

當(dāng)檢定點的頻率為30～450MHz時，我們采用AD9912直接輸出交流信號。從AD9912產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過低通濾波電路平滑并過濾掉雜散信號，最后輸出需要的正弦波波形。

2　鎖相環(huán)電路

本系統(tǒng)采用DSP控制鎖相環(huán)來輸出450MHz～1.2GHz的交流信號，鎖相環(huán)和DSP之間也是利用TMS320F2812片內(nèi)的GPIO接口模擬串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行通信的。

鎖相環(huán)工作原理：壓控振蕩器給出一個信號，一部分作為輸出，另一部分通過分頻與鎖相環(huán)電路所產(chǎn)生的本振信號作相位比較，為了保持頻率不變，就要求相位差不發(fā)生改變，如果有相位差的變化，則鎖相環(huán)電路的電壓輸出端的電壓發(fā)生變化，去控制壓控振蕩器，直到相位差恢復(fù)，達(dá)到鎖頻的目的。簡而言之，鎖相環(huán)電路就是能使受控振蕩器的頻率和相位均與輸入信號保持確定關(guān)系的閉環(huán)電子電路。圖2為鎖相環(huán)原理框圖。

圖2　鎖相環(huán)原理框圖

本系統(tǒng)設(shè)計要求能夠提供從30MHz～1.2GHz的交流信號，而AD9912只能提供30～450MHz頻率的信號，由于產(chǎn)生的信號頻率不能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求，所以，我們采用鎖相環(huán)配合混頻器來輸出450MHz～1.2GHz的交流信號。設(shè)計時分兩段輸出交流信號：

1)450～850MHz。這個頻段采用ADF4360-7鎖相環(huán)芯片，該芯片具有較高的工作頻率，輸出頻率范圍為350～1800MHz。ADF4360-7主要由以下幾部分構(gòu)成 ：低噪聲數(shù)字鑒相器(PFD)、高精度且可編程設(shè)置電流的電荷泵、可編程參考分頻器和兩個可編程計數(shù)器、雙模前置分頻及測試信號輸出多路選擇器，并且集成了壓控振蕩器功能。由于芯片內(nèi)部集成有鑒相器、程序分頻器和壓控振蕩器，因此不需要外部程序分頻器和壓控振蕩器，簡化了電路設(shè)計，同時也節(jié)省了電路板空間。

由圖1可知：由DSP控制ADF4360-7產(chǎn)生一個固定的400MHz頻率的信號。假設(shè)DDS產(chǎn)生的交流信號的頻率大小為f，將此信號和ADF4360-7產(chǎn)生的信號進(jìn)行混頻，可以產(chǎn)生兩個信號，頻率大小分別為：f+400MHz和f-400MHz。由于要對混頻后的高頻信號和低頻信號進(jìn)行濾波，高頻信號和低頻信號之間必須留有一定的帶寬，所以f的有效取值范圍是50～450MHz，從而得出經(jīng)混頻器混頻后的交流信號的頻率范圍為：450～850MHz和0～350MHz。混頻器產(chǎn)生的兩個信號經(jīng)電路中410MHz的高通濾波器濾除頻率較小的信號之后，剩下高頻信號即為輸出信號，頻率范圍為：450～850MHz。

2)850MHz～1.2GHz。這個頻段也采用ADF4360-7鎖相環(huán)芯片。由DSP控制ADF4360-7產(chǎn)生一個固定的800MHz頻率的信號，假設(shè)DDS產(chǎn)生的交流信號的頻率大小為f，將此信號和ADF4360-7產(chǎn)生的信號進(jìn)行混頻，可以產(chǎn)生兩個信號頻率大小分別為：f+800MHz和f-800MHz。與450～850MHz輸出信號電路原理相同，f的有效取值范圍也是50～450MHz，所以，經(jīng)混頻器混頻后的信號的頻率范圍為：850～1250MHz和350～750MHz。混頻器產(chǎn)生的兩個信號經(jīng)電路中810MHz的高通濾波器過濾掉頻率較小的信號之后，剩下高頻信號即為輸出信號，頻率范圍為：850～1250MHz，顯然此輸出信號的頻率可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計上限1.2GHz的頻率要求。

3　信號選通電路

以DDS電路為例說明，當(dāng)系統(tǒng)要求輸出30～450MHz的交流信號時，DSP使選通信號BAND1為高電平，二極管1N4148導(dǎo)通，即選通此路。圖3是信號選通電路的原理圖，如圖所示，經(jīng)過隔直電容之后，輸出符合系統(tǒng)要求的交流信號，其中DDS_OUT為輸入信號，RF_LOW為輸出信號。其它兩個頻段的信號選通方式和DDS電路相同。

圖3　信號選通電路原理圖

4　模塊性能指標(biāo)驗證

驗證方法是依據(jù)設(shè)計要求，以URV35高頻電壓表作為被檢儀器，用此內(nèi)置式高頻交流信號發(fā)生模塊組成的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行重復(fù)性實驗和穩(wěn)定性實驗。通過實驗證明，由此模塊組成的高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定功能完善，性能穩(wěn)定可靠，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。

4.1　高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)性實驗

URV35高頻電壓表，具有重復(fù)性好，分辨率高的特點，以URV35高頻電壓表作為被測對象，在頻率點為1000 MHz，電壓為800mV的檢定點上進(jìn)行6次測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1　高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置重復(fù)性實驗數(shù)據(jù)　　mV

按貝塞爾公式計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(1)

進(jìn)而求得：

(2)

結(jié)論：高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的2/3。

4.2　高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性實驗

表2高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置穩(wěn)定性實驗數(shù)據(jù)mV

時間x1x2x3x4x5x6(xn)i2011　6　9793　2793　0793　3793　1793　2793　2793　22011　7　11792　8793　1793　5793　3793　4793　1793　22011　8　12793　8793　6793　7793　9794　2793　8793　82011　9　15794　2794　0793　5793　6793　7794　1793　9xm793　5

由穩(wěn)定性考核計算公式

(3)

進(jìn)而求得：

sm(x)/0.7935≈0.048%

(4)

結(jié)論：高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的穩(wěn)定性小于合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

5　結(jié)論

該高頻信號發(fā)生模塊采用DDS和鎖相環(huán)配合混頻器的模式分段設(shè)計，模塊分為3個部分，分別提供30～450MHz，450～850MHz，850MHz～1.2GHz信號。該模塊頻率范圍寬，測量準(zhǔn)確度高，可以固化在高頻電壓檢定裝置等需要提供交流信號的計量標(biāo)準(zhǔn)中，從而不用額外配置信號源即可完成檢定工作。

[1]王立吉，金國鈞.無線電計量與測試.北京：中國計量出版社，1986

[2]周明德.微型計算機系統(tǒng)原理及應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1998

[3]復(fù)旦大學(xué)信息論教研組編.信息處理與變換.北京：國防工業(yè)出版社，1979

[4]張國雄.測控電路.北京：機械工業(yè)出版社，1979

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 173—2003 信號發(fā)生器檢定規(guī)程.北京：中國計量出版社，2004

[6]黃全勝.一種高頻電壓標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計.計量技術(shù)，2012(8)