宽带阻抗测量仪的设计——信号发生电路设计 (三)

3.1信号调理电路

信号的调理可具体分为两个方面：一是对噪声干扰的有效抑制；二是对输出信号功率进行调理。

3.1.1低通滤波器

AD9858的内部没有低通滤波器，因此经过DAC输出的扫频信号不可避免的含有高频噪声，该噪声可以分为两大类：一类为DAC数模转换所带来的阶梯波形分量及其高次谐波，另一类为AD9858内部系统时钟及其高次谐波。

故信号输出端口需加低通滤波抑制高频干扰。

滤波器可以分为有源和无源滤波器。有源滤波器的设计引入了有源元件-集成运算放大器，由于运算放大器具有近似理想的特性，且可以省去电感，因此可以得到接近理论预测的频率响应特性，并能减小体积（特别是在低频时，无源滤波器的电感量较大）。但由于受到运放带宽的限制，有源滤波器一般仅限于几百kHz以内的频带。

无源滤波器采用分立元件进行设计[23]，其频率范围比较宽，因此一般用于高频设计。由于AD9858的内部时钟为800MHz，输出信号的最高频率为

300MHz，因此在图3-2中的两个滤波器需要设计成无源低通滤波器。

低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。对各种滤波器的幅频特性的比较如图3-3所示。

巴特沃什低通滤波器的通带和阻带都是平坦的，但是其过渡带太过平缓；切比雪夫低通滤波器的通带是等波纹抖动的，阻带是平坦的，过渡带巴特沃什稍陡；贝赛尔低通滤波器和切比雪夫低通刚好相反，通带平坦，阻带是等波纹抖动的；椭圆低通滤波器的通带和阻带都是抖动的，但是其过渡带下降迅速，过渡带很窄。

在本系统中，为了使输出信号频率最高300MHz时能够最低程度的降低AD9858内部系统时钟800MHz的干扰，采用了具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用三级椭圆低通滤波。根据系统要求输出信号的频率可达300MHz，设定其通带为350MHz，且三级滤波具有下降速度更快的过渡带，可以有效的滤除400MHz以上的高频干扰。在图3-2中的两个滤波器都为低通滤波器，其设计可完全相同，但二者的功能是有所区别的：LPF1用于滤除AD9858的内部输出高频噪声，LPF2是为了尽可能的减少多个不同器件所带来的内部高频噪声对输出信号的影响。考虑到实际的椭圆滤波器的设计与理论分析是有所不同的，在本次设计中采用理论分析与测量滤波器的实际频谱特性相结合的方法，在实际的调试中逐渐改变滤波器的元件值，以使频谱特性达到最佳。

首先，按照低通椭圆滤波器的理论设计方法，采用查归一化滤波器表的方法设计出原始的三级椭圆低通滤波器，初步确定元件值。如图3-4所示为理论设计的椭圆低通滤波器。

其次，对理论滤波器进行改进。由于电阻、电容和电感元件的特性并不是理想的，这一点在高频中尤其突出，所以需要改进。在实际中，制作PCB实验板并把滤波器焊接好，用频率特性测试仪对焊接好的滤波器进行测量，如果幅频特性不好，则调整电容的值，再次测量滤波器的幅频特性，如此反复，直到该滤波器的特性满足要求为止。经过实验调整，该三级椭圆低通滤波器的电路参数及特性曲线如图3-5所示。

3.1.2功率控制电路

如果要求扫频信号源输出信号的功率可调范围大于AD9858的输出信号的功率范围，则需要对输出信号的功率进行调理。本系统采用可控增益放大器对信号功率进行调理。

如图3-2所示，在可控增益放大器AD8369 [24]的后面加有固定宽带运放AD8009和射频功放RF2317，这主要是为了进一步增加信号的功率，使其达到更高的功率范围，其中AD8009还有把差分信号转换为单端信号的作用。

AD8369为数字可控增益放大器，其可调节的放大范围为45dB，步长为3dB，可以对输出信号功率进行调节。

AD8369的带宽为600MHz，差分输入输出，数据接口为4位并行或3端串行，差分输入输出电阻为200，单端口到地等效电阻为100，数字控制的增益倍数与AD8369的外围电路有关。在本系统中，该数字可控增益放大器的输入端口为滤波器LPF1的输出信号，为了与AD8369相匹配，在滤波器的输出端跨接一个100的电阻，这100的电阻作为AD8369的输入阻抗；AD8369的输出端口为由宽带运放AD8009组成的差分变单端信号的转换电路，整个电路的设计如图3-6所示。

在图3-6中，AD8369的四个1nF电容为隔直电容，其功能是阻止直流从AD8369的端口输出。

SENB信号用于对并行或串行数据端口的选择，当接为3.3V高电平时，数据采用串行方式输入，当接为地时，数据采用并行方式输入，在本系统中采用并行方式输入数据，电路设计中使该引脚接地。

DENB信号为数据写控制信号，在串行方式中，低电平有效，在并行方式中，下降沿锁存数据。

在图3-6的情况下，AD8369由于内部输入输出阻抗的存在，所以其数字可控的增益倍数将与器件外部的阻抗有关。对于AD8369的输入端，其内部差分输入阻抗为200，外部的等效阻抗为100，则输入电路引入的衰减量见式（3-7）。