基于AD9959的四通道高频信号源研制

(3)用Z=50 Ω和频率标度系数FSF(2fc)即1．256×10对滤波器去归一化。
2．4 宽带放大器和数控衰减器
由于DDS芯片输出信号幅度较小，在经过差分放大器后只有0．3 Vpp，在很多实际应用中不能满足需求，设置了2级宽频带放大器，放大倍数设定为13～16倍，使得信号源最大输出可达到4 Vpp以上。该放大器采用了德州仪器的宽带电流负反馈运放THS3022，转换速率为9 000 V／μs，3 dB带宽为2GHz。
在实际应用中有时需幅度低至数毫伏的信号，因而设置了五位数控衰减器。衰减器采用高频无感电阻器构成的T型衰减电路，步进为2 dB，最大衰减为62 dB。结合AD9959芯片内部幅度调整，可实现信号源幅度的大范围、高精度输出。
2．5 单片机控制电路
AD9959芯片的I／O控制电压为3．3 V，选用了C8051F020型单片机，该单片机工作速度快，抗干扰能力强，且采用8051内核，指令跟国内最为普及的8051系列单片机兼容。
单片机控制电路在硬件设置上安排了一个4×5键盘，128×64液晶点阵显示器。另外还设置了一个旋钮，用于快速调整频率或幅度，使用极其方便。

3 PCB板电磁兼容设计
信号源所用DDS芯片是一个数模混合芯片，信号源本身又有大量模拟电路，它们都存在于一个受到严重电磁污染的环境中，不论这些污染是来自如手机这类外部源，还是来自本身的开关电源或数字处理器这类内部器件，它们都是人类所造成的电磁噪声。为了以最为容易和最低的成本来获得电路所要求的抗扰度电平以及信噪比，PCB板的EMC技术则是绝对必要的技术手段和措施。
3．1 PCB板整体设计考虑
为了兼顾信号源的电磁兼容特性和成本两方面因素的考虑，PCB板采用4层板设计，顶层为走线层，第二层为接地层(0 V参考面)，第三层为数字电源层，第四层(底层)为模拟电源层，跟传统4层板有所不同，传统4层板底层通常也是走线层，但在本设计中，信号走线较少，且AD9959芯片管脚的数字电源端和模拟电源端分开，因此安排底层为模拟电源层，杜绝数字信号和模拟信号的相互干扰。
3．2 PCB板与底板的搭接
典型的电路结构大多是采用将PCB板固定到一个导电底板的结构，信号源中将PCB板的0 V参考面搭接到底板上，以改善EMC性能在所关心频率上的一个低阻抗连接。搭接采用金属铜柱，为了避免结构谐振，以λ／20作为几何尺寸的通用准则(经验规则)，即PCB板与底板的搭接点之间，相邻的距离须小于最高频率的λ／20。
3．3 去耦合技术
在每个IC芯片的每个电源管脚都要使用去耦合电容，并连接到0 V参考面上，为了最大限度地降低磁场和电场的发射，去耦合电容要非常靠近器件的电源管脚。去耦合电容必须是等效串联电感(ESL)非常小的电容，例如Murata公司的GRH700系列。
去耦合电容容量在10～100nF之间，在信号源放大电路部分还要有一个低频去耦合电容(10μF电解电容)。另外信号源的每个不同类型的电源(数字和模拟的)，不同电源电压的电源，都要通过π型LC滤波器供电。
3．4 匹配传输线技术
匹配传输线技术可以使得高频信号在很长距离上相互传输而不会引起波形的过分失真。
从信号完整性角度出发，当信号的传播时间(tp)等于或超过信号真实上升时间的一半时(tp≥tr／2)就应该用匹配传输线，这样波形的失真和眼孔图的闭合程度是可以接受的。
从EMC的角度考虑，更为保守的作法是当tp≥tr／12时就应该使用传输线技术。本例中信号最高频率为200MHz，上升时间约2 ns，即当信号在线条中的传播时间tp≥(2／12)ns时，则电路板走线大于50 mm时，就应该使用传输线技术。

4 实验结果
信号源在确定了硬件系统结构后，设计并制作了硬件电路，通过软件编程、系统调试后，对输出信号进行了测试，频率指标由AD9959的外接晶振源决定，输出幅度指标由衰减器所采用的的电阻(精度为1％)决定，最后使用GSP-827型(2．7 GHz)的频谱分析仪，对信号谐波失真进行了实测，谐波失真在3％以内，测试结果如表1所示。

5 结语
采用AD9959DDS芯片构成的四通道宽带信号源，输出频率范围广、指标稳定度高、分辨率好；采用合理的PCB电磁兼容设计技术，使谐波失真大大减小；信号源每通道信号输出均能对频率、幅度和相位等指标独立调整。
在信号源的设计中，采用了椭圆函数滤波器，较好地滤除了DDS固有的杂散，输出信号失真较小。采用了转换速率达9 000 V／μs，3 dB带宽为2 GHz的超宽带电流负反馈运算放大器，从直流到200 MHz的信号频率范围内均有平坦的响应。使用了五级、最大衰减为62 dB的数控衰减器，使输出信号幅度低至数mV，满足各类科学实验、工业生产等要求。