DDS 信號源在掃頻測試中的應(yīng)用

電子設(shè)計中經(jīng)常碰到的問題是對待測電路(DUT)傳輸特性的測試，這里所說的傳輸特性包括增益和衰減、幅頻特性、相位特性和時延特性等，而最常見的就是DUT 的幅頻特性。

最初，對于 DUT 的幅頻特性的測試是在固定頻率點上逐點進(jìn)行。這種測試方法繁瑣、費時，且不直觀，有時還會得出片面的結(jié)果。例如，測量點之間的諧振現(xiàn)象和網(wǎng)絡(luò)特性的突變點常常被漏掉。

DDS(Direct Digital Synthesis)技術(shù)是1971 年3 月由美國學(xué)者J.Tierncy, C.M.Rader 和B.Gold提出，這是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的全數(shù)字頻率合成技術(shù)，原理框圖如下：

DDS 技術(shù)的出現(xiàn)使得我們對于幅頻特性的測試變得異常簡單。我們只需要按照某種規(guī)律不斷的配置“頻率碼K”，就能夠得到一個頻率隨時間按照此規(guī)律在一定頻率范圍內(nèi)掃動的信號，如此即可對DUT 進(jìn)行快速、定性或定量的動態(tài)測試。因此，對DUT 的調(diào)整、校準(zhǔn)及故障排除提供了極大的便利。

北京普源精電(RIGOL)最新推出的DG5000 系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器采用了DDS 直接數(shù)字合成技術(shù)，可生成穩(wěn)定、精確、純凈和低失真的輸出信號。本文僅以DG5000 為例來詳細(xì)說明DDS信號源在掃頻測試中的具體應(yīng)用。

1. DG5000 提供1uHz～250MHz 的掃頻范圍;

2. 掃頻類型支持“線性掃頻”、“對數(shù)掃頻”和“步進(jìn)掃頻”;

3. 掃頻時間 1ms～300s，同時支持“返回時間”、“起始保持”和“終止保持”的設(shè)置;

4. 觸發(fā)方式包括“自動觸發(fā)”、“外部觸發(fā)”和“手動觸發(fā)”;

5. 支持“標(biāo)記頻率”的設(shè)置，可以輕易表示出掃頻信號任意點的頻率值。

模擬濾波器頻響測試

在近代通信設(shè)備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器的應(yīng)用極為廣泛，濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。

濾波器的分類有很多種，按頻率通帶可分為低通、高通、帶通和帶阻等等，濾波器產(chǎn)品和實現(xiàn)方案也是多種多樣的，如下圖所示：

了解各濾波器的頻響曲線，對于電子設(shè)計者來說是至關(guān)重要的，這往往直接影響最終產(chǎn)品的性能。

下面以 5 階低通濾波器為DUT 來介紹DG5000 的掃頻功能在濾波器頻響測試中的應(yīng)用，具體測試平臺如下：

DG5000 提供“線性掃頻”和“對數(shù)掃頻”兩種掃頻方式，“線性掃頻”是指輸出頻率以恒定的“每秒若干赫茲”的方式改變，“對數(shù)掃頻”是指輸出頻率以恒定的“每秒倍頻程”的方式改變。

“對數(shù)掃頻”適合寬頻帶的粗略掃描，“線性掃頻”適合窄頻帶的精確掃頻，如果用“線性掃頻”對寬頻帶進(jìn)行掃描，必然會造成低頻段分辨率的丟失，從而無法得到正確的頻響。因此，對于寬頻帶的掃描，首先用“對數(shù)掃頻”來縮小目標(biāo)頻帶的范圍，然后用“線性掃頻”來確定精確的頻響特性。具體測試結(jié)果如下：

通過示波器顯示的掃頻信號包絡(luò)即為該濾波器的頻響曲線。此外，“標(biāo)記頻率”可以快速準(zhǔn)確的標(biāo)出掃頻周期中任意點的頻率值。所以，通過手動調(diào)整“標(biāo)記頻率”，使得Mark 信號的下降沿至頻響曲線的-3dB 處，那么此時的標(biāo)記頻率值即為該濾波器的截止頻率。“標(biāo)記頻率”的測量方法在測量DUT 的諧振點時同樣適用。

高分辨率數(shù)字濾波器的頻響測試

數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)的研究是一個非常復(fù)雜的課題。很多文章都只在研究穩(wěn)態(tài)下的濾波器頻響，而事實上，雷達(dá)和其它突發(fā)方式的信號都是具有瞬時特性的。一般而言，頻率分辨特性越好的濾波器，穩(wěn)定下來所需要的時間也越長，這是因為頻響曲線越是陡峭的濾波器，其需要的抽頭就越多、沖激響應(yīng)時間就越長。例如頻譜儀的分析濾波器，在穩(wěn)態(tài)條件下有著很好的相鄰信道抑制能力，而瞬態(tài)響應(yīng)卻非常糟糕，這也符合了濾波器沖激響應(yīng)理論。

DG5000 的“步進(jìn)掃頻”正是針對瞬態(tài)響應(yīng)較差的數(shù)字濾波器測試所設(shè)計的。“步進(jìn)掃頻”能夠?qū)哳l頻帶分成若干個頻點，掃頻信號會在每個頻點上停留等長的時間。停留時間等于掃頻時間除以分段數(shù)，用戶可以根據(jù)濾波器的特性設(shè)定掃頻時間和分段數(shù)。

如上圖所示，“步進(jìn)掃頻”時的趨勢圖如同階梯一樣，每個階梯的高度和長度皆可用戶設(shè)置，所以，根據(jù)濾波器的特性，只要使得每個步進(jìn)的停留時間能夠大于濾波器由瞬態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時間，就可準(zhǔn)確測試出濾波器的頻響特性。此外，通過調(diào)整每個步進(jìn)的停留時間，也可以測定濾波器達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時間。

結(jié)語

DDS 信號源應(yīng)用于掃頻測試技術(shù)中，這相對于傳統(tǒng)的磁調(diào)制掃頻振蕩器、變?nèi)荻O管掃頻等技術(shù)有著得天獨厚的優(yōu)勢，相信DDS 信號源會更廣泛的應(yīng)用于掃頻測試技術(shù)，同時也為工程師們帶來更大的便利。