【摘　要】　在介紹直接數字頻率合成（DDS）技術的基礎上，給出了一種用DDS技術實現矢量網絡分析儀中掃頻信號源電路的方案。
??? 關鍵詞：矢量網絡分析儀，掃頻信號源，直接數字頻率合成

1　引　言
　　在無線電測量中，經常需要測量設備或網絡的頻率特性，矢量網絡分析儀用于測量二端口線性非時變網絡的頻率特性，包括幅頻響應和相頻響應。頻率特性測量的關鍵是產生頻率步進的信號源，該信號源的頻率、幅度及相位應能精確測定。以往的掃頻信號源大多是基于壓控振蕩器（VCO）、函數發生器及鎖相環（PLL）技術。這些技術存在轉換頻率時間長、頻率精度不高、硬件耗費比較大等問題。隨著超大規模集成電路的迅速發展，由單片微處理機和直接數字頻率合成（DDS）芯片為核心構成的DDS掃頻信號源應運而生。與其它頻率合成方法相比較，DDS技術的主要優點是：分辨率高；頻率轉換速度快；頻率切換時相位保持連續；合成頻率準確；全數字化控制，可與微處理器接口。DDS對信號質量的改善在于其系統的相位噪聲主要取決于參考時鐘振蕩器，基本不受系統其他部分的影響。現在，DDS技術已經廣泛應用于本振、信號發生器、儀器、通信、雷達等系統。
2　直接數字頻率合成（DDS）技術
　　直接數字頻率合成DDS（Direct DigitalSynthesis），是一種新穎的頻率合成技術。這種技術的實現依賴于高速數字電路的產生，目前，其工作速度主要受D／A變換器的限制。DDS技術就是利用正弦信號的相位與時間呈線性關系的特性，通過查表的方式得到信號的瞬時幅值，從而實現頻率合成。為了輸出一定頻率的信號，在每一個時鐘周期中，存儲在頻率／相位字寄存器中的相位增量值ΔPhase被送到相位累加器中，輸出的結果送入正弦、余弦函數表中，通過查詢將相位信息轉換為對應的正弦幅度值，產生數字化正弦信號。相位增量值ΔPhase與輸出信號頻率fout和fc參考時鐘頻率之間的關系為

式中，N是相位累加器的字長。由公式（1）知，相位增量值ΔPhase與輸出信號頻率fout成正比。
　　由取樣定理，DDS所產生的信號頻率不能超過時鐘頻率的一半，在實際運用中，為了保證信號的輸出質量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33％，以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內。
　　掃頻信號源頻率分辨率fstep直接取決于DDS的頻率分辨率Δf，計算公式如下

3　矢量網絡分析儀中掃頻信號源的構成
　　矢量網絡分析儀用來測量二端口線性時不變網絡的頻率特性。頻率特性是一個網絡對一系列正弦輸入信號的響應特性。如圖1所示，被測網絡輸入幅度為Ai，角頻率為ω的正弦信號，對于線性時不變網絡，其穩態輸出也是正弦信號，幅度為A0，角頻率為ω，相角差為Φ。改變ω的大小，可以得到一系列的輸入和輸出數據，其中，幅頻特性A（ω）和相頻特性Φ（ω）統稱為頻率特性。網絡分析儀中的掃頻信號源為被測網絡提供激勵，根據測量要求，需產生一系列頻率精度高、轉換速度快、步進小、相位可控、頻率轉換時相位保持連續的正弦波。

　　本儀器掃頻范圍為1mHz～2MHz，采用美國AD公司的DDS芯片AD9850，用單片機作控制器，實現頻率的合成與控制。AD9850芯片內包括一個32位相位累加器，一個正弦和余弦查詢表，和一個10位高速數模轉換器，核心是相位累加器。該芯片最高時鐘參考頻率為125MHz，對于該頻率，輸出正弦波的頻率精度為0．0291Hz；控制接口簡單，可以用8位并行接口或串行接口輸入控制數據；40位控制字，其中32位頻率控制字，5位相位控制字，1位電源休眠功能，2位廠家保留測試功能；允許輸出相位以180°、90°、45°、22．5°、11．25°或者這些相位的組合為增量而改變；先進的CMOS工藝不僅使AD9850性能優異，而且功耗小，＋3．3V供電時，功耗僅為155mW；接上精密時鐘源，AD9850可產生頻譜純凈，頻率、相位編程控制的模擬正弦波輸出。
??? 采用單片微處理機對DDS進行控制，構成掃頻信號源的電路非常簡捷，其電路方框圖見圖2。

　　該電路由單片微處理機（CPU）、DDS、參考時鐘、低通濾波器（LPF）和寬帶放大電路組成。低通濾波器是掃頻信號源中一關鍵器件，負責濾除輸出信號中所含有的高頻雜散信號和諧波信號。DDS的輸出雜散有三個主要來源：N比特相位累加器只輸出高M位對ROM進行尋址；ROM存儲的幅值編碼僅為有限位；DAC的有限分辨率和非線性特性；DDS的輸出包括基本脈沖諧波譜，出現在下列位置：

Kfclk±fout　　K＝1，2，3LL

筆者設計的是1mHz～2MHz低頻矢量網絡分析儀，輸出最高頻率是2MHz，采用了50MHz的參考時鐘，使諧波信號頻率遠離輸出信號頻率，減小對低通濾波器的要求。筆者設計了一7階橢圓濾波器，取得了較好的效果。寬帶放大器選用低噪聲的運放，對DDS輸出的信號進行放大，以達到掃頻信號源的要求。
　　利用單片微處理機可以對DDS的邏輯和輸出信號進行實時控制，筆者選用Intel公司生產的MCS－51系列芯片AT89C51。AD9850的CS信號，由地址譯碼得到，W－CLK和FQ－UD信號直接由89C51的P1口給出。在程序中，需嚴格按照AD9850的時序要求。其軟件流程圖如圖3（以并行接口方式為例）所示。

　　圖3中，AD9850初始化是DDS芯片的復位，復位后除輸入寄存器以外的寄存器清零，輸出變成高阻，復位脈沖的高電平至少保持5個時鐘周期。控制字定義是否相位調制、低功耗選擇和置數模式。相位增量值由公式（1）計算得出。
　　DDS是近幾年出現的新一代頻率合成技術，筆者有幾點建議供實際運用時參考：在程序設計中要注意DDS的時序要求，正確送出邏輯控制字、相位增量值；DDS是超大規模CMOS器件，對時鐘信號的質量要求比較高，時鐘信號的上升沿和下降沿應無大的尖峰和凹坑，時鐘信號用地線屏蔽；給AD9850的時鐘信號不能低于1MHz，低于1MHz時，芯片自動進入電源休眠方式，高于此頻率時，系統恢復正常；要考慮良好的去耦電路，去耦電容盡可能靠近器件，注意良好接地，模擬地、數字地分開。
4　結束語
　　本文介紹直接數字頻率合成（DDS）技術的基本原理，并給出了一種用DDS實現低頻矢量網絡分析儀中掃頻信號源的系統構成和實現方法。直接數字頻率合成（DDS）技術有很多優點，如：DDS的輸出穩定度取決于時鐘源的穩定度；DDS是個開環系統，無反饋環節，其頻率合成時間主要決定于輸出端低通濾波器的延遲時間，適用于需頻率捷變的場合；DDS可實現mHz的頻率分辨率；DDS的信號輸出是一個平穩變化的過程，其連續的相位是其他頻率合成所不具有的。DDS的諸多優點很好地滿足了掃頻信號源的要求，但它也存在一定的缺點，如：輸出頻譜雜散較大；另外，輸出受限于器件的工作頻率。本課題1mHz～2MHz低頻矢量網絡分析儀應用AD9850于掃頻信號源，取得了良好的效果，達到了預期的目標。

1　李華主編．MCS－51系列單片機實用接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1993