電子設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到的問題是對(duì)待測(cè)電路(DUT)傳輸特性的測(cè)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(shí)延特性等，而最常見的就是DUT 的幅頻特性。
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最初，對(duì)于 DUT 的幅頻特性的測(cè)試是在固定頻率點(diǎn)上逐點(diǎn)進(jìn)行。這種測(cè)試方法繁瑣、費(fèi)時(shí)，且不直觀，有時(shí)還會(huì)得出片面的結(jié)果。例如，測(cè)量點(diǎn)之間的諧振現(xiàn)象和網(wǎng)絡(luò)特性的突變點(diǎn)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(duì)于幅頻特性的測(cè)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(gè)頻率隨時(shí)間按照此規(guī)律在一定頻率范圍內(nèi)掃動(dòng)的信號(hào)，如此即可對(duì)DUT 進(jìn)行快速、定性或定量的動(dòng)態(tài)測(cè)試。因此，對(duì)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(hào)。本文僅以DG5000 為例來詳細(xì)說明DDS信號(hào)源在掃頻測(cè)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(duì)數(shù)掃頻”和“步進(jìn)掃頻”;
3. 掃頻時(shí)間 1ms～300s，同時(shí)支持“返回時(shí)間”、“起始保持”和“終止保持”的設(shè)置;
4. 觸發(fā)方式包括“自動(dòng)觸發(fā)”、“外部觸發(fā)”和“手動(dòng)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(hào)任意點(diǎn)的頻率值。
模擬濾波器頻響測(cè)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(duì)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(shí)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(duì)于電子設(shè)計(jì)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(cè)試中的應(yīng)用，具體測(cè)試平臺(tái)如下：
DG5000 提供“線性掃頻”和“對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)寬頻帶進(jìn)行掃描，必然會(huì)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(duì)于寬頻帶的掃描，首先用“對(duì)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(cè)試結(jié)果如下：
通過示波器顯示的掃頻信號(hào)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(diǎn)的頻率值。所以，通過手動(dòng)調(diào)整“標(biāo)記頻率”，使得Mark 信號(hào)的下降沿至頻響曲線的-3dB 處，那么此時(shí)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(cè)量方法在測(cè)量DUT 的諧振點(diǎn)時(shí)同樣適用。 通過示波器顯示的掃頻信號(hào)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(diǎn)的頻率值。所以，通過手動(dòng)調(diào)整“標(biāo)記頻率”，使得Mark 信號(hào)的下降沿至頻響曲線的-3dB 處，那么此時(shí)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(cè)量方法在測(cè)量DUT 的諧振點(diǎn)時(shí)同樣適用。
高分辨率數(shù)字濾波器的頻響測(cè)試
數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)的研究是一個(gè)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(shí)上，雷達(dá)和其它突發(fā)方式的信號(hào)都是具有瞬時(shí)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(shí)間也越長，這是因?yàn)轭l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(shí)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(duì)瞬態(tài)響應(yīng)較差的數(shù)字濾波器測(cè)試所設(shè)計(jì)的。“步進(jìn)掃頻”能夠?qū)哳l頻帶分成若干個(gè)頻點(diǎn)，掃頻信號(hào)會(huì)在每個(gè)頻點(diǎn)上停留等長的時(shí)間。停留時(shí)間等于掃頻時(shí)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(shí)間和分段數(shù)。
如上圖所示，“步進(jìn)掃頻”時(shí)的趨勢(shì)圖如同階梯一樣，每個(gè)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(gè)步進(jìn)的停留時(shí)間能夠大于濾波器由瞬態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，就可準(zhǔn)確測(cè)試出濾波器的頻響特性。此外，通過調(diào)整每個(gè)步進(jìn)的停留時(shí)間，也可以測(cè)定濾波器達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需要的時(shí)間。
結(jié)語
DDS 信號(hào)源應(yīng)用于掃頻測(cè)試技術(shù)中，這相對(duì)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，相信DDS 信號(hào)源會(huì)更廣泛的應(yīng)用于掃頻測(cè)試技術(shù)，同時(shí)也為工程師們帶來更大的便利。