摘要：衰減電路是掃頻儀中的重要組成部分，它的性能與精度直接影響整個(gè)儀器的測(cè)量精度。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的掃頻儀衰減精度不高和衰減步進(jìn)值過(guò)大等問(wèn)題，分析了基于AD834模擬乘法器和DDS芯片中的數(shù)字乘法器實(shí)現(xiàn)0．1 dB步進(jìn)衰減的兩種設(shè)計(jì)方案，提出了掃頻儀中衰減器的設(shè)計(jì)方法，提高了掃頻儀的測(cè)量范圍和精度。
關(guān)鍵詞：衰減電路；掃頻儀；乘法器

0 引言
    數(shù)字掃頻儀在現(xiàn)代電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用廣泛，它是一種專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量電子設(shè)備中某些電路頻率特性的專(zhuān)用儀器。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一些數(shù)字頻率特性測(cè)試儀，通過(guò)對(duì)市面上現(xiàn)有的主要產(chǎn)品進(jìn)行使用、測(cè)試和研究，發(fā)現(xiàn)多數(shù)儀器的輸出衰減步進(jìn)值僅能達(dá)到1dB，還有一些儀器輸入部分沒(méi)有衰減電路，沒(méi)有輸入衰減電路的儀器在測(cè)試較大增益的放大電路時(shí)存在明顯的缺陷。針對(duì)以上這些問(wèn)題，本文提出了數(shù)字掃頻儀中衰減電路的設(shè)計(jì)方法，給出了電路原理圖以及計(jì)算公式，并驗(yàn)證了方案的有效性和正確性。

1 衰減網(wǎng)絡(luò)的作用
    由于不同被測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其輸入信號(hào)的功率要求不同，因此利用輸出衰減電路可對(duì)測(cè)試儀輸出信號(hào)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。而為防止被測(cè)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)過(guò)大而導(dǎo)致測(cè)試儀過(guò)載，則需用輸入衰減電路對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減。儀器中的衰減電路還可起到隔離作用，從而減小被測(cè)網(wǎng)絡(luò)與儀器信號(hào)源、被測(cè)網(wǎng)絡(luò)與幅度相位檢測(cè)電路之間的相互影響。
    掃頻儀的原理圖如圖1所示。DDS掃頻信號(hào)源產(chǎn)生的掃頻信號(hào)一路送到幅度相位檢測(cè)電路作為參考基準(zhǔn)，另一路送到輸出衰減網(wǎng)絡(luò)。輸出衰減網(wǎng)絡(luò)可使掃頻信號(hào)的幅度按0．1 dB步進(jìn)進(jìn)行衰減。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)，送到測(cè)試儀的輸入衰減網(wǎng)絡(luò)，使得被測(cè)信號(hào)符合幅度相位檢測(cè)電路的輸入要求。幅度相位檢測(cè)電路對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行模擬鑒相和檢波，然后將所得到的關(guān)于被測(cè)網(wǎng)絡(luò)頻率特性的模擬量經(jīng)ADC采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。最后，CPU處理幅度相位檢測(cè)電路中的數(shù)據(jù)時(shí)，還需要把輸出衰減以及輸入衰減的特性計(jì)算在內(nèi)。因此，衰減電路的性能與精度，直接影響整個(gè)頻率特性測(cè)試儀的測(cè)量精度，故衰減電路是在頻率特性測(cè)試儀中非常重要的一部分。

2 步進(jìn)值為0．1 db的衰減網(wǎng)絡(luò)
    采用阻抗匹配型衰減器是最常用的衰減方式，此類(lèi)衰減器插入損耗低，不影響系統(tǒng)的頻率特性，且制作簡(jiǎn)單，成本較低。但在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)衰減步進(jìn)很小時(shí)，不容易找到符合要求的電阻。并且由于電阻阻值小，衰減電路精度受電阻阻值誤差的影響較大。因此，可采取壓控增益放大器實(shí)現(xiàn)小步進(jìn)值的衰減，并與采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)大步進(jìn)值衰減的方式相結(jié)合。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，且成本較低。[!--empirenews.page--]
2．1 模擬乘法器
    采用模擬乘法器AD834和固定增益放大器便可構(gòu)成壓控增益放大器(VCA)。AD834是一款寬頻帶、四象限、高性能的模擬乘法器。輸入輸出均為差分方式，由于其輸出端的集電極開(kāi)路差分電流結(jié)構(gòu)，不僅可以有效地抑制由輸入端直接耦合到輸出端的直通分量，還可以保證電路有很寬的頻率響應(yīng)。其頻率響應(yīng)范圍為DC～500 MHz，乘方誤差小于5％，且工作穩(wěn)定，受溫度和電源電壓的影響小。因此，AD834非常適合應(yīng)用于掃頻儀這種對(duì)輸出信號(hào)有很高要求的系統(tǒng)中。在固定增益放大器之前，模擬乘法器可作為電壓可控的衰減器。其電路圖如圖2所示。

    AD834的輸入信號(hào)是可控的電壓，其輸出為集電極開(kāi)路的差分電流。在這種情況下，運(yùn)算放大器ADS009實(shí)現(xiàn)了電流到電壓的轉(zhuǎn)換，并且使用阻值均為511 Ω的反饋電阻R8和R9實(shí)現(xiàn)了增益范圍為-70 dB～+12 dB的電壓增益控制。當(dāng)VG約等于0時(shí)，增益為-70 dB，當(dāng)VG為1 V時(shí)，增益為12 dB。控制電壓VG可以是正的，也可以是負(fù)的，還可以是完全差分的。當(dāng)VG為正電壓時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同向，當(dāng)VG為負(fù)電壓時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)信號(hào)反相。
    如圖2所示，在掃頻儀衰減電路中，最好使用Y作為乘法器的信號(hào)輸入端，因?yàn)閅端口比X端口具有更好的線(xiàn)性。雖然AD834的輸入電路有20 kΩ，但每個(gè)輸入端仍有45 μA的偏置電流。在本設(shè)計(jì)中采用單端的輸入方式，如果信號(hào)源的內(nèi)阻為50 Ω，輸入端便會(huì)產(chǎn)生1．125 mV的失調(diào)電壓。因此在Y2端口，加上一個(gè)大小和極性可調(diào)的直流電壓可有效地消除這一誤差。由于本設(shè)計(jì)中輸入方式均采用單端的輸入方式，因此采用遠(yuǎn)離輸出端的Y1作為信號(hào)輸入端，以減小輸入端直接耦合到輸出端的直通分量。VG作為驅(qū)動(dòng)源具有較差的高頻特性，因此在姍端串聯(lián)一個(gè)100 Ω的電阻R1可以減小信道上可能存在的噪聲。
    AD834實(shí)現(xiàn)的衰減電路其計(jì)算過(guò)程為：輸入端X1和X2輸入的差分電壓與輸入端Y1和Y2的差分輸入電壓相乘，再與芯片內(nèi)部所決定的1 V相乘，所得的結(jié)果再除乘法器內(nèi)部的一個(gè)阻值為250 Ω的精密電阻，從而得到輸出電流，其公式表示為：
   
    I是W1和W2的差分電流，X1、X2、Y1和Y2表示該輸入端的電壓值。因此，當(dāng)差分輸入端均為1 V時(shí)，I為4 mA。AD8009的輸出電壓可以簡(jiǎn)單地表示為：
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2．2 DDS芯片內(nèi)部數(shù)字乘法器
    有些DDS芯片，具有輸出波形鍵控功能(OSK)，如AD9854。如果信號(hào)源采用AD9854，則可充分利用DDS芯片的內(nèi)部資源，通過(guò)配置其內(nèi)部的12位數(shù)字乘法器對(duì)輸出信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，且這種方式成本較低，不用增加外圍電路，提高了資源的利用率，其原理框圖如圖3所示。

    AD9854中的OSK功能允許用戶(hù)對(duì)輸出信號(hào)的幅度以及時(shí)間斜率進(jìn)行控制。用戶(hù)可對(duì)AD9854內(nèi)部控制寄存器0x20中的OSK EN(bit5)進(jìn)行設(shè)置來(lái)選擇12位數(shù)字乘法器。如圖2所示，當(dāng)OSK EN設(shè)置為1時(shí)，數(shù)字乘法器被選中，用戶(hù)可通過(guò)設(shè)置數(shù)字乘法器來(lái)改變輸出信號(hào)的幅度。當(dāng)OSKEN設(shè)置為0時(shí)，數(shù)字乘法器被旁路，輸出信號(hào)將滿(mǎn)幅輸出。當(dāng)對(duì)12位數(shù)字乘法器每一位均設(shè)置為0時(shí)，則乘法器的輸入信號(hào)與0相乘，則輸出值為0。當(dāng)對(duì)12位數(shù)字乘法器每一位均設(shè)置為1時(shí)，則表示乘法器的輸入信號(hào)與4095或4096相乘，幾乎為滿(mǎn)幅輸出。按照此依據(jù)，則DDS信號(hào)源可按二進(jìn)制編碼規(guī)則，可任意設(shè)置使其輸出另外4094個(gè)不同的幅度值。具體實(shí)現(xiàn)方法與衰減量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

    采用這種方式進(jìn)行衰減的同時(shí)，送入到幅度相位檢測(cè)電路中的參考信號(hào)同時(shí)改變。因此，在做數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，應(yīng)把信號(hào)源端的衰減量計(jì)算在內(nèi)。[!--empirenews.page--]

3 步進(jìn)值為4 dB的衰減電路
    掃頻儀中可采用0．1 dB步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)與4 dB步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式。4 dB步進(jìn)衰減電路可采用兀型的阻抗匹配衰減電路，由衰減量為-4 dB、-8 dB、-16 dB以及2個(gè)衰減量為-32 dB的П型電阻網(wǎng)絡(luò)和作為開(kāi)關(guān)的繼電器組成。其電路如圖4所示。

    使用1％的電阻，可以實(shí)現(xiàn)非常高精度的電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際測(cè)試的衰減量分別為：-4．02 dB、-7．97 dB、-16．04 dB以及-31．97 dB。按照誤差傳遞公式，可計(jì)算出-4dB、-8 dB、-16 dB、-32 dB衰減網(wǎng)絡(luò)的誤差范圍，其合成誤差傳遞公式為：
   
    式中，y為系統(tǒng)誤差。根據(jù)誤差合成公式可計(jì)算出其他各級(jí)衰減網(wǎng)絡(luò)的誤差范圍，其分析結(jié)果如表2所示，誤差合成公式為：
   

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文提出了掃頻儀中衰減器的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)不同的信號(hào)源可以采用不同的衰減電路。采用模擬乘法器AD834實(shí)現(xiàn)的壓控增益放大電路最大可以實(shí)現(xiàn)-70dB的衰減，其頻率范圍寬、工作穩(wěn)定、噪聲小、精度高。通過(guò)配置AD9854內(nèi)部數(shù)字乘法器，同樣可以實(shí)現(xiàn)精確的衰減功能，提高了資源的利用率。整個(gè)設(shè)計(jì)可采用0．1 dB步進(jìn)與4 dB步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，操作簡(jiǎn)便、測(cè)量范圍廣、精度高，降低了制作成本。