寬帶阻抗測量儀的設計

阻抗測量通常是向被測對象注入微小的正弦電流信號，同時通過測量電壓信號，以獲取相關的電阻抗信息。系統不僅要求正弦波信號波形失真小、幅值穩定，而且必須具有頻率、幅值、相位可調節的功能。因此正弦波信號發生器的設計是阻抗測量系統的重要環節。

正弦波信號發生器主要有模擬式和數字式兩種類型。

模擬方法實現正弦波發生器優點在于電路結構簡單、相對成本較低，輸出信號失真較小。但也存在明顯的不足，即電路的頻率、幅值調節困難。

早期的數字式信號發生器是采用向EPROM中寫入固定的數字化正弦波信號值，以一定頻率讀取正弦波表的內存地址，將得到的數字信號進行數模轉換，再進一步通過低通濾波器將輸出的模擬階梯波去除高頻諧波，從而得到平滑正弦波電壓信號。此方法產生的信號穩定可靠，頻率、幅值改變靈活，相移補償方便易行，但相對模擬方法電路復雜，造價較高。

直接數字頻率合成技術[21]，即DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)，是近年來迅速發展起來的第三代頻率合成技術。

DDS技術具有頻率轉換時間短、頻率穩定度高、相位噪聲低、相位分辨率高等突出優點。而且具有體積小，功耗低的特點，因此采用DDS技術對信號源電路進行設計是一種較為合適的方法。

1、DDS技術的優點

（1）.輸出頻率相對帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%f s(理論值)。但考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%f s。

（2）.頻率轉換時間短DDS是一個開環系統，無任何反饋環節，這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現頻率的轉換。因此，頻率轉換的時間等于頻率控制字的傳輸時間。時鐘頻率越高，轉換時間越短。DDS的頻率轉換時間可達納秒級，比使用其它的頻率合成方法都要短數個數量級。

（3）.頻率分辨率極高若時鐘f s的頻率不變，DDS的頻率分辨率就由相位累加器的位數N決定。只要增加相位累加器的位數N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數DDS的分辨率在1Hz數量級，許多小于1MHz甚至更小。

（4）.相位變化連續改變DDS輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數的曲線是連續的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發生了突變，因而保持了信號相位的連續性。

（5）.輸出波形的靈活性只要在DDS內部加上相應控制如調頻控制FM、調相控制PM和調幅控制AM，即可以方便靈活地實現調頻、調相和調幅功能，產生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外，只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數據，就可以實現各種波形輸出。當DDS的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數表時，既可得到正交的兩路輸出。

（6）.其他優點由于DDS中幾乎所有部件都屬于數字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當靈活，因此性價比極高。

2、DDS技術原理及實現方法

直接數字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis即DDFS。一般簡稱DDS)是一種新的頻率合成技術。同傳統的直接頻率合成(DS)、鎖相環間接頻率合成(PLL)方法相比，它具有很多優點：頻率切換時間短、頻率分辨率高、相應變化連續、容易實現對輸出信號的多種調制等。

直接數字頻率合成是基于奈奎斯特抽樣定理和數字波形合成原理而發展起來的一種數字化的頻率合成技術。

DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產生波形。

DDS的結構有很多種，其基本的電路原理如圖1所示。

寬帶阻抗測量儀的設計

相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯構成。每來一個時鐘脈沖f s，加法器將頻率控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。

由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值(二進制編碼)經查找表查出，完成相位到幅值轉換。

波形存儲器的輸出送到D/A轉換器，D/A轉換器將數字量形式的波形幅值轉換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。

低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量[22]，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、高分辨力、相位連續性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平，為系統提供了優于模擬信號源的性能。

DDS的實現方法有以下幾種方案：
（1）.采用高性能DDS單片電路的設計方案;
（2）.采用低頻正弦波DDS單片電路的設計方案;
（3）.自行設計的基于FPGA芯片的設計方案;在對DDS性能要求不苛刻、控制要求靈活的應用場合，優先選用基于FPGA設計的DDS電路;在需要的頻率點很多，特定頻率時諧波失真要求較小的場合，優先選用低頻正弦波DDS單片電路;而在對輸出信號性能要求高的場合，則優先采用采用高性能DDS單片電路，這樣可以減小設計和調試難度。

而基于本系統的寬頻帶、分辨率高的設計要求，采用高性能DDS單片電路的設計方案。

3、DDS芯片的選擇

目前，市場上性能優良的DDS產品己不斷推出，Qualcomm公司的Q2220，Q2234，Q2368等產品。

Q2334在30MHz的時鐘上可以高達0.007Hz的頻率分辨率提供10MHz以上的信號，而幅度量化噪聲低于信號幅值72dB，但由于價格昂貴，因此主要用于擴頻通信、電子戰等尖端領域;Sciteq公司相繼推出了系列化的DDS產品，其中ADS-431，時鐘頻率1.6GHz，可正交輸出，分辨率1Hz雜散-45dBc，捷變時間30ns;美國Stanford公司也相繼推出了系列化的DDS產品，如STEL-2171，GaAs電路，時鐘頻率1GHz，分辨率0.3Hz，雜散-55dBc，捷變時間25ns，這兩種都需要直接輸入比較高的系統時鐘頻率，而且采用GaAs電路，價格昂貴。

現在流行的DDS產品以Analog Devices公司的最多，主要有AD7008、AD9830~AD9835、AD9850~AD9854等十幾種芯片，形成了從0-120MHz的寬輸出頻率范圍系列。

ADI公司的DDS產品具有高性能和集成了多功能，是市場上極具競爭力的小封裝解決方案，并具有極高的性價比。本論文的方案使用Analog Devices公司推出的新一代DDS芯片AD9858，該芯片除了DDS內核電路以外還集成了其它高性能的功能部件，此外與其它的DDS芯片相比還具有很多優勢，下面就對這個芯片做一介紹。

AD9858是ADI公司推出的一種高性能新型DDS芯片，具有1GSPS(千兆次取樣/秒)速率、10位D/A轉換器、快速頻率跳躍和精細分辨率功能的單片DDS解決方案。

AD9858比先前的解決方案速度快三倍而功耗卻未增加，和其它高速DDS產品不同，AD9858內部集成了DAC、相位/頻率檢測器和電荷泵，能滿足設計者低相位噪音、低虛假能量、快速頻率轉換和寬帶寬線性掃描的要求。

其主要性能指標如下：
（1）.具有1千兆次/秒的采樣速率;
（2）.集成有10位D/A轉換器;
（3）.具有單音、頻率掃描及全睡眠三種操作模式;
（4）.具有良好的動態性能：在360MHz輸出時仍有50dBc SFDR(無雜散動態范圍);
（5）.具有4套32位可編程頻率寄存器，14位可編程相位寄存器;
（6）.內含一個32位控制字寄存器、一個32位頻率增量改變字寄存器和一個16位單頻點持續時間字寄存器;
（7）.集成有2GHz的混頻器;
（8）.有簡化的控制接口：10MHz的串行兩線或三線外圍接口及100MHz的8位并行端口;
（9）.具有多路低功耗功能;可采用單端或差分參考時鐘輸入。

AD9858在內部時鐘頻率為1GHz時，其輸出信號最高頻率可達到400MHz，頻率分辨率低于0.1Hz，頻率轉換時間最小值約0.0067μs，這些指標完全能滿足本系統的設計要求，因此采用該DDS芯片作為信號發生電路的核心器件。

4、總體設計框圖

信號源的框圖如圖2所示。

寬帶阻抗測量儀的設計