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　　數字掃頻儀在現代電子教學實驗和工業測量中應用廣泛，它是一種專門用于測量電子設備中某些電路頻率特性的專用儀器。目前，國內已經出現了一些數字頻率特性測試儀，通過對市面上現有的主要產品進行使用、測試和研究，發現多數儀器的輸出衰減步進值僅能達到1dB，還有一些儀器輸入部分沒有衰減電路，沒有輸入衰減電路的儀器在測試較大增益的放大電路時存在明顯的缺陷。針對以上這些問題，本文提出了數字掃頻儀中衰減電路的設計方法，給出了電路原理圖以及計算公式，并驗證了方案的有效性和正確性。

　　1 衰減網絡的作用

　　由于不同被測網絡對其輸入信號的功率要求不同，因此利用輸出衰減電路可對測試儀輸出信號功率進行調節。而為防止被測網絡輸出信號過大而導致測試儀過載，則需用輸入衰減電路對被測信號進行衰減。儀器中的衰減電路還可起到隔離作用，從而減小被測網絡與儀器信號源、被測網絡與幅度相位檢測電路之間的相互影響。

　　掃頻儀的原理圖如圖1所示。DDS掃頻信號源產生的掃頻信號一路送到幅度相位檢測電路作為參考基準，另一路送到輸出衰減網絡。輸出衰減網絡可使掃頻信號的幅度按0.1 dB步進進行衰減。輸出信號經過被測網絡，送到測試儀的輸入衰減網絡，使得被測信號符合幅度相位檢測電路的輸入要求。幅度相位檢測電路對被測網絡的輸入、輸出信號進行模擬鑒相和檢波，然后將所得到的關于被測網絡頻率特性的模擬量經ADC采樣轉換為數字量。最后，CPU處理幅度相位檢測電路中的數據時，還需要把輸出衰減以及輸入衰減的特性計算在內。因此，衰減電路的性能與精度，直接影響整個頻率特性測試儀的測量精度，故衰減電路是在頻率特性測試儀中非常重要的一部分。

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　　2 步進值為0.1 db的衰減網絡

　　采用阻抗匹配型衰減器是最常用的衰減方式，此類衰減器插入損耗低，不影響系統的頻率特性，且制作簡單，成本較低。但在實際應用中當衰減步進很小時，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現小步進值的衰減，并與采用阻抗匹配網絡實現大步進值衰減的方式相結合。電路結構簡單、操作方便，且成本較低。

　　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路差分電流結構，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。其頻率響應范圍為DC～500 MHz，乘方誤差小于5%，且工作穩定，受溫度和電源電壓的影響小。因此，AD834非常適合應用于掃頻儀這種對輸出信號有很高要求的系統中。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。

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　　AD834的輸入信號是可控的電壓，其輸出為集電極開路的差分電流。在這種情況下，運算放大器ADS009實現了電流到電壓的轉換，并且使用阻值均為511 Ω的反饋電阻R8和R9實現了增益范圍為-70 dB～+12 dB的電壓增益控制。當VG約等于0時，增益為-70 dB，當VG為1 V時，增益為12 dB?？刂齐妷篤G可以是正的，也可以是負的，還可以是完全差分的。當VG為正電壓時，輸出信號與輸入信號同向，當VG為負電壓時，輸出信號與輸入信號信號反相。

　　如圖2所示，在掃頻儀衰減電路中，最好使用Y作為乘法器的信號輸入端，因為Y端口比X端口具有更好的線性。雖然AD834的輸入電路有20 kΩ，但每個輸入端仍有45 μA的偏置電流。在本設計中采用單端的輸入方式，如果信號源的內阻為50 Ω，輸入端便會產生1.125 mV的失調電壓。因此在Y2端口，加上一個大小和極性可調的直流電壓可有效地消除這一誤差。由于本設計中輸入方式均采用單端的輸入方式，因此采用遠離輸出端的Y1作為信號輸入端，以減小輸入端直接耦合到輸出端的直通分量。VG作為驅動源具有較差的高頻特性，因此在姍端串聯一個100 Ω的電阻R1可以減小信道上可能存在的噪聲。

　　AD834實現的衰減電路其計算過程為：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，再與芯片內部所決定的1 V相乘，所得的結果再除乘法器內部的一個阻值為250 Ω的精密電阻，從而得到輸出電流，其公式表示為：

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　　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，當差分輸入端均為1 V時，I為4 mA。AD8009的輸出電壓可以簡單地表示為：

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　　2.2 DDS芯片內部數字乘法器

　　有些DDS芯片，具有輸出波形鍵控功能(OSK)，如AD9854。如果信號源采用AD9854，則可充分利用DDS芯片的內部資源，通過配置其內部的12位數字乘法器對輸出信號的幅度進行調節，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。

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　　AD9854中的OSK功能允許用戶對輸出信號的幅度以及時間斜率進行控制。用戶可對AD9854內部控制寄存器0x20中的OSK EN(bit5)進行設置來選擇12位數字乘法器。如圖2所示，當OSK EN設置為1時，數字乘法器被選中，用戶可通過設置數字乘法器來改變輸出信號的幅度。當OSKEN設置為0時，數字乘法器被旁路，輸出信號將滿幅輸出。當對12位數字乘法器每一位均設置為0時，則乘法器的輸入信號與0相乘，則輸出值為0。當對12位數字乘法器每一位均設置為1時，則表示乘法器的輸入信號與4095或4096相乘，幾乎為滿幅輸出。按照此依據，則DDS信號源可按二進制編碼規則，可任意設置使其輸出另外4094個不同的幅度值。具體實現方法與衰減量的對應關系如表1所示。

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　　采用這種方式進行衰減的同時，送入到幅度相位檢測電路中的參考信號同時改變。因此，在做數據運算時，應把信號源端的衰減量計算在內。

　　3 步進值為4 dB的衰減電路

　　掃頻儀中可采用0.1 dB步進衰減網絡與4 dB步進衰減網絡相結合的方式。4 dB步進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個衰減量為-32 dB的П型電阻網絡和作為開關的繼電器組成。其電路如圖4所示。

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　　使用1%的電阻，可以實現非常高精度的電阻衰減網絡。實際測試的衰減量分別為：-4.02 dB、-7.97 dB、-16.04 dB以及-31.97 dB。按照誤差傳遞公式，可計算出-4dB、-8 dB、-16 dB、-32 dB衰減網絡的誤差范圍，其合成誤差傳遞公式為：

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　　式中，y為系統誤差。根據誤差合成公式可計算出其他各級衰減網絡的誤差范圍，其分析結果如表2所示，誤差合成公式為：

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　　4 結束語

　　本文提出了掃頻儀中衰減器的設計方法。根據不同的信號源可以采用不同的衰減電路。采用模擬乘法器AD834實現的壓控增益放大電路最大可以實現-70dB的衰減，其頻率范圍寬、工作穩定、噪聲小、精度高。通過配置AD9854內部數字乘法器，同樣可以實現精確的衰減功能，提高了資源的利用率。整個設計可采用0.1 dB步進與4 dB步進衰減網絡相結合的方式，操作簡便、測量范圍廣、精度高，降低了制作成本。