等离子体天线激励源的设计.doc

摘 要：为实现频率功率都可以调节的高频通信等离子体天线激励源，本系统采取模块化设计。采用计算机软件WinNWT4控制的AD9858产生射频信号，按键通过atmega128单片机控制DA从而控制压控放大器实现功率可调，以高频三极管2SC3356和AH101构成0.4W功放驱动级电路驱动由RD15HVF1构成的最大功率20W的末级功放。一个衰减器和一个由肖特基二极管构成的检波器构成功率检测模块，单片机通过AD采集到检波器的输出的峰值算出功率，并控制液晶实时显示频率和功率。经测试本激励源可以通过操作计算机产生400-500MHz精细可调的射频信号并通过按键控制5-20W的输出功率，实现了程控射频功放、射频频率控制和功率检测等技术难点。关键词：激励源、压控振荡器、单片机、射频功放、功率检测 Abstract： To realize the high frequency communications plasma antenna drive source which frequency and power can both be adjusted,block design has been used in this system. RF signal is produced by the AD9858 is controled By computer.With buttons,the atmega128 single-chip controlis the DA so as to control voltage controlled amplifiers,then power adjustable can be realized.With the 0.4 W amplifier driver stage circuit consists of high frequency transistor 2SC3356 and AH101,we can drive the final stage power amplifier which consist of RD15HVF1 and has 20W maximum power. The power detection module is made up of a decay and a detectors composed of the schottky diodes.Microcontroller calculates the power with the peak value output by the detector and collected by the AD, at the same time ,it also controls the liquid crystal to display frequency and power reality. According to the test, this driving source can produce the 400-500MHz fine and adjustable rf signal by operating computer and can control 5-20W output power with the buttons, it realizes some technical difficulties like the SPC rf power amplification, rf frequency controlling and power detecting and so on.Keywords: vco， SCM， rf power amplifier， power detection毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日南华大学电气工程学院毕业设计（论文）教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录1、序言11.1等离子体天线激励源相关背景11.1.1 国外研究果及研究发展趋势11.1.2 国内研究成果及研究发展趋势11.2 等离子体天线激励源研究的目的与意义22系统方案设计42.1设计任务与要求42.1.1基本要求42.1.2发挥部分42.2 系统方案论证与比较42.2.1正弦波产生方案论证与比较42.2.2 控制器的选择方案论证与比较62.2.3 电源方案论证与选择72.2.4 射频功放方案的设计与选择82.3 系统总体设计82、系统硬件设计102.1 正弦波的产生102.1.1 DDS的原理102.1.2 AD9858的简介122.1.3信号质量132.2 压控放大器142.2.1 ADL5330简介142.2.2压控放大器电路设计152.3功放电路的设计162.3.1 驱动级电路162.4末级功放电路设计202.4.1 RD15HVF1简介202.4.2 RD15HVF1功放电路设计212.5 ATmega128单片机硬件电路设计232.5.1ATmega128芯片介绍232.5.2 ATmega128内部结构252.5.3ATmega128系统电路设计272.6显示部分硬件电路设计282.6.112864液晶硬件电路设计282.7 A/D和D/A硬件电路设计302.7.1 TLC2543串行A/D转换模块302.7.2 12位串行D/A转换器TLV5638应用实例312.7.3单片机与TLV5638接口电路设计343 系统软件设计353.1 单片机程序设计353.2 WinNWT4设置与操作363.2.1安装与基本设置363.2.2参数设置384.系统调试、测试和总结394.1 硬件调试394.2 软件调试394.3 软件硬件联调404.4 系统测试404.4.1测试仪器404.4.2指标测试405 总结42谢辞43参考文献44附录一 系统元件清单45附录二程序清单46iii序言国外在等离子体天线研究上较多的是美国、澳大利亚。最先提出等离子体天线概念是用于海军通信领域，美国海军实验室从九十年代中开始等离子体天线的研究，取得了很好的结果。澳大利亚堪培拉电子工程与应用物理大学在2000年建立了等离子体装置试验室，研究射频激励方式的等离子体柱形天线，利用网络分析仪、频率仪等仪器设备进行试验测试，取得了预期效果。澳大利亚国立大学等离子体研究实验室，对等离子体天线基本物理概念与参数做了基本研究，并申请了大量专利。在研究内容上，A.D.Cheetham在等离子体方面研究主要集中于螺旋波激励与射频能量耦合、等离子体参数的测量、控制系统等；G.G.Borg则做了等离子体天线效率、信号幅度噪声幅度测量等实验；J.P.Rayner研究射频能量与等离子中波的耦合、天线理论，进行了天线参数测量等。Anderson等人对电磁波沿等离子体表面传播进行分析，等离子体天线可以接受、发射比等离子体频率更低的信号，当无激励源时，其电性能消失，在实验中发现等离子体本身的噪声并不是一个大问题。Y.Lee等用FDTD方法计算了柱形等离子体天线的电磁场分布与远场辐射方向图。国内，电子对抗期刊在1996年专门介绍了美国海军实验室实验等离子天线的研究进展。电子科大刘良涛、祝大军、刘盛刚等曾介绍了几种等离子天线的工作原理，论述了表面波激励等离子体的阻抗、效率、噪声情况；杨兰兰等研究了表面波沿等离子体柱轴向传播的色散关系，说明当电磁波频率远小于等离子频率时，性能类似已有实验证明该天线可以用做高频或射频微波通信；中科院空间科学与应用的赵高伟等人用各种数值方法对天线的阻抗、辐射方向图等进行了研究；西南核工业物理研究院金亚凡及成都理工大学王世庆等人对高频机理和射频激励的等离子体进行了初步的实验研究，其中王老师对射频激励源的研制进行了初步探讨和实践，但对于如何进行智能控制激励源输出参数动态调整和控制天线这方面还没有完备的研究出现。等离子体天线是指利用等离子体单元代替金属导体作为天线导电媒介的无线电天线。与传统的金属天线相比，等离子天线具有重量轻、天线参数可控、不工作时隐性及启动时间较短诸多优势使它在军事和商业通信领域有广阔的应用前景，因而备受世界各国的高度重视。等离子体天线一般通过在绝缘管内填充一定气压的惰性气体构成。此时，等离子体可以利用激光照射、直流放电以及微波或射频激励耦合等方法使管内气体形成。气体的种类、压强以及激励信号的功率和频率等与等离子体频率w有关。等离子体的碰撞频率与形成等离子气体的种类、压强和电子能量T等因素有关，当电子能量较小时，在相同的压力下，氩的碰撞频率较小，氩的电离能较氦、氢和氮小，因此氩是一种较理想的的工作气体。在较高的等离子频率和较低的电子碰撞频率条件下，表面波的波数接近于自由空间电磁波的波数，等离子体对表面波的衰减也小，等离子体柱上表面波的传播特性非常类似于在金属天线阵子上的传播特性，此时的柱状等离子体源即可作为天线阵子使用，已有实验证明该天线可以用作高频或射频微波通信。本项目就是为这样的等离子天线设计一种射频激励的激励源，其目的主要有两个，一是设计一个频率可调的激励源，这些激励源的参数可以通过一个控制器进行智能控制从而可以动态调整等离子天线的有效长度、辐射功率、辐射方向图等参数以适应各种情况的高频通信系统。根据设计好的等离子天线，构造天线测量系统，探讨等离子激励源的频率及功率的变化对天线长度、效率等特性的影响，是本项目的目的之二。本项目的研究意义在于这种等离子体天线相对于传统的金属天线而言具有许多独特的优点，主要包括：隐形性。当除去电离状态后，等离子天线将不会产生后向散射雷达波，也不会吸收可降低电子对抗效能的高功率微波辐射。适应于多种信号。等离子天线可具有动态重构的特性，如带宽、频率、增益和指向性。便于远程部署。等离子体天线可以比常规天线设计更轻、体积更小。效率更高。等离子体天线很好的降低冲击激励效应，从而提高了短脉冲雷达的性能。这些独特的优点将使等离子天线技术具有广阔的应用前景，如用于海军水面舰与潜艇雷达天线、隐形飞机雷达天线和弹道导弹防御雷达天线等。本项目对等离子体天线激励源的研制的意义还在于：对该激励源的输出频率和功率等参数智能控制而动态调整天线阻抗、带宽、方向图及辐射功率等参数，相比普通相控天线阵，等离子天线阵列不用活动部件就能高速的进行辐射方向图扫描。另外等离子天线是对惰性气体的离化会发出各色绚丽的色彩，可以代替目前移动通信基站天线，起到天线美化效果。因此对射频激励等离子体天线的激励源进行研制，特别是对该激励源的控制部分，还可以包括对天线参数的动态调整、自动测量进行控制显得非常重要和有意义。1系统方案设计1.1设计任务与要求设计制作一个等离子体天线激励源。1.1.1基本要求（1）正弦波输出频率范围：400MHz500MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100kHz； （3）输出信号频率稳定度：优于10-2；（4）输出功率：在负载电阻上的功率达到520W ；（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。1.1.2发挥部分在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：（1）能够检测功率并显示功率值；（2）功率可可在5W20W内调节。1.2 系统方案论证与比较本题目的要求是设计一个正弦射频信号发生器，并且能够大功率输出同时实现频率和功率可控。综合各方面考虑，可以把这个系统分为几个子模块：信号源部分、控制处理部分、可控增益放大器、输大功率射频功放和功率检测部分。本系统采用模块化制作，对各模块分析如下：1.2.1正弦波产生方案论证与比较信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。方案一：利用RC、LC网络产生振荡信号。利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦振荡的频率。这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。但是如果要实现题目中要求的1KHz至10MHz那么宽的频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。因此该方案在设计之中不予考虑。方案二：利用压控振荡器VCO产生振荡信号。压控振荡器（又称为VCO或V/F转换电路）产生的波形的振荡频率与它的控制电压成正比，因此，调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频率。利用高频三极管可以构成具有一定精度、线性较好的压控振荡器。并且，可以用DA实现对电压的程控，成本低廉。由于VCO的频率稳定度和频率精度太低，无法满足本题目中对稳定度和频率精度的要求，故放弃这种方案。方案三：利用锁相环进（PLL）行间接频率合成。这个方案是在方案二的基础上，用锁相环将VCO输出的频率锁定在所需的频率上。PLL使输出频率的稳定度和精度，接近参考振荡源（通常用晶振），如图1.2.1 所示。如果只用一个锁相环，频率范围覆盖不了400MHz-500MHz的变化范围。因此可以考虑用多个PLL进行分段锁定。缺点是硬件复杂，增加了调试难度。因此也不采用这种方案。压控振荡器VCO图1.2.1 锁相环框图低通滤波器LPF鉴 相PD参考振荡器f0方案四：直接数字合成法（DDS）。DDS或DDFS是Direct Digital Frequency Synthesis的简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS方法产生任意波形（AWG）。利用专用的DDS9858芯片产生的信号频率准确，频率分辨率高。而且，电路相对简单易行。同时使用WinNWT4软件来控制参数简单方便，可产生高精度500MHz以内的射频信号，能够满足本题中的信号稳定度和精度的要求，故选用此方案。综上所述，我们采用了方案四作为信号源。1.2.2 控制器的选择方案论证与比较方案一：采取FPGA或者CPLD控制。近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。用它们作为系统的“神经中枢”，可以采用VHDL或者Verilog语言来描述。但是一般来说，复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）集成的门数目不会很多。现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array） 是新一代的可编程器件，但是需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在RAM中的程序会丢失。这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用这个方案。方案二：采取MCS51单片机作为控制中心。MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。可以用汇编或者C语言进行开发。并且这种单片机的接口电路丰富。缺点是运行速度不够快，12个时钟周期一条指令，如果用12MHz的晶振，执行一条指令最快也要1us。因此不适合高速的控制。方案三：采取ADuC841芯片作为主控ADuC841是美国模拟器件公司（ADI）生产的内嵌MCU的高性能、多通道12位数据采集系统芯片，它具有体积小、功耗低等诸多特点。它具有与8051兼容的内核，12个中断源、2个优先级、双数据指针、扩展的11位堆栈指针。每条指令一个时钟周期，最大的工作时钟为25MHz（5V时）及16MHz（3V时）。用该芯片来控制DDS，可以完美地实现系统的指标性能要求。方案四：采用AVR单片机ATmega128作为主控制器。8位的ATmega128共64只管脚，53个可承受5V电压的I/O口，128K 字节的系统内可编程Flash（ 具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW）、4K 字节的EEPROM、4K 字节的SRAM、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4 个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时器/ 计数器（T/C）、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8 通道10 位ADC（ 具有可选的可编程增益）、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、以及六种可以通过软件选择的省电模式，理想的低功耗工作模式更能起到节电的作用。因此ATmega128控制芯片能很好的满足系统设计需求。同时考虑到，输入输出的接口需要较多的I/O口，而且这部分对单片机的速度要求较高。在本系统中主控需要完成键盘扫描、液晶显示、两块D/A和一块A/D的工作，任务比较多。此外考虑到设计成本，应选择一款性价比较高的主控。所以在此系统中，采用了AVR单片机ATmega128作为控制核心，选用第四种方案。1.2.3 电源方案论证与选择方案一：采用线性可调电源LM317LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5A的电流，此稳压器非常易于使用。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。但LM317所能提供的功率较小且发热大，即产生的功耗大。因此达不到本题驱动大功率功放的要求，故不采用此方案。方案二：采用开关电源开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。开关电源可以提供更高的功率，注意满足本题的要求，且功耗更低。 综合考虑功率和功耗两个因素，为了能够提供更大的功率，同时产生更少的热量，本题采用方案二。1.2.4射频功放方案的设计与选择方案一：采用三极管功放管C1970C1970是常用的射频发射管，增益大于9.2dB，带宽175MHz，最大功率5W，最大电源电压40V，常用电源电压13.8V。常用于小功率发射机的发射管，效率大于50%。可见其功率和频带远远不能满足本题的要求。方案二：采用硅MOSFET功率晶体管RD15HVF1RD15HVF1是射频MOSFET功率晶体管，当Vdd=12.5V，f=175MHz时 Pout15W，Gp14dB。当Vdd=12.5V，f=520MHz时Pout15W，Gp7dB，最大功率可达40W，效率大于50%。常用于大功率发射机、射频功放等。综合考虑本题频带和功率的要求，C1970的带宽175MHz，最大功率只有5W，可见满足不了本题500MHz的15W以上放大的要求。显然选用RD15HVF1作为射频功放管，比较容易满足要求，故采用方案二。1.3 系统总体设计 综合上述方案，经过认真比较分析，本设计采用单片机ATmega128作为主控制核心，压控振荡器作为射频信号源，采用ADL5330压控放大器来调节功率，采用高频三极管2SC3356和高频管AH101构成0.4W驱动电路驱动由射频MOSFET功率晶体管RD15HVF1为核心的功放电路主要功放模块。通过按键将频率和功率值输入到单片机，单片机再通过TLV5638 D/A模块分别控制压控振荡器产生信号的频率和VGA压控放大器ADL5330的放大倍数。末级由衰减器、功率检测模块和TLC2543A/D模块检测功率并将功率值提供给单片机。单片机控制显示模块12864实时显示频率和功率。系统结构图如下：图1.3.1 系统总体结构图2、系统硬件设计2.1 正弦波的产生2.1.1 DDS的原理DDS是数字可编程的高频合成器，其基本结构框图如图2.1所示，图2.1DDS基本结构框图DDS的工作过程为: (1)将存于数表中的数字波形，经数模转换器D/A，形成模拟量波形.(2)两种方法可以改变输出信号的频率:改变查表寻址的时钟CLOCK的频率， 可以改变输出波形的频率。改变寻址的步长来改变输出信号的频率.DDS即采用此法。步长即为对数字波形查表的相位增量，由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查表地址。(3)D/A输出的阶梯形波形，经低通（带通）滤波，成为质量符合需要的模拟波形正弦输出的DDS原理图如图2.2所示。设相位累加器的位宽为2N， sin表的大小为2p，累加器的高P位用于寻址sin表，时钟Clock的频率为fc， 若累加器按步进为1地累加直至溢出一遍的频率为 （2-1）图2.2 正弦输出的DDS原理图若以M点为步长，产生的信号频率为 （2-2）M称为频率控制字。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每来一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0360o 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出正弦波周期为 （2-3）频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为： （2-4）其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为 （2-5）与PLL不同，DDS的输出频率可以瞬时地改变，即可以实现跳频，这是DDS的一个突出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。2.1.2 AD9858的简介信号波形产生部分，采用了专用DDS芯片AD9858。AD9858是AD公司于2003年推出的一款高性能DDS芯片，其工作频率高达1GHz，内置一个10位DAC，杂散性能指标更高于以前的产品。该器件采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器，构成数字可编程的完整高频合成器，能够产生最高500+MHz的频率捷变模拟输出正弦波。AD9858专为提供快速跳频和精密调谐分辨率（32位频率调谐字）而设计。频率调谐和控制字以并行（8位）或串行加载格式载入AD9858。该器件内置一个集成式电荷泵（CP）和相位频率检波器（PFD），适合同时要求高速DDS与锁相环功能的频率合成应用。此外还提供一个片内模拟混频器，适合同时拥有DDS、PLL和混频器的应用，如频率转换环路、调谐器等。AD9858的时钟输入上还具有二分频特性，使外部时钟速率可以高达2 GHz。AD9858的额定工作温度范围为40C至+85C工业温度范围。AD9858凭借优良的性能可广泛应用于甚高频超高频本振合成器、雷达、蜂窝基站跳频合成器等许多领域。系统要求产生400MHz到500MHz的频率范围，频率步进为100kHz，可知，用该芯片可以很好地实现。AD9858是具有32位的相位累加器，本系统所用的外部振荡源是50MHz的晶振。振荡源信号经过420倍频（可程序控制）后，作为系统时钟。输出信号频率的计算公式为： （2-6）从上式可以看出，频率步进最小可以达到 （2-7）这个设计中用5倍频，算得是题目所要求的步进量的3883倍。如果已知输出频率，可以由下式算得控制字： （2-8）2.1.3 信号质量(1) 频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。时钟信号由晶振产生，它的频稳度优于10-6。(2) 频率的值的精度，决定于DDS的相位分辨率。即由DDS的相位累加器的字宽和ROM函数表决定。本题要求频率按100Hz步进，但实际上可以达到小于1Hz的步进。所以说DDS可达到很高的频率分辨率。(3) 失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分可分为以下几个部分： 采样信号的镜像频率分量。DDS信号是由正弦波的离散采样值的数字量经D/A转换为阶梯形的模拟波形的。所以存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像频率分量。 D/A的字宽决定了它的分辨率，它所决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表示为 S/D+N=6.02B+1.76 dB （2-9）其中B为D/A的字宽，所用的DDS有10位的D/A，信噪比可达到60dB以上。 相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的ROM表样点数有限而造成的。通过提高时钟频率或采用插值的方法增加每个周期中的点数（过采样），可以减少这些杂波分量。 D/A转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在N频率处。这些杂波分量的幅度较小。 其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。D/A后面的低通滤波器可以滤去镜像频率分量和谐波分量，可以滤去带外的高频杂散分量，但是，无法滤去落在低通带内的杂散分量。2.2 压控放大器2.2.1 ADL5330简介ADL5330是工作频率为10Hz至3GHz的压控放大/衰减器。采用单电源4.75 V到 5.25 V供电，其内部结构如图2.3所示。具有高线性度（OIP3 =31dBm 900MHz）（注：OIP3是输出3阶截获点，是衡量功放的线性度的指标，两个参数之间的差就是功放的增益，参数数值越高，线性度越好）。同时也具有很低的固有输出噪声（150 dBm /Hz 900MHz）。其输入阻抗和输出阻抗都为50。可作为单端输入单端输出型器件使用，也可作为差分输入差分输出型使用。增益宽范围为34dB至+ 22 dB（工作在900MHz时），对应的控制电压范围为0.1V到1.4V，增益控制精度20 mV /dB。图2.3 ADL5330的内部结构图 图2.4 ADL5330频率-增益曲线图如图2.4可知，频率f=500MHz，可得，l 当VGain=0.2V ，Gain=-32dB；l 当VGain=0.4V ，Gain=-24dB；l 当VGain=0.6V ，Gain=-14dB；l 当VGain=0.8V ，Gain=-4dB；l 当VGain=1.0V ，Gain=6dB；l 当VGain=1.2V ，Gain=16dB；l 当VGain=1.6V ，Gain=22dB。由这些数据，便可以确定增益控制电压VGain与增益Gain的关系，从而建立起D/A数据与增益的关系。 2.2.2压控放大器电路设计压控放大器电路原理图如图2.5所示，采用5V单电源供电，P3接口用于接D/A输出，VCO产生的射频信号由射频输入端P2输入，经放大后由输出端P6输出接下一级放大器。本电路采用单端输入输出，即P1、P5接地。电路中C1、C3、C5、C6、C7、C8、C11、C12、C13、C15是去耦电容，减少电源中的交流成分经电源流入放大器产生的影响。L1、L2是隔离电感和去耦电容C12、C13，避免放大后的信号经电源影响其他电路。C2