基于DDS信号源的扫频测试技术

       电子设计中经常碰到的问题是对待测电路(DUT)传输特性的测试，这里所说的传输特性包括增益和衰减、幅频特性、相位特性和时延特性等，而最常见的就是DUT的幅频特性。

　　最初，对于DUT的幅频特性的测试是在固定频率点上逐点进行。这种测试方法繁琐、费时，且不直观，有时还会得出片面的结果。　　DDS(DirectDigitalSynthesis)技术是1971年3月由美国学者J.TIerncy,C.M.Rader和B.Gold提出，这是一种从相位概念出发直接合成所需要波形的全数字频率合成技术，原理框图如下：

图表1DDS技术原理框图

　　DDS技术的出现使得我们对于幅频特性的测试变得异常简单。我们只需要按照某种规律不断的配置“频率码K”，就能够得到一个频率随时间按照此规律在一定频率范围内扫动的信号，如此即可对DUT进行快速、定性或定量的动态测试。因此，对DUT的调整、校准及故障排除提供了极大的便利。
北京普源精电(RIGOL)最新推出的DG5000系列函数/任意波形发生器采用了DDS直接数字合成技术，可生成稳定、精确、纯净和低失真的输出信号。本文仅以DG5000为例来详细说明DDS信号源在扫频测试中的具体应用。

1.DG5000提供1uHz～250MHz的扫频范围；
2.扫频类型支持“线性扫频”、“对数扫频”和“步进扫频”；
3.扫频时间1ms～300s，同时支持“返回时间”、“起始保持”和“终止保持”的设置；
4.触发方式包括“自动触发”、“外部触发”和“手动触发”；
5.支持“标记频率”的设置，可以轻易表示出扫频信号任意点的频率值。

　　模拟滤波器频响测试

　　在近代通信设备和各类控制系统中，滤波器的应用极为广泛，滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。

　　滤波器的分类有很多种，按频率通带可分为低通、高通、带通和带阻等等，滤波器产品和实现方案也是多种多样的，如下图所示：

图表2滤波器产品和实现方案举例

　　了解各滤波器的频响曲线，对于电子设计者来说是至关重要的，这往往直接影响最终产品的性能。

　　下面以5阶低通滤波器为DUT来介绍DG5000的扫频功能在滤波器频响测试中的应用，具体测试平台如下：

图表3滤波器频响测试

　　DG5000提供“线性扫频”和“对数扫频”两种扫频方式，“线性扫频”是指输出频率以恒定的“每秒若干赫兹”的方式改变，“对数扫频”是指输出频率以恒定的“每秒倍频程”的方式改变。

图表4扫频频率变化趋势图

　　“对数扫频”适合宽频带的粗略扫描，“线性扫频”适合窄频带的精确扫频，如果用“线性扫频”对宽频带进行扫描，必然会造成低频段分辨率的丢失，从而无法得到正确的频响。因此，对于宽频带的扫描，首先用“对数扫频”来缩小目标频带的范围，然后用“线性扫频”来确定精确的频响特性。具体测试结果如下：

图表5线性扫频与对数扫频的比较

　　通过示波器显示的扫频信号包络即为该滤波器的频响曲线。此外，“标记频率”可以快速准确的标出扫频周期中任意点的频率值。所以，通过手动调整“标记频率”，使得Mark信号的下降沿至频响曲线的-3dB处，那么此时的标记频率值即为该滤波器的截止频率。“标记频率”的测量方法在测量DUT的谐振点时同样适用。

图表6DG5000扫频操作界面

高分辨率数字滤波器的频响测试

　　数字滤波器频率响应的研究是一个非常复杂的课题。很多文章都只在研究稳态下的滤波器频响，而事实上，雷达和其它突发方式的信号都是具有瞬时特性的。一般而言，频率分辨特性越好的滤波器，稳定下来所需要的时间也越长，这是因为频响曲线越是陡峭的滤波器，其需要的抽头就越多、冲激响应时间就越长。例如频谱仪的分析滤波器，在稳态条件下有着很好的相邻信道抑制能力，而瞬态响应却非常糟糕，这也符合了滤波器冲激响应理论。

图表7差频式频谱分析仪框图

　　DG5000的“步进扫频”正是针对瞬态响应较差的数字滤波器测试所设计的。“步进扫频”能够将扫频频带分成若干个频点，扫频信号会在每个频点上停留等长的时间。停留时间等于扫频时间除以分段数，用户可以根据滤波器的特性设定扫频时间和分段数。

图表8步进扫频频率变化趋势图

　　如上图所示，“步进扫频”时的趋势图如同阶梯一样，每个阶梯的高度和长度皆可用户设置，所以，根据滤波器的特性，只要使得每个步进的停留时间能够大于滤波器由瞬态进入稳态的时间，就可准确测试出滤波器的频响特性。此外，通过调整每个步进的停留时间，也可以测定滤波器达到稳态所需要的时间。

图表9DG5000步进扫频界面

　　结语

　　DDS信号源应用于扫频测试技术中，这相对于传统的磁调制扫频振荡器、变容二极管扫频等技术有着得天独厚的优势，相信DDS信号源会更广泛的应用于扫频测试技术，同时也为工程师们带来更大的便利。