【導(dǎo)讀】在涉及射頻(RF)的硬件測試中，選擇可配置、已校準(zhǔn)的可靠信號源是其中最重要的方面之一。本文提供了基于Raspberry Pi的高度集成解決方案，其可用于合成RF信號發(fā)生器，輸出DC至5.5 GHz的單一頻率信號，輸出功率范圍為0 dBm至-40 dBm。所提出的系統(tǒng)基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)架構(gòu)，并對其輸出功率與頻率特性進(jìn)行了校準(zhǔn)，可確保在整個工作頻率范圍中，輸出功率保持在所需功率水平的±0.5 dB以內(nèi)。
簡介
RF信號發(fā)生器，尤其是微波頻率的RF信號發(fā)生器，以前通常是基于鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器1來構(gòu)建。PLL支持從低頻參考信號生成穩(wěn)定的高頻信號。圖1顯示了一個基本PLL模型。該模型由反饋系統(tǒng)（其中包括一個包括一個電壓控制振蕩器（VCO）用于改變輸出頻率）、誤差檢測器（用于比較輸入?yún)⒖碱l率和輸出頻率）以及分頻器組成。當(dāng)分頻器的輸出頻率和相位等于輸入?yún)⒖嫉念l率和相位時，環(huán)路被認(rèn)為處于鎖定狀態(tài)。2–5
圖1.基本PLL模型
根據(jù)應(yīng)用的不同，DDS架構(gòu)作為頻率合成器可能比PLL提供了一種更好的替代方案。。圖2顯示了一個典型的基于DDS的信號發(fā)生器。調(diào)諧字應(yīng)用于相位累加器，由后者確定輸出斜坡的斜率。累加器的高位經(jīng)過幅度正弦轉(zhuǎn)換器，最終到達(dá)DAC。與PLL相比，DDS的架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。例如，DDS數(shù)字相位累加器可實現(xiàn)比基于PLL的頻率合成器更精細(xì)的輸出頻率調(diào)諧分辨率。
圖2.基于DDS的典型信號發(fā)生器
PLL切換時間是其反饋環(huán)路建立時間和VCO響應(yīng)時間的函數(shù)，由于自身性質(zhì)的限制，其速度較慢，而DDS僅受數(shù)字處理延遲的限制，因此具有更快的切換速度。在電路板尺寸方面，DDS的面積更小，便于系統(tǒng)設(shè)計，許多硬件RF設(shè)計難題也迎刃而解6。
下一部分將討論 CN0511。一款基于DDS架構(gòu)的完整DC至5.5 GHz正弦波信號發(fā)生器的總體系統(tǒng)設(shè)計。接下來將討論矢量信號發(fā)生器架構(gòu)及其規(guī)格。而后將重點討論系統(tǒng)時鐘，包括時鐘參考要求以及時鐘管理單元和矢量信號發(fā)生器之間的電路連接。也會涉及電源架構(gòu)和系統(tǒng)布局，并進(jìn)一步說明整體系統(tǒng)如何實現(xiàn)高功率效率和合理的散熱性能。隨后的"軟件架構(gòu)和校準(zhǔn)"部分將圍繞系統(tǒng)軟件控制和校準(zhǔn)展開討論。該部分將解釋軟件提供的靈活控制以及如何校準(zhǔn)輸出功率。最后一部分將說明整體系統(tǒng)性能，包括系統(tǒng)相位噪聲、校準(zhǔn)輸出功率和系統(tǒng)的熱性能。
系統(tǒng)級架構(gòu)和設(shè)計考量
A：系統(tǒng)級設(shè)計
圖3所示系統(tǒng)是基于DDS架構(gòu)的完整DC至5.5 GHz正弦波信號發(fā)生器。四開關(guān)DAC核心和集成輸出放大器在整個工作頻率范圍內(nèi)提供極低的失真，并配有50Ω的輸出匹配終端。
板載時鐘解決方案包括參考振蕩器和PLL，因而無需外部時鐘源。所有電源均來自Raspberry Pi平臺板，其具有超高電源抑制比(PSRR)穩(wěn)壓器和無源濾波功能，可使大幅減小電源轉(zhuǎn)換器對RF性能的影響。
圖3.CN0511：基于RPI的頻率合成RF信號發(fā)生器
圖4.所用矢量信號發(fā)生器(AD9166)的功能框圖
圖5.ADF4372 RF8x輸出級
圖3所示架構(gòu)可用于雷達(dá)、自動測試、任意波形發(fā)生器和單音信號發(fā)生器等各種應(yīng)用。而本文中實現(xiàn)了單音信號發(fā)生器應(yīng)用。以下小節(jié)將討論CN0511包含的主要集成器件。
B：矢量信號發(fā)生器
如圖4所示，所使用的DC至9 GHz矢量信號發(fā)生器包含一個6 GSPS（1倍不歸零模式）DAC、8通道、12.5 Gbps JESD204B數(shù)據(jù)接口以及一個具有多個數(shù)控振蕩器(NCO)的DDS。同時該器件是高度可配置的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)路徑，包括插值濾波器、反SINC補償和數(shù)字混頻器，支持靈活的頻譜規(guī)劃。
圖4所示系統(tǒng)利用DAC的48位可編程模數(shù)NCO以非常高的精度（43 μHz頻率分辨率）實現(xiàn)了信號的數(shù)字頻移。該DAC的NCO僅需要SPI寫入接口速度達(dá)到100 MHz即可快速更新頻率調(diào)諧字(FTW)。SPI還支持配置和監(jiān)控該DAC中的各種功能模塊。本設(shè)計未使用JESD通道，器件僅在NCO模式下使用。
圖4中的矢量信號發(fā)生器集成了單端、50 Ω匹配的輸出RF放大器，因此無需采用復(fù)雜的RF輸出電路接口。表1顯示了 AD9166的主要規(guī)格和在各種條件下的性能。
表1.AD9166主要規(guī)格
C：系統(tǒng)時鐘
圖2中的系統(tǒng)使用了ADF4372 PLL（見圖5），這是一款集成VCO的寬帶頻率合成器，當(dāng)與外部環(huán)路濾波器和外部參考頻率一起使用時，可以作為小數(shù)N分頻或整數(shù)N分頻頻率合成器。此外，VCO頻率可進(jìn)行1、2、4、8、16、32或64分頻，因此用戶可以在RF8x產(chǎn)生低至62.5 MHz的RF輸出頻率。
時鐘源的質(zhì)量（例如其相位噪聲和雜散特性）以及其與高速DAC時鐘輸入的接口，會直接影響交流性能。因此，相位噪聲和其他頻譜內(nèi)容將會被直接調(diào)制到輸出信號上。為實現(xiàn)最佳整數(shù)邊界雜散和相位噪聲性能，ADF4372使用了單端參考輸入信號，然后將其倍頻以產(chǎn)生用于高速DAC的時鐘，如圖6所示。
圖6.ADF4372和AD9166之間的電路連接
D：電源架構(gòu)
CN0511的系統(tǒng)電源樹如圖7所示，基于系統(tǒng)負(fù)載要求將其效率提高到90%，分別使用了 LTM8045、LTM4622和ADP5073 開關(guān)穩(wěn)壓器，。并選用 ADM7150、ADM7154和ADP1761等低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)來為DAC、放大器、PLL和VCO供電，其有超低噪聲和高PSRR性能，可實現(xiàn)最佳相位噪聲性能。
使用電源時序控制器 LTC2928 來確保高速DAC按正確順序上電，避免損壞其內(nèi)部電路。該電源時序控制器IC可監(jiān)測和管理四個電壓軌，并具有控制各電壓軌的上電時間和其他監(jiān)控功能，其中包括欠壓和過壓監(jiān)控與報告功能。
E：布局考慮
對于這種需要極高性能和較高輸出頻率的應(yīng)用，PCB（印刷電路板）材料的選擇會對結(jié)果有很大影響。圖8顯示了推薦的CN0511 PCB疊層，它在包含RF走線的層上使用Rogers 4350電介質(zhì)材料，最大程度上減少3GHz以上的信號衰減，并確保在RF輸出處獲得最佳的信號完整性。
圖7.系統(tǒng)電源樹
圖8.推薦的PCB橫截面和疊層
熱性能與PCB設(shè)計和工作環(huán)境直接相關(guān)。為改善設(shè)計的散熱性能，在PCB散熱焊盤上打了散熱通孔。
軟件架構(gòu)和校準(zhǔn)
A：軟件控制
在任何涉及信號發(fā)生器的應(yīng)用都希望能夠輕松靈活地控制儀器設(shè)備。因為它只需要將一張帶有Kuiper Linux鏡像的SD卡插入Raspberry Pi，因而可以認(rèn)為CN0511是即插即用的。Kuiper Linux鏡像包含控制信號發(fā)生器所需的所有必要軟件。有兩種方法可改變輸出功率和頻率：使用PyADI-IIO模塊寫入代碼，或使用IIO-Oscilloscope圖形用戶界面(GUI)輸入所需的輸出。
PyADI-IIO是ADI硬件的Python抽象模塊，帶有工業(yè)輸入/輸出(IIO)驅(qū)動程序。此模塊為控制硬件提供了簡單易用的Python方法和屬性。通過非常簡單的Python代碼行即可控制該板，這些代碼可以在本地或遠(yuǎn)程運行。可以使用簡單的for循環(huán)和一些延遲來創(chuàng)建任何頻率掃描，用于測試其他設(shè)備。
IIO-Oscilloscope是一個跨平臺GUI應(yīng)用程序，需要用戶輸入輸出功率幅度和頻率作為參數(shù)。
PyADI-IIO和IIO-Oscilloscope這兩個模塊均提供了結(jié)溫傳感器的輸出：一個在PLL IC內(nèi)，另一個在矢量信號發(fā)生器IC內(nèi)。圖9展示了這兩個軟件模塊以及與CN0511板通信所需的其他組件（libAD9166、LibIIO和Linux內(nèi)核）。圖9中顯示的libAD9166是在Kuiper鏡像上預(yù)裝的另一個庫，用于準(zhǔn)確控制輸出功率，包含輸出校準(zhǔn)功率所需的C++代碼，并特定使用于該板。關(guān)于如何實現(xiàn)校準(zhǔn)的理論將在B節(jié)：輸出功率校準(zhǔn)中繼續(xù)討論。
圖9.通過PyADI-IIO和IIO-Oscilloscope與設(shè)備通信所需的軟件組件框圖
B：輸出功率校準(zhǔn)
在信號發(fā)生器應(yīng)用中，頻帶平坦度是一個關(guān)鍵參數(shù)。在該系統(tǒng)中，輸出功率與頻率的關(guān)系特性主要由矢量信號發(fā)生器的輸出決定。隨著頻率提高，輸出阻抗從其直流值開始減小。輸出阻抗的這種變化以及負(fù)載處的任何阻抗失配都會直接影響輸出功率。此外，可預(yù)測的sinc滾降也會影響輸出功率的頻率響應(yīng)。圖10討論并顯示了測得的未校準(zhǔn)輸出功率與頻率的關(guān)系。為了克服這些不利因素，我們對輸出功率與頻率的關(guān)系進(jìn)行了軟件校準(zhǔn)。
用于校正輸出功率的旋鈕包含了AD9166的兩個寄存器：設(shè)置滿量程電流的10位寄存器Ioutfs_reg（地址0x42和0x41）和設(shè)置滿量程電流的16位寄存器Iout_reg（地址0x14E和0x14F）。這兩個寄存器負(fù)責(zé)控制AD9166 DAC的輸出電流，這也是AD9166放大器的輸入（圖3）。
Ioutfs_reg提供大約10 dBm的輸出功率動態(tài)范圍，這是用于調(diào)整圖10所示不必要特性的理想值。
圖10.輸出功率與頻率的關(guān)系：未校準(zhǔn)的輸出功率
從測量結(jié)果來看，每個PCB樣片都顯示出圖10所示的相同形狀特性，只是偏移存在差異。考慮到這一點，我們開發(fā)了兩個校準(zhǔn)例程。第一個校準(zhǔn)程序只需執(zhí)行一次，用于獲取校準(zhǔn)整個形狀所需的參數(shù)，使其平坦化，；第二個程序則用于校正不同板之間的偏移誤差，并作為每片板的生產(chǎn)測試運行。兩個校準(zhǔn)例程均通過輸出測量、計算和基于計算的寄存器調(diào)整來完成。
第一個校準(zhǔn)例程的主要設(shè)計思路如圖11所示。首先，圖10中的整個特性曲線被分成多個頻率區(qū)間，這些區(qū)間可以用從fmin[x]到fmax[x]的線段來近似表示，其中x是區(qū)間的索引，x ∈ [0, 31]，并且x為正整數(shù)。實際設(shè)計選擇了31個區(qū)間，但為了更好地舉例說明，圖11a中只顯示了三個區(qū)間。對于每個區(qū)間，需要獲得兩個常數(shù)：一個是用于偏移校正的Offset_correction（圖11b）；一個是用于增益校正的Gain_correction（圖11c）。還需要存儲參數(shù)fmin[x]以跟蹤區(qū)間。
圖11.校準(zhǔn)例程的可視化舉例：(a) 將特性曲線分成多個部分；(b) 對每個部分進(jìn)行偏移校正；(c) 對每個部分進(jìn)行斜率校正。
圖12a為第一個校準(zhǔn)例程的工作原理偽代碼流程圖。為完成此算法，需要使用非常精確的頻譜分析儀來測量輸出功率（使用Keysight E5052B/R&S FSUP）。第一個例程（圖12a）產(chǎn)生的參數(shù)用于第二個校準(zhǔn)例程，如圖12b所示。
圖12.偽代碼流程圖：(a) 只運行一次的第一個校準(zhǔn)例程；(b) 在每個CN0511板上運行的第二個校準(zhǔn)例程。
第二個校準(zhǔn)例程（圖12b）是針對生產(chǎn)測試中每個PCB樣片運行的，并為每個區(qū)間的Offset_correction參數(shù)增加同一常數(shù)。在第二個例程結(jié)束時，對于每個區(qū)間，修改的參數(shù)Offset_correction[x]、Gain_correction[x] 和fmin[x]都將存儲在電路板的EEPROM中。當(dāng)電路板工作時，這些參數(shù)將在軟件中進(jìn)一步使用。
為設(shè)置校準(zhǔn)輸出功率，軟件使用公式1來計算調(diào)整頻率fx處的輸出功率的Ioutfs_reg寄存器值，以。fx是區(qū)間x內(nèi)的頻率：fx ∈ [Fmin[x], fmax[x])，fx為實正數(shù)，fmin[x]是索引為x的區(qū)間的最小頻率。
如公式1所示，電路板上必須為每個x區(qū)間存儲三個參數(shù)，以便進(jìn)行輸出校正：即Offset_correction[x]、Gain_correction[x]和fmin[x]。
系統(tǒng)性能
A：校準(zhǔn)輸出功率
圖13顯示了CN0511在幾種不同輸出功率水平下的寬帶補償頻帶平坦度。對于設(shè)置在0 dBm和-40 dBm之間的任何輸出功率，從DC到5.5 GHz的整個頻帶內(nèi)的精度為±0.5 dBm。
圖13.校準(zhǔn)輸出功率與頻率的關(guān)系
B：相位噪聲
時鐘源的質(zhì)量以及其與AD9166時鐘輸入端的接口會直接影響相位噪聲性能。在指定頻率偏移處的相位噪聲和雜散會被直接轉(zhuǎn)為輸出信號。圖14顯示了經(jīng)過測量的單邊帶(SSB)相位噪聲與頻率偏移的關(guān)系。所有數(shù)據(jù)都是在輸出功率設(shè)置為滿量程的情況下收集的。使用板載122.88 MHz CMOS壓控晶體振蕩器用作系統(tǒng)時鐘參考。
圖14.系統(tǒng)相位噪聲性能
C：熱性能
根據(jù)應(yīng)用和配置，高速DAC的功耗可能接近4 W。該器件使用裸露芯片封裝來降低熱阻并允許芯片直接散熱。使用帶風(fēng)扇的機械散熱器來散發(fā)封裝的熱量。在安裝散熱器的情況下，LTM4622在25°C的環(huán)境溫度下顯示出的最高溫度讀數(shù)約為60.6°C。
結(jié)論
本文提出了一種高頻、低失真、低噪聲的信號源。所介紹的系統(tǒng)是一種采用基于高速DAC的DDS架構(gòu)的低成本RF信號頻率合成器解決方案，通過使用基于DDS技術(shù)的矢量信號發(fā)生器，該系統(tǒng)較之簡單PLL的有多項優(yōu)勢，例如簡單化、低失真、高分辨率調(diào)諧、近乎瞬時的跳頻、相位和幅度調(diào)制。
DDS架構(gòu)的多項優(yōu)勢使得調(diào)整和校準(zhǔn)輸出功率以及微調(diào)輸出頻率成為可能。在系統(tǒng)中添加校準(zhǔn)例程可為用戶提供從DC到5.5 GHz的輸出參考信號音，精度為±0.5 dBm，動態(tài)范圍為0 dBm到-40 dBm。對于實驗室儀器而言，這是一種近乎理想的解決方案。
致謝
感謝所有為本文提供寶貴技術(shù)支持的ADI工程師。
參考電路
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EVAL-CN0511-RPIZ用戶指南。ADI公司，2023年1月。
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