基于SA605和AD9850的接收电路设计及应用.doc

1、基于 SA605 和 AD9850 的接收电路设计及应用时间： 2011-01-02 20:31:22 来源：郑州大学信息工程学院 作者：程明,杨晓光,毕立恒,陈莹 在某些射频产品的生产调试车间,空间某些频段的射频(RF)干扰信号可能对生产和调试造成影响。因此,有必要设计一种信号测试仪检测空间 RF 信号的强度。本文所设计的信号测试仪具有以下基本功能：测试频率范围 1 MHz30 MHz;能够灵活地在该频段上步进扫描;具有方便的人机交互界面,可以通过键盘输入各种预设值 ,通过液晶显示屏随时查看系统的工作状态等。本设计采用超外差接收方式。空间信号通过天线接收后,首先经过滤波和前置放大,与本地振荡

2、信号混频后得到中频信号。再对中频信号进行选频、放大、检波,得到直流电压即信号的强度。经 AD 转换送入 CPU 处理。在本设计中,混频电路是设计的关键。它包括信号的前置处理、本振信号的产生、混频和中频滤波等。传统的扫频信号产生电路大多使用压控振荡器,通过改变变容二极管的电压改变本振频率,但是使用分立元件,振荡频率难以精确控制,特别是扫频宽度难以达到设计要求。因此,本设计采用 DDS(直接数字频率合成)技术,使用 ADI 公司的 AD9850 与MCU 配合 ,可得到精确控制的扫频振荡源。采用 Philips 公司的 SA605 构成本设计方案中的混频电路。2 AD9850 和 SA605 简介

3、2.1 DDS 频率合成器 AD9850AD9850 用于产生频率精确可控的本地振荡源信号。AD9850 采用先进的 CMOS工艺,内含可编程 DDS 系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。可编程 DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个 N 位相位寄存器组成,N 为 32。每产生一个外部参考时钟,相位寄存器以步长 M 递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中 0-360范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射为正弦波幅度信号,然后驱动 DAC 输出模拟量。频率控制字由下式

4、计算：由于 AD9850 采用 125 MHz 有源晶体振荡器,当 DAC 输出频率达到 40 MHz时SFDR50 dB。因此完全可满足本地振荡频率范围的要求。2.2 FMIF 通信器件 SA605SA605 是一款高性能低功耗混频器和 FM IF 器件。它内部集成有混频器振荡器、限幅中频放大器、积分检波器、静噪、对数。RSSI(接收信号强度指示 )和电压较准器。其主要参数：低功率,工作电压 6 V 时典型电流为 5.7 mA;在 45 MHz 时混频转换功率增益可达 13 dB;在 45 MHz 时混频器噪声特性为 4.6 dB;中频放大限幅增益为 102 dB;25 MHz 的限幅器小信

5、号带宽; 具有额外 90 dB 动态范围的温度补偿接收信号强度指示器(RSSI);静噪和未静噪的 2 个音频输出;仅需极少的外围器件,适用于晶体陶瓷LC 各种滤波器; 具有极高的灵敏度等。基于以上特性,SA605 适用于设计高性能通信接收机、 RF 信号强度测量、频谱分析仪等。本解决方案中 SA605 用于将天线接收的 RF 信号与 DDS 产生的本地振荡信号混频。得到 465 kHz 的差频信号,该信号经带通滤波器筛选出中频信号并放大。SA605 混频器包括三个部分：RF 信号输入、本地振荡 LO 输入和中频输出。混频器对 RF 信号和 LO 信号进行和差运算,获得一个中频输出。频率混合是通

6、过一个吉尔伯特单元 (GilbertCell)四项限乘法器实现的。吉尔伯特单元是一个微分放大器,可驱动一个平衡切换单元。 SA605 给本地振荡器配备了一个 NPN 晶体管,为了达到本地振荡频率 ,只需要增加一些外部元件, 例如电容、电感或电阻。振荡器的晶体管基极和发射极(引脚 4 和 3)可以用于配置为Colpitts、Butler 或变抗器控制的 LC 形式。3 实际设计方案在空间信号测试仪的设计中,SA605 与 AD9850 组成了空间 RF 信号接收器。混频部分主要电路连接图如图 1 所示。基于 SA605 和 AD9850 的接收电路设计及应用时间： 2011-01-02 20:3

7、1:22 来源：郑州大学信息工程学院 作者：程明,杨晓光,毕立恒,陈莹 3.1 SA605 的 RF 输入配置RF 输入引脚接由天线接收过来的空间 RF 信号,经前级滤波,信号频率为 30 MHz 以下。SA605 可配置为平衡( 即单端匹配) 和非平衡两种匹配网络, 两种方式各有优劣,单端匹配用简单电路即可实现,并且不会牺牲三阶性能,但却会增大二阶乘积。平衡匹配可减小二阶乘积,但是电路设计复杂,阻抗难以匹配。好的网络匹配可以显著提高接收灵敏度,本设计中采用单端匹配, 查手册可知,SA605 的 RF 输入阻抗在 10 MHz50 MHz 频率下为 4.5 k5 k2.5 pF,因此前级高放电

8、路需要匹配到该输入阻抗 ,才能保证良好的接收效果。如图 2 所示 ,本设计采用单端匹配, 匹配于 20MHz,采用一个电容抽头电路 ,将 50的输入匹配到 SA605 的 RF 输入。该电路中 C1、C2、L 的数值按如下方法计算。在 10 MHz30 MHz 频率范围内,2.5 pF 的电容基本可以忽略不计。3.2 SA605 的本振配置由于 SA605 的 LO 部分内部配置了一个 NPN 晶体管,因此输入既可配置为Colpitts、Butler 或变抗器控制的 LC 形式,也可以外加振荡源。在本设计中,AD9850 的第21 引脚 DAC 输出通过 MCU 控制产生的 1 MHz39 M

9、Hz 扫频信号作为 SA605 的 LO 输入。AD9850 的 DAC 输出阻抗约为 120 k8pF,而 SA605 的 LO 输入阻抗约为 10 k。可在 DAC 输出引脚并联 10 k 左右电阻与之匹配。SA605 的 LO 输入电平与供电电平以及环境温度的关系可查数据手册得知,在 25、供电电压为 8V 环境下, 振荡器电平不应超过 550 mVRMS。在该环境下,实测 AD9850 的输出得到如图 3 所示的输出强度曲线。由图 3 可知,DDS 输出扫频信号的幅度随着频率的增加而有减小的趋势,这是 DDS固有的缺陷,SA605 的本振输入振荡电平会影响混频器的转化效率,当本振电平降

10、为 114 mV时,混频器效率则降为 74.4 ,而不同频率对应不同的混频转换效率, 将会影响到中频输出的信号幅度, 影响对 RF 信号强度的测量。为解决这一问题, 本方案将 DDS 输出先经过 AD603进行适当的衰减,衰减的幅度由 DA 输出的一个直流电压来控制。 基于 SA605 和 AD9850 的接收电路设计及应用时间： 2011-01-02 20:31:22 来源：郑州大学信息工程学院 作者：程明,杨晓光,毕立恒,陈莹 AD603 是 ADI 公司生产的一款低噪声 ,带宽可达 90 MHz 的可变增益放大器。当使用 5 V 电压时,将引脚 5(FDBK)与输出引脚 7(VOUT)直

11、接相连。通过调整其引脚 1(GPOS)和引脚 2(GNEG)的电压之差 VG,即可控制放大增益,增益由以下公式决定：Gain(dB)=40VG+10设计电路使得引脚 GPOS 的电压稳定于某一固定值, 而引脚 GNEG 则接至控制电压, 通过调整 VG 来改变增益,引脚 GNEG 的电压则由 DA 转换得到一个直流信号进行控制,随着频率的增加,信号幅度减小,相应得到的直流信号也减小, 则 VG 增大, 增益 Gain 也增大。选取适当的频率点,调整使得 VG 介于-300 mV 和-25 mV 之间, 使得小于该频率点的信号被衰减,大于此频率点的信号得到放大,由于仅做细微调整,放大、衰减的分贝

12、数不超过 2 dB。AD603 输出的均匀 DDS 信号通过一个 0.1 F 的耦合电容接至 SA605 的本振输入引脚。当 SA605 使用 8 V 电压时,DDS 输出 10 MHz、RF 信号 ,使用了 HP 8116 型 50 MHz 信号发生器经过高放滤波产生 9.55MHz 的信号代替空间 RF 信号时。使用TektronixTDS2022 型 200 MHz 示波器,实测波形如图 4。由图 4 可以得知,产生的 465 kHz 中频信号仍混有高次谐波 ,因此,该中频信号需要经过后级中频放大、滤波电路。由于混频器的输出阻抗为 1.5k,因此, 不必考虑输出与中频滤波器的匹配。4 结束语通过实际测量,证明由 DDS 作为振荡源,与 SA605 构成混频器的设计能够实现预期的功能与指标,因此,可以作为一种新的设计方法应用于通信接收机中。