常凌穎　靳夢竹　田軒　張強

摘? 要： 根據1 500～2 500 nm的近紅外聲光可調濾波器（AOTF）成像光譜儀的工作要求，設計AOTF成像光譜儀多通道驅動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微控制器控制直接數字頻率合成（DDS）芯片AD9959生成四路頻率信號，同時STM32微控制器控制通道切換電路實現(xiàn)多個頻率快速切換，提高數據采集效率。最后將切換輸出的頻率信號進行功率放大，達到AOTF成像光譜儀的工作要求。經實驗測試結果表明，該文系統(tǒng)可生成頻率30～80 MHz、功率達33 dBm的信號，滿足1 500～2 500 nm 近紅外AOTF成像光譜儀的工作要求。

關鍵詞： AOTF成像光譜儀; 多通道驅動系統(tǒng); 系統(tǒng)設計; 頻率切換; 數據采集; 系統(tǒng)測試

中圖分類號： TN741?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0018?05

Design of multi?channel drive system of AOTF imaging spectrometer

CHANG Lingying， JIN Mengzhu， TIAN Xuan， ZHANG Qiang

（School of Electronic Engineering， Xian University of Posts and Telecommunication， Xian 710121， China）

Abstract： A multi?channel drive system of acousto?optic tunable filter （AOTF） imaging spectrometer is designed according to the operation requirements of the near?infrared AOTF imaging spectrometer at 1500～2500 nm. In this system， the STM32 microcontroller is used to control the direct digital synthesis （DDS） chip AD9959 to generate four?channel frequency signals， and control the channel switching circuit to realize the fast switching of multiple frequencies and improve the efficiency of data acquisition. The switched output frequency signal is amplified to meet the operation requirements of AOTF imaging spectrometer. The testing experimental results show that the system can generate 33 dBm signals at 30～80 MHz， and meet the operation requirements of near?infrared AOTF imaging spectrometer at 1 500～2 500 nm.

Keywords： AOTF imaging spectrometer; multi?channel drive system; system design; frequency switching; data acquisition; system testing

0? 引? 言

聲光可調濾波器（Acousto?Optic Tunable Filter，AOTF）成像光譜儀的成像質量及性能主要受到核心分光部件AOTF的影響[1]。在AOTF成像光譜儀中，AOTF驅動頻率的精確度和噪聲影響了衍射帶寬，驅動頻率的切換速度限制了光譜信息獲得速度。因此，研究AOTF驅動系統(tǒng)能夠提高AOTF成像光譜儀的性能。

AOTF驅動系統(tǒng)作用在超聲換能器上可調頻信號發(fā)生系統(tǒng)，目前多采用頻率合成結合功率放大的方式來實現(xiàn)。J. Vanhamel等人針對AOTF高光譜成像儀，選擇鎖相環(huán)方法進行驅動信號生成[2]。但鎖相環(huán)電路頻率分辨率較低，鎖頻所需時間較長，存在不能快速切換衍射光波長的缺點。中北大學高天學等人主要針對900～1 700 nm近紅外聲光可調諧濾光器進行驅動系統(tǒng)設計[3]，采取直接數字頻率合成技術（Direct Digital Synthesis，DDS）產生驅動信號。同時設計單頻和線性掃頻兩種模式，但單頻模式頻率切換需要重新對DDS芯片進行配置，使得AOTF不能快速調諧。

針對1 500～2 500 nm頻段的AOTF光譜成像儀對驅動系統(tǒng)設計AOTF光譜成像儀多通道驅動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32微控制器，控制AD9959直接數字頻率合成芯片生成4路不同頻率的信號，同時控制通道切換電路對頻率信號進行選擇，將選擇的頻率信號通過功率放大電路進行放大。通道切換電路能夠快速進行不同頻率的切換，減少頻率重新設置的時間，提高不同波長的光譜信息獲取速度。通道切換周期設定可以與AOTF光譜成像儀中的成像系統(tǒng)相匹配，可以讓AOTF光譜成像儀同時段生成多幅光譜圖像。該AOTF成像光譜儀多通道驅動系統(tǒng)具有頻率分辨率高、頻率高速可調的優(yōu)點。

1? AOTF成像光譜儀工作原理

AOTF成像光譜儀是根據各向異性雙折射晶體聲光衍射原理制成[4]。工作原理如圖1所示，目標信息（即入射光）進入AOTF成像光譜儀，由可控射頻信號發(fā)生器產生的射頻信號作用在超聲換能器產生超聲波。在聲光晶體中入射光和超聲波發(fā)生聲光效應，發(fā)生反常布拉格衍射，使入射光經過AOTF衍射后產生對應波段的零級光和正負一級衍射光。光闌將零級光和負一級衍射光濾除，獲得正一級衍射光[5]。AOTF成像光譜儀對所獲衍射光進行處理生成光譜圖像。

圖1? AOTF成像光譜儀工作原理

由于動量守恒的存在，衍射光的波長與介質中聲波的波長相關。當AOTF及入射光方向固定時，AOTF輸出的衍射光波長[λ]與超聲波頻率[f]關系如下[6]：

[fλ=van2i+n2d-2nindcosθi-θd12λ]? ? （1）

式中：[θi]為入射光與晶體光軸的夾角;[θd]為衍射光與晶體光軸的夾角;[ni]為入射光折射率;[nd]為衍射光折射率;[λ]為衍射光波長;[f]為超聲波頻率;[va]為超聲波的速度。AOTF的參數確定且入射光方向固定時，[θi]，[θd]，[ni]，[nd]確定，衍射光波長只與超聲波頻率相關[6]。超聲換能器能夠將所加載的電信號轉換為同頻的超聲信號。因此，對射頻驅動系統(tǒng)產生的射頻信號進行調諧，就能夠改變輸出光的波長。本設計中近紅外光波長范圍為1 500～2 500 nm，波長與驅動頻率的調諧關系如圖2所示。由圖2可知，系統(tǒng)所需要的射頻信號頻率范圍為38～64 MHz。

2? 硬件和軟件設計

2.1? 系統(tǒng)總體框架

AOTF成像光譜儀多通道驅動系統(tǒng)設計實現(xiàn)，主要包括頻率合成模塊、通道切換模塊、功率放大模塊，系統(tǒng)性能要滿足工作范圍為1 500～2 500 nm的近紅外的AOTF成像光譜儀的使用。因此設計頻率范圍為30～80 MHz，驅動功率達33 dBm的AOTF成像光譜儀的多通道驅動系統(tǒng)。

AOTF成像光譜儀的高速調頻多通道驅動系統(tǒng)總體結構如圖3所示。

上位機發(fā)送數據到STM32微控制器，STM32通過SPI總線接口發(fā)送地址和數據控制DDS芯片，產生4路不同頻率的信號。通過低通濾波器對信號進行平滑處理，濾除雜散頻率。通道切換電路再對4路信號進行選擇，最后將選擇的信號進行功率放大，并將該頻率信號加載到AOTF超聲換能器上，激發(fā)AOTF發(fā)生反常布拉格衍射。

2.2? 頻率合成電路

2.2.1? 信號生成電路

AD9959芯片有4個完整的DDS通道，AD9959每個通道之間的通道隔離度均大于 65 dB。在采樣時鐘高達500 MSPS時32位頻率控制字能夠使每個通道的頻率分辨率可達0.116 Hz，最大輸出頻率200 MHz，能夠滿足30～80 MHz頻率設計要求[7]。因此選擇ADI公司的DDS芯片AD9959作為頻率合成電路的核心組件。STM32微控制器通過串行端口對 AD9959的內部寄存器進行編程，實現(xiàn)4路頻率信號的生成。STM32芯片與AD9959接口電路如圖4所示。

圖中：RSESET接收到STM32發(fā)送信號，當輸入高電平AD9959芯片的內部寄存器復位;CS接收到低電平信號控制芯片能夠進行串口通信;I/O_UPDATE接收到信號上升沿時，將數據從SDIO0～SDIO3緩沖區(qū)傳輸到內部寄存器。SCLK為串行數據時鐘，由STM32提供用于I/O通信最高可達200 MHz;P0～P3通過STM32對其進行編程可完成掃頻等功能的實現(xiàn);SDIO0～SDIO3接收從STM32中發(fā)送的串行數據，每根均以串行數據時鐘的頻率進行通信[8]。因此，整片AD9959的最高通信頻率達4×200 MHz，使得驅動系統(tǒng)能夠高速地產生所需的射頻信號，提高AOTF成像光譜儀的數據采集效率。

2.2.2? 濾波電路

DDS因采用全數字結構，難以避免會產生雜散頻率[9]。DDS雜散頻率主要集中在高頻段，因此在輸出之前合成的信號需要通過低通濾波器除去大量雜散頻率。因此，設計合適的低通濾波器非常重要。橢圓濾波器相比其他類型的濾波器，在階數相同的條件下有著最小的通帶和阻帶波動[10]。因此，在本次設計中濾波電路設置為頻帶在200 MHz的低通橢圓濾波器。濾波電路及仿真結果如圖5所示。

2.3? 通道切換電路

AOTF具有多頻復用能力，但隨著作用在AOTF上頻率個數的增加，功率逐漸增大，導致假響應的出現(xiàn)，在濾波的光譜中產生偽影，影響成像光譜儀的圖像清晰度。所以本次設計中使用通道切換電路切換頻率，頻率信號作用在超聲換能器產生不同頻率的聲波信號分時復用通過聲光晶體。在提高AOTF的不同波長的衍射光強的同時，減少假響應對于光譜的影響。通道切換電路原理如圖6所示。

通道切換電路采用單刀雙擲射頻開關芯片HMC284AMS8G，開關芯片通斷通過74ACT00與非門芯片控制。通道切換電路作為頻率合成電路的末級輸出，其輸出端口受STM32微控制器控制，只需上位機選擇多個通道，設置通道切換時間便可實現(xiàn)任意通道轉換。通道切換電路真值表如表1所示。

2.4? 系統(tǒng)軟件流程設計

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。在軟件設計中 ，首先對STM32，AD9959及通道切換等模塊初始化，然后進入串口中斷程序等待上位機下發(fā)指令。STM32芯片收到上位機發(fā)出的串口指令，進入串口中斷程序對串口指令進行參數解析，然后配置AD9959的寄存器和通道切換模式，配置完成后，程序返回到等待中斷狀態(tài)，等待上位機發(fā)出下一條頻率指令。上位機軟件用于驅動系統(tǒng)模式的選擇和參數的配置，其指令可設置驅動信號輸出模式（單頻、線性掃描）及相應參數[11]。線性掃描時，可以選擇2個通道進行起始頻率、終止頻率和頻率步進的設置。單頻模式可以選擇多個通道，設置每個通道的頻率，實現(xiàn)多個頻率之間的切換。通道切換時間可以根據AOTF成像光譜儀的成像系統(tǒng)進行設置，實現(xiàn)多個頻率分時輸出。上位機界面如圖8所示。

2.5? 功率放大電路

功率放大電路工作頻帶為30～80 MHz，帶寬接近2個倍頻程，驅動功率要達到33 dBm。由于驅動功率要達到33 dBm，而頻率合成電路的信號功率約為0 dBm，需要設計兩級功率放大電路。驅動級功率放大增益為17 dB，末級選用高效率功放管，增益為16 dB，達到輸出功率為33 dBm。功率放大電路圖如圖9所示。

驅動級使用CGR?0218Z放大器芯片，可以在5～200 MHz工作，增益為17 dB。該芯片內部已經完成阻抗匹配，因此驅動級功放電路的設計簡單。末級功放電路使用2SK3476芯片，對芯片進行阻抗匹配以及電源電路的設計[12]，使得功率放大電路在30～80 MHz能夠達到33 dBm的放大功率。

3? 驅動系統(tǒng)實驗

測試頻率合成電路，上位機控制電路輸出30～80 MHz的頻率，用示波器對系統(tǒng)的輸出波形進行測試。頻率合成電路測試數據如表2所示。頻率信號波形（60 MHz）如圖10所示。測試的6組數據結果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出頻率，且頻率相對誤差控制在0.004%以內。

通過頻譜儀對驅動系統(tǒng)進行輸出功率的測試，測試電路中加入了20 dB的衰減器得到不同頻率信號的輸出功率，測試數據如表3所示。信號的功率譜（60 MHz）如圖11所示。驅動電路在信號30～80 MHz功率可達33 dBm。

4? 結? 語

本文系統(tǒng)采用微控制器STM32控制DDS芯片AD9959，產生多路不同的頻率信號，通過通道切換電路實現(xiàn)頻率的快速切換，減少頻率重新設置的時間，提高不同波長的光譜信息獲取速度。功率放大電路頻帶范圍在30～80 MHz，輸出功率信號可達33 dBm。經過實驗驗證，該多通道驅動系統(tǒng)產生的頻率信號，滿足驅動1 500～2 500 nm AOTF光譜成像儀的設計要求。

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