基于AD9851的高頻高壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)

引言

當(dāng)前脈沖發(fā)生器里的脈沖形成器件，大部分是用火花氣隙(spark gap)和高壓電子開(kāi)關(guān)(high voltage switch)。采用火花氣隙充當(dāng)脈沖形成器件有很多弊?。?1)火花氣隙在低于1kv時(shí)，在機(jī)械和電氣上不穩(wěn)定，所以對(duì)低于2kv的試驗(yàn)電壓要通過(guò)分壓器來(lái)得到。(2)脈沖群中單個(gè)脈沖的重復(fù)頻率實(shí)際值為10khz到100khz，然而廣泛調(diào)查的結(jié)果表明，采用固定調(diào)節(jié)火花氣隙的發(fā)生器難以再現(xiàn)這種較高的重復(fù)頻率。隨著脈沖形成器件的更新，特別是高速高壓電子開(kāi)關(guān)的選用，把脈沖重復(fù)頻率提高到5khz和100khz是理所當(dāng)然的事情。而采用直接數(shù)字合成芯片(dds)實(shí)現(xiàn)脈沖，其單個(gè)脈沖頻率能達(dá)10mhz甚至更高，脈沖重復(fù)頻率也可達(dá)100khz以上，還可以在線更改單個(gè)脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率，并且信號(hào)非常穩(wěn)定。這一改變，對(duì)提高脈沖發(fā)生器工作的穩(wěn)定性，提高脈沖頻率起到了關(guān)鍵作用。

ad9851的功能及控制方式

ad9851是ad公司采用先進(jìn)的dds技術(shù)生產(chǎn)的高集成度dds器件。它的內(nèi)部有高速、高性能的d/a轉(zhuǎn)換器和高速比較器，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。外接參考頻率源時(shí)，ad9851可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈，頻率和相位都可以控制而且穩(wěn)定性非常高的模擬正弦波。這個(gè)正弦波可以直接作為基準(zhǔn)信號(hào)源，或通過(guò)其內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換成為方波輸出, 作為靈敏的時(shí)鐘產(chǎn)生器。其系統(tǒng)功能原理框圖如圖1所示。
ad9851 的主要特性有：

(2) 內(nèi)置高性能的10b數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

(3) 內(nèi)含一個(gè)高速比較器。

(4) 具有簡(jiǎn)單的控制接口，允許串/并行異步輸入控制字。 (5) 采用32b頻率控制字。

(6) 內(nèi)部使用5b相位調(diào)制字。

(7) 工作電壓2.7～5.25v。

(8) 可以工作在掉電方式。

(9) 采用極小的28腳貼片式封裝。

ad9851內(nèi)部有5個(gè)輸入寄存器，儲(chǔ)存來(lái)自外部數(shù)據(jù)總線的32位頻率控制字，5位相位控制字，一位6倍參考時(shí)鐘倍乘器使能控制，一位電源休眠功能(powerdown)控制和一位邏輯0 。寄存器接收數(shù)據(jù)的方式有并行和串行兩種方式。并行方式通過(guò)8位數(shù)據(jù)總線d0～d7來(lái)完成全部40位控制數(shù)據(jù)的輸入。復(fù)位信號(hào)reset有效會(huì)使輸入數(shù)據(jù)地址指針指向第一個(gè)輸入寄存器，w_clk上升沿寫(xiě)入第一組8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)w_clk上升沿后，即完成全部40位控制數(shù)據(jù)的輸入，此后w_clk信號(hào)的邊沿?zé)o效。當(dāng)fq_ud上升沿到來(lái)之際40位數(shù)據(jù)會(huì)從輸入寄存器被寫(xiě)入頻率和相位控制寄存器，更新dds的輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器，等待著下一組新數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。串行方式w_clk上升沿把引腳d7上的數(shù)據(jù)按位串行移入到輸入寄存器，40位輸入結(jié)束后，任何w_clk上升沿到來(lái)都會(huì)造成數(shù)據(jù)順序移出并導(dǎo)致原來(lái)數(shù)據(jù)無(wú)效，此時(shí)fq_ud端的上升脈沖就可以使40位數(shù)據(jù)更新芯片的輸出頻率和相位。

硬件接口

ad9851的數(shù)據(jù)線可直接與多種類型單片機(jī)相連，本系統(tǒng)的微處理控制器選用的是at89s52，它是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)新一代的51芯片，采用atmel非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)，將功能提升，增加了競(jìng)爭(zhēng)力。89cxx與89sxx指令集和輸出管腳可以兼容。89s52內(nèi)置8k閃存，256字節(jié)ram，是一種高效微控制器,為很多控制系統(tǒng)提供了一種有效方案。更重要的是at89sxx支持在線編程，非常方便。圖2是系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)工作原理

圖2中，at89s52的引腳p1.0～p1.7作為ad9851的并/串行數(shù)據(jù)輸入端口，連接ad9851的do～d7腳。p2.1、p2.0作為i/o口輸出數(shù)據(jù)對(duì)ad9851的w_clk、fq_ud進(jìn)行控制。在本設(shè)計(jì)中采用了并行置數(shù)的方式，對(duì)dds的置數(shù)用單片機(jī)89s52完成。外部時(shí)鐘源選用20m有源晶振，能保證dds輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定性和精度。

由于ad9851是貼片式的，體積非常小，引腳排列比較密。在其外圍采用了電源、輸入、輸出以及數(shù)據(jù)線的保護(hù)電路。為了不受外界干擾，添加了不少濾波電路，使整個(gè)電路完善。 帶通濾波器（bpf）

在dds的輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)專門(mén)的濾波器來(lái)濾除雜散。普通的dds輸出濾波器一般是用一個(gè)低通濾波器。而實(shí)際的dds雜散信號(hào)并不僅存在于比主頻點(diǎn)高的頻帶內(nèi)，而往往是在全頻帶范圍里面都存在。所以在本設(shè)計(jì)中使用帶通濾波器作為dds的輸出濾波器。在帶通濾波器中有切比雪夫、橢圓濾波器、巴特沃斯濾波器等濾波器可供選擇。其中，巴特沃斯濾波器通帶內(nèi)的波動(dòng)較小，但帶外抑制也比較小，且矩形系數(shù)較差，因此不太適合作為ad9851輸出濾波器使用。切比雪夫?yàn)V波器的帶外抑制很好，但是其矩形系數(shù)不高，在通帶附近的衰減不是足夠大，同時(shí)通帶內(nèi)的紋波比較大，所以也不太適合作為dds輸出濾波器使用。橢圓濾波器是這三種中用相同階數(shù)能夠得到最好矩形系數(shù)，5階橢圓濾波器在通帶附近的頻點(diǎn)可以得到40db的帶外抑制，很適合將雜散信號(hào)濾除。因此濾波器設(shè)計(jì)中采用了橢圓濾波器，以確保輸出頻率信號(hào)應(yīng)有的頻譜純度。

信號(hào)隔離和放大單元

為保證電路能安全可靠地工作，防止模擬和數(shù)字電路之間的干擾，需要采取隔離措施。在ad9851的電路部分中，數(shù)字信號(hào)傳入模擬部分對(duì)輸出信號(hào)的干擾可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)線引入ad9851，這部分干擾中的高頻信號(hào)會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，用89s51輸人時(shí)，數(shù)字信號(hào)的變化頻率一般在300khz以內(nèi)，所以對(duì)這些信號(hào)可以用低通濾波器的方式濾除，在本設(shè)計(jì)中的ad9851和89s51的連接線上都加裝了一個(gè)一階rc濾波器。數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬部分干擾的另一個(gè)重要的途徑是通過(guò)電源和地串入模擬部分，從電源引人的干擾將嚴(yán)重影響輸出頻譜的純度，在最后的dac中，電源的周期紋波將被調(diào)制到輸出的頻譜中，使輸出信號(hào)成為載頻調(diào)制上噪聲信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)中必須極力避免從電源線和地中引入干擾信號(hào)，在ad9851的電源中必須將模擬地和數(shù)字地分開(kāi)，模擬電源和數(shù)字電源完全隔開(kāi)，且為模擬部分提供低噪聲的電源。因此將dds模擬部分的+5v供電和數(shù)字部分的+5v供電完全隔離，也讓數(shù)字地和模擬地隔離開(kāi)。

信號(hào)經(jīng)濾波和三極管射極跟隨送至高速光耦，然后經(jīng)由高壓運(yùn)放放大至250v，考慮到信號(hào)的放大部分電壓較高約為260v，而且信號(hào)發(fā)生部分還需要和計(jì)算機(jī)接口，為保證電路能安全可靠地工作，在信號(hào)發(fā)生單元和放大單元間加入了一級(jí)信號(hào)隔離單元。該單元使用一片6n137高速光耦作信號(hào)傳遞元件，其隔離電壓為3kv，頻率在10mhz以上，每個(gè)芯片僅提供一個(gè)隔離通道。 該單元采用pa85系列高壓運(yùn)放。這種芯片可以在225v正負(fù)電源內(nèi)工作，輸出電流可達(dá)200ma。該芯片在使用上與普通運(yùn)放基本沒(méi)有差別，但其截止頻率高，高頻特性好，增益大，1mhz處的增益帶寬積為100mhz。由于ad9851得到的信號(hào)頻率很高，且電壓幅值很小，只有毫伏級(jí)，為保證能放大信號(hào)幅值接近電源電壓，所以先由共發(fā)-共基組合電路將小信號(hào)電壓放大到12～15v，然后將這個(gè)放大的信號(hào)送到pa85高壓運(yùn)放單元。pa85通過(guò)外接兩枚電阻對(duì)輸出電流加以限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)作用。輸出信號(hào)的幅度可以方便地通過(guò)改變運(yùn)放的增益系數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。
由pa85放大到200v左右的高頻振蕩信號(hào)，經(jīng)高壓開(kāi)關(guān)，通過(guò)電容充放電得到要求的輸出電壓。

鍵盤(pán)和液晶顯示模塊

系統(tǒng)外設(shè)擴(kuò)展了一個(gè)4x4的鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)頻率值的設(shè)置與在線修改，以實(shí)現(xiàn)不同頻率的高頻信號(hào)。系統(tǒng)中的dm-162帶有背光的液晶模塊，它是字符型液晶模塊，是5x7點(diǎn)陣圖形顯示字符的液晶顯示器，它顯示的容量為2行16個(gè)字，具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)/閃爍等功能。同mcu可采用8位并行傳輸或4位并行傳輸兩種方式。其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在儀表、儀器和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

軟件編程 軟件編程主要是根據(jù)ad9851的控制字方式，把具有不同功能的控制字寫(xiě)入到芯片內(nèi)部。本系統(tǒng)采用并行輸入方式，軟件流程圖如圖3示。

結(jié)束語(yǔ)

dds芯片應(yīng)用簡(jiǎn)單，集成度高，體積小，相對(duì)帶寬較寬，頻率切換時(shí)間短，相位連續(xù)性好，相位噪聲比較低。通過(guò)合理選用dds芯片，采用必要措施設(shè)計(jì)其相關(guān)輔助電路來(lái)實(shí)現(xiàn)高頻高壓脈沖發(fā)生器，提高了脈沖發(fā)生器工作的穩(wěn)定性，對(duì)脈沖頻率值的提高及在線調(diào)節(jié)脈沖寬度與重復(fù)頻率等起到了關(guān)鍵的作用。